Dar Çizgi Genişlikli Lazerler

Bazı lazer uygulamaları, lazerin çok dar bir çizgi genişliğine, yani dar bir spektruma sahip olmasını gerektirir. Dar çizgi genişlikli lazerler tek frekanslı lazerleri ifade eder, yani lazer değerinde rezonans boşluk modu vardır ve faz gürültüsü çok düşüktür, dolayısıyla spektral saflık çok yüksektir. Tipik olarak bu tür lazerler çok düşük yoğunluklu gürültüye sahiptir.

Dar çizgi genişlikli lazerlerin en önemli türleri şunlardır:

1. Yarı iletken lazerler, dağıtılmış geri beslemeli lazer diyotları (DFB lazerleri) ve dağıtılmış Bragg yansıma lazerleri (DBR lazerleri), en yaygın olarak 1500 veya 1000nm bölgesinde kullanılır. Tipik çalışma parametreleri, onlarca miliwatt'lık (bazen 100 miliwatt'tan fazla) çıkış gücü ve birkaç MHz'lik hat genişliğidir.

2. Yarı iletken lazerlerle daha dar çizgi genişlikleri elde edilebilir, örneğin rezonatörün dar bantlı bir fiber Bragg ızgarası içeren tek modlu bir fiberle uzatılması veya bir harici boşluklu diyot lazerin kullanılmasıyla. Bu yöntemi kullanarak birkaç kHz'lik, hatta 1 kHz'den daha düşük ultra dar bir hat genişliği elde edilebilir.

3. Küçük dağıtılmış geri beslemeli fiber lazerler (özel fiber Bragg ızgaralarından yapılmış rezonatörler), kHz aralığında çizgi genişlikleriyle onlarca miliwatt'lık çıkış gücü üretebilir.

4. Düzlemsel olmayan halka rezonatörlü diyot pompalı katı hal gövde lazerleri de birkaç kHz'lik bir çizgi genişliği elde edebilirken, çıkış gücü 1W düzeyinde nispeten yüksektir. Tipik bir dalga boyu 1064 nm olsa da 1300 veya 1500 nm gibi diğer dalga boyu bölgeleri de mümkündür.

Lazerlerin dar hat genişliğini etkileyen ana faktörler

Çok dar radyasyon bant genişliğine (çizgi genişliği) sahip bir lazer elde etmek için, lazer tasarımında aşağıdaki faktörlerin dikkate alınması gerekir:

Öncelikle tek frekansta çalışmanın sağlanması gerekiyor. Bu, küçük kazanç bant genişliğine ve kısa lazer boşluğuna (geniş bir serbest spektral aralığa yol açan) sahip bir kazanç ortamı kullanılarak kolayca elde edilir. Amaç, mod atlaması olmadan uzun vadeli istikrarlı tek frekanslı çalışma olmalıdır.

İkincisi, dış gürültünün etkisinin en aza indirilmesi gerekiyor. Bu, stabil bir rezonatör kurulumu (tek renkli) veya mekanik titreşimlere karşı özel koruma gerektirir. Elektrikle pompalanan lazerlerin düşük gürültülü akım veya voltaj kaynakları kullanması gerekirken, optik olarak pompalanan lazerlerin pompa ışık kaynağı olarak düşük yoğunluklu gürültüye sahip olması gerekir. Ek olarak, örneğin Faraday izolatörleri kullanılarak tüm geri bildirim ışık dalgalarından kaçınılması gerekir. Teorik olarak, harici gürültünün, kazanç ortamındaki kendiliğinden emisyon gibi, dahili gürültüden daha az etkisi vardır. Gürültü frekansı yüksek olduğunda bunu başarmak kolaydır, ancak gürültü frekansı düşük olduğunda hat genişliği üzerindeki etki çok önemlidir.

Üçüncüsü, lazer tasarımının, lazer gürültüsünü, özellikle de faz gürültüsünü en aza indirecek şekilde optimize edilmesi gerekir. Yüksek boşluk içi güç ve uzun rezonatörler tercih edilir, ancak bu durumda kararlı tek frekanslı çalışmanın elde edilmesi daha zordur.

Baskın gürültü kaynağına bağlı olarak farklı ölçümler gerekli olduğundan sistem optimizasyonu, farklı gürültü kaynaklarının öneminin anlaşılmasını gerektirir. Örneğin, Schawlow-Townes denklemine göre en aza indirilen hat genişliği, eğer gerçek hat genişliği mekanik gürültü ile belirleniyorsa, gerçek hat genişliğini mutlaka en aza indirmez.

Gürültü Özellikleri ve Performans Özellikleri.

Dar hat genişlikli lazerlerin hem gürültü özellikleri hem de performans ölçümleri önemsiz konulardır. Hat Genişliği girişinde farklı ölçüm teknikleri tartışılmaktadır; özellikle birkaç kHz veya daha düşük hat genişlikleri talep edilmektedir. Ayrıca sadece hat genişliği değerini dikkate almak tüm gürültü özelliklerini veremez; tam bir faz gürültü spektrumunun yanı sıra bağıl yoğunluk gürültü bilgisinin verilmesi gereklidir. Çizgi genişliği değerinin en azından ölçüm süresiyle veya uzun vadeli frekans kaymasını hesaba katan diğer bilgilerle birleştirilmesi gerekir.

Elbette farklı uygulamaların farklı gereksinimleri vardır ve farklı gerçek durumlarda hangi düzeyde gürültü performansı endeksinin dikkate alınması gerekir.

Dar Çizgi Genişlikli Lazerlerin Uygulamaları

1. Algılama alanında çok önemli bir uygulama vardır; örneğin basınç veya sıcaklık fiber optik sensörleri, çeşitli interferometre algılaması, gazı algılamak ve izlemek için farklı absorpsiyon LIDAR'ı kullanmak ve rüzgar hızını ölçmek için Doppler LIDAR'ı kullanmak. Bazı fiber optik sensörler birkaç kHz'lik bir lazer hat genişliği gerektirirken, LIDAT ölçümlerinde 100 kHz'lik bir hat genişliği yeterlidir.

2. Optik frekans ölçümleri, stabilizasyon tekniklerini gerektiren çok dar kaynak hat genişlikleri gerektirir.

3. Fiber optik iletişim sistemlerinin hat genişliği konusunda nispeten gevşek gereksinimleri vardır ve esas olarak vericiler veya algılama veya ölçüm için kullanılır.