Hôm nay, chúng tôi sẽ giới thiệu laser "đơn sắc" với laser có độ rộng vạch phổ cực hẹp. Sự xuất hiện của nó đã lấp đầy khoảng trống trong nhiều lĩnh vực ứng dụng của laser, và trong những năm gần đây đã được sử dụng rộng rãi trong phát hiện sóng hấp dẫn, LiDAR, cảm biến phân tán, truyền thông quang học kết hợp tốc độ cao và các lĩnh vực khác, đây là một "sứ mệnh" không thể hoàn thành chỉ bằng cách cải thiện công suất laser.
Laser có độ rộng vạch hẹp là gì?
Thuật ngữ "độ rộng vạch phổ" dùng để chỉ độ rộng vạch phổ của laser trong miền tần số, thường được định lượng theo độ rộng toàn phần bán đỉnh của phổ (FWHM). Độ rộng vạch phổ chủ yếu bị ảnh hưởng bởi bức xạ tự phát của các nguyên tử hoặc ion bị kích thích, nhiễu pha, dao động cơ học của bộ cộng hưởng, dao động nhiệt độ và các yếu tố bên ngoài khác. Giá trị độ rộng vạch phổ càng nhỏ thì độ tinh khiết của phổ càng cao, tức là tính đơn sắc của laser càng tốt. Laser có những đặc tính như vậy thường có rất ít nhiễu pha hoặc tần số và rất ít nhiễu cường độ tương đối. Đồng thời, giá trị độ rộng tuyến tính của laser càng nhỏ thì tính kết hợp tương ứng càng mạnh, biểu hiện bằng độ dài kết hợp cực kỳ dài.
Thực hiện và ứng dụng laser vạch hẹp
Do độ rộng vạch khuếch đại vốn có của chất làm việc của laser bị giới hạn, nên hầu như không thể trực tiếp hiện thực hóa đầu ra của laser có độ rộng vạch hẹp bằng cách dựa vào chính bộ dao động truyền thống. Để hiện thực hóa hoạt động của laser có độ rộng vạch hẹp, thường cần sử dụng các bộ lọc, lưới và các thiết bị khác để giới hạn hoặc chọn mô đun dọc trong phổ khuếch đại, tăng chênh lệch độ rộng vạch khuếch đại ròng giữa các chế độ dọc, sao cho có một vài hoặc thậm chí chỉ một dao động chế độ dọc trong bộ cộng hưởng laser. Trong quá trình này, thường cần kiểm soát ảnh hưởng của nhiễu đến đầu ra laser và giảm thiểu sự mở rộng các vạch phổ do rung động và thay đổi nhiệt độ của môi trường bên ngoài gây ra; Đồng thời, cũng có thể kết hợp với việc phân tích mật độ phổ nhiễu pha hoặc nhiễu tần số để hiểu nguồn nhiễu và tối ưu hóa thiết kế của laser, để đạt được đầu ra ổn định của laser có độ rộng vạch hẹp.
Chúng ta hãy cùng xem xét việc thực hiện hoạt động trên dải tần hẹp của một số loại laser khác nhau.
Laser bán dẫn có ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao, tuổi thọ cao và lợi ích kinh tế.
Bộ cộng hưởng quang học Fabry-Perot (FP) được sử dụng trong truyền thốnglaser bán dẫnthường dao động theo chế độ đa chiều dọc và độ rộng đường truyền đầu ra tương đối rộng, do đó cần phải tăng phản hồi quang học để thu được đầu ra có độ rộng đường truyền hẹp.
Phản hồi phân tán (DFB) và phản xạ Bragg phân tán (DBR) là hai loại laser bán dẫn phản hồi quang học nội bộ điển hình. Nhờ bước sóng cách tử nhỏ và độ chọn lọc bước sóng tốt, laser này dễ dàng đạt được đầu ra ổn định với độ rộng vạch phổ hẹp, tần số đơn. Sự khác biệt chính giữa hai cấu trúc này là vị trí của cách tử: cấu trúc DFB thường phân phối cấu trúc tuần hoàn của cách tử Bragg khắp bộ cộng hưởng, còn bộ cộng hưởng của DBR thường bao gồm cấu trúc cách tử phản xạ và vùng khuếch đại tích hợp vào bề mặt cuối. Ngoài ra, laser DFB sử dụng cách tử nhúng với độ tương phản chiết suất thấp và độ phản xạ thấp. Laser DBR sử dụng cách tử bề mặt với độ tương phản chiết suất cao và độ phản xạ cao. Cả hai cấu trúc đều có dải phổ tự do lớn và có thể thực hiện điều chỉnh bước sóng mà không cần nhảy mode trong phạm vi vài nanomet, trong khi laser DBR có dải điều chỉnh rộng hơn so vớiTia laser DFBNgoài ra, công nghệ phản hồi quang học khoang ngoài, sử dụng các thành phần quang học bên ngoài để phản hồi ánh sáng phát ra từ chip laser bán dẫn và chọn tần số, cũng có thể thực hiện hoạt động có độ rộng vạch hẹp của laser bán dẫn.
(2) Laser sợi quang
Laser sợi quang có hiệu suất chuyển đổi bơm cao, chất lượng chùm tia tốt và hiệu suất ghép nối cao, là những chủ đề nghiên cứu nóng hổi trong lĩnh vực laser. Trong bối cảnh thời đại thông tin, laser sợi quang có khả năng tương thích tốt với các hệ thống truyền thông sợi quang hiện có trên thị trường. Laser sợi quang đơn tần với ưu điểm là độ rộng đường truyền hẹp, độ nhiễu thấp và độ kết hợp tốt đã trở thành một trong những hướng phát triển quan trọng.
Chế độ hoạt động dọc đơn là cốt lõi của laser sợi quang để đạt được đầu ra có độ rộng đường truyền hẹp, thường dựa trên cấu trúc của bộ cộng hưởng, laser sợi quang đơn tần có thể được chia thành loại DFB, loại DBR và loại vòng. Trong số đó, nguyên lý hoạt động của laser sợi quang đơn tần DFB và DBR tương tự như laser bán dẫn DFB và DBR.
Như minh họa trong Hình 1, laser sợi quang DFB được thiết kế để ghi cách tử Bragg phân tán vào sợi quang. Do bước sóng làm việc của bộ dao động bị ảnh hưởng bởi chu kỳ sợi quang, nên chế độ dọc có thể được lựa chọn thông qua phản hồi phân tán của cách tử. Bộ cộng hưởng laser của laser DBR thường được tạo thành từ một cặp cách tử Bragg sợi quang, và chế độ dọc đơn chủ yếu được lựa chọn bởi cách tử Bragg sợi quang băng hẹp và độ phản xạ thấp. Tuy nhiên, do bộ cộng hưởng dài, cấu trúc phức tạp và thiếu cơ chế phân biệt tần số hiệu quả, khoang hình vòng dễ bị nhảy mode, và khó có thể hoạt động ổn định ở chế độ dọc không đổi trong thời gian dài.
Hình 1, Hai cấu trúc tuyến tính điển hình của tần số đơnlaser sợi quang
Thời gian đăng: 27-11-2023