Hôm nay, chúng ta sẽ giới thiệu một loại laser “đơn sắc” cực kỳ hiếm – laser có độ rộng vạch phổ hẹp. Sự xuất hiện của nó đã lấp đầy những 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 đồng bộ tốc độ cao và các lĩnh vực khác, đây là một “nhiệm vụ” không thể hoàn thành chỉ bằng cách tăng công suất laser.
Laser có độ rộng vạch phổ hẹp là gì?
Thuật ngữ “độ rộng vạch phổ” đề cập đến độ rộng vạch phổ của laser trong miền tần số, thường được định lượng bằng độ rộng toàn phần của phổ tại điểm bán cực đại (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, rung 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, độ tinh khiết của phổ càng cao, tức là độ đơn sắc của laser càng tốt. Laser có đặc điểm như vậy thường có rất ít nhiễu pha hoặc nhiễu tần số và rất ít nhiễu cường độ tương đối. Đồng thời, giá trị độ rộng vạch phổ của laser càng nhỏ thì độ kết hợp tương ứng càng mạnh, thể hiện ở độ dài kết hợp cực kỳ dài.
Thực hiện và ứng dụng laser có độ rộng vạch hẹp
Do bị giới hạn bởi độ rộng vạch phổ khuếch đại vốn có của vật liệu làm việc của laser, việc trực tiếp tạo ra laser có độ rộng vạch phổ hẹp bằng cách chỉ dựa vào bộ dao động truyền thống là hầu như không thể. Để thực hiện hoạt động của laser có độ rộng vạch phổ hẹp, thông thường cần phải sử dụng các bộ lọc, cách tử và các thiết bị khác để giới hạn hoặc chọn lọc mô đun dọc trong phổ khuếch đại, tăng sự khác biệt khuếch đại ròng giữa các chế độ dọc, sao cho chỉ có một hoặc thậm chí chỉ một dao động chế độ dọc trong bộ cộng hưởng laser. Trong quá trình này, thường cần phải 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 tần số để hiểu nguồn gốc của nhiễu và tối ưu hóa thiết kế laser, nhằm đạt được đầu ra ổn định của laser có độ rộng vạch phổ hẹp.
Chúng ta hãy cùng xem xét việc hiện thực hóa hoạt động với độ rộng vạch phổ hẹp của một số loại laser khác nhau.
Laser bán dẫn có những ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao, tuổi thọ dài và lợi ích kinh tế.
Bộ cộng hưởng quang Fabry-Perot (FP) được sử dụng trong các thiết bị truyền thống.laser bán dẫnNó thường dao động theo chế độ đa dọc, và độ rộng vạch phổ đầu ra tương đối lớn, do đó cần tăng cường phản hồi quang học để thu được đầu ra có độ rộng vạch phổ hẹp hơn.
Laser bán dẫn phản hồi quang phân tán (DFB) và laser bán dẫn phản xạ Bragg phân tán (DBR) là hai loại laser bán dẫn phản hồi quang nội bộ điển hình. Nhờ bước sóng lưới nhỏ và khả năng chọn lọc bước sóng tốt, chúng dễ dàng đạt được đầu ra đơn tần ổn định với độ rộng vạch hẹp. Sự khác biệt chính giữa hai cấu trúc là vị trí của lưới: cấu trúc DFB thường phân bố cấu trúc tuần hoàn của lưới Bragg khắp bộ cộng hưởng, còn bộ cộng hưởng của DBR thường bao gồm cấu trúc lưới phản xạ và vùng khuếch đại được tích hợp vào bề mặt cuối. Ngoài ra, laser DFB sử dụng lưới nhúng có độ tương phản chiết suất thấp và độ phản xạ thấp. Laser DBR sử dụng lưới bề mặt có 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 bị nhảy mode trong phạm vi vài nanomet, trong đó laser DBR có phạm vi điều chỉnh rộng hơn laser DFB.Laser DFBNgoài ra, công nghệ phản hồi quang học khoang ngoài, sử dụng các phần tử 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 với độ rộng vạch phổ 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, đây là những chủ đề nghiên cứu nóng 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 cáp quang hiện có trên thị trường. Laser sợi quang đơn tần với những ưu điểm như độ rộng vạch hẹp, độ nhiễu thấp và độ kết hợp tốt đã trở thành một trong những hướng phát triển quan trọng của nó.
Chế độ hoạt động đơn dọc là cốt lõi của laser sợi quang để đạt được đầu ra có độ rộng vạch hẹp, thường theo cấu trúc của bộ cộng hưởng, laser sợi quang đơn tần có thể được chia thành loại DFB, loại DBR và loại vòng. Trong đó, nguyên lý hoạt động của laser sợi quang đơn tần DFB và DBR tương tự như laser bán dẫn DFB và DBR.
Như thể hiện trong Hình 1, laser sợi quang DFB ghi cấu trúc mạng tinh thể Bragg phân bố vào sợi quang. Vì bước sóng hoạt động của bộ dao động bị ảnh hưởng bởi chu kỳ sợi quang, nên chế độ dọc có thể được chọn thông qua phản hồi phân bố của mạng tinh thể. Bộ cộng hưởng laser của laser DBR thường được tạo thành từ một cặp mạng tinh thể Bragg sợi quang, và chế độ dọc đơn chủ yếu được chọn bởi các mạng tinh thể Bragg sợi quang có băng thông 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 cộng hưởng hình vòng dễ bị nhảy chế độ, và khó 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 bài: 27/11/2023