Lasers de largura de linha estreita

Algumas aplicações de laser exigem que o laser tenha uma largura de linha muito estreita, ou seja, um espectro estreito. Lasers de largura de linha estreita referem-se a lasers de frequência única, ou seja, existe um modo de cavidade ressonante no valor do laser e o ruído de fase é muito baixo, portanto a pureza espectral é muito alta. Normalmente, esses lasers apresentam ruído de intensidade muito baixa.

Os tipos mais importantes de lasers de largura de linha estreita são os seguintes:

1. Lasers semicondutores, diodos laser de feedback distribuído (lasers DFB) e lasers de reflexão de Bragg distribuídos (lasers DBR) são mais comumente usados ​​na região de 1500 ou 1000 nm. Os parâmetros operacionais típicos são uma potência de saída de dezenas de miliwatts (às vezes superior a 100 miliwatts) e uma largura de linha de vários MHz.

2. Larguras de linha mais estreitas podem ser obtidas com lasers semicondutores, por exemplo, estendendo o ressonador com uma fibra monomodo contendo uma rede de Bragg de fibra de banda estreita, ou usando um laser de diodo de cavidade externa. Usando este método, uma largura de linha ultraestreita de vários kHz ou até menos de 1kHz pode ser alcançada.

3. Pequenos lasers de fibra de feedback distribuído (ressonadores feitos de redes de Bragg de fibra especial) podem gerar potências de saída de dezenas de miliwatts com larguras de linha na faixa de kHz.

4. Lasers de corpo de estado sólido bombeados por diodo com ressonadores de anel não planares também podem obter uma largura de linha de vários kHz, enquanto a potência de saída é relativamente alta, da ordem de 1W. Embora um comprimento de onda típico seja 1.064 nm, outras regiões de comprimento de onda, como 1.300 ou 1.500 nm, também são possíveis.

Os principais fatores que afetam a estreita largura de linha dos lasers

Para obter um laser com uma largura de banda de radiação (largura de linha) muito estreita, os seguintes fatores precisam ser considerados no projeto do laser:

Primeiro, a operação em frequência única precisa ser alcançada. Isto é facilmente conseguido usando um meio de ganho com uma pequena largura de banda de ganho e uma cavidade de laser curta (resultando em uma grande faixa espectral livre). O objetivo deve ser uma operação estável de frequência única a longo prazo, sem salto de modo.

Em segundo lugar, a influência do ruído externo precisa ser minimizada. Isto requer uma configuração estável do ressonador (monocromático) ou proteção especial contra vibrações mecânicas. Os lasers bombeados eletricamente precisam usar fontes de corrente ou tensão de baixo ruído, enquanto os lasers bombeados opticamente precisam ter ruído de baixa intensidade como fonte de luz da bomba. Além disso, todas as ondas de luz de feedback precisam ser evitadas, por exemplo, usando isoladores de Faraday. Em teoria, o ruído externo tem menos influência que o ruído interno, como a emissão espontânea no meio de ganho. Isto é fácil de conseguir quando a frequência do ruído é alta, mas quando a frequência do ruído é baixa o efeito na largura de linha é mais importante.

Terceiro, o design do laser precisa ser otimizado para minimizar o ruído do laser, especialmente o ruído de fase. Alta potência intracavitária e ressonadores longos são preferidos, embora a operação estável em frequência única seja mais difícil de conseguir neste caso.

A otimização do sistema requer uma compreensão da importância das diferentes fontes de ruído, uma vez que são necessárias diferentes medições dependendo da fonte de ruído dominante. Por exemplo, a largura de linha minimizada de acordo com a equação de Schawlow-Townes não minimiza necessariamente a largura de linha real se a largura de linha real for determinada por ruído mecânico.

Características de ruído e especificações de desempenho.

Tanto as características de ruído quanto as métricas de desempenho de lasers de largura de linha estreita são questões triviais. Diferentes técnicas de medição são discutidas na entrada Linewidth, especialmente larguras de linha de alguns kHz ou menos que são exigentes. Além disso, considerar apenas o valor da largura de linha não pode fornecer todas as características de ruído; é necessário fornecer um espectro completo de ruído de fase, bem como informações de intensidade relativa de ruído. O valor da largura de linha precisa ser combinado com pelo menos o tempo de medição ou outras informações que levem em consideração o desvio de frequência de longo prazo.

É claro que diferentes aplicações têm requisitos diferentes e qual nível de índice de desempenho de ruído precisa ser considerado em diferentes situações reais.

Aplicações de lasers de largura de linha estreita

1. Uma aplicação muito importante é no campo da detecção, como sensores de fibra óptica de pressão ou temperatura, vários sensores de interferômetro, usando diferentes LIDAR de absorção para detectar e rastrear gás e usando Doppler LIDAR para medir a velocidade do vento. Alguns sensores de fibra óptica requerem uma largura de linha do laser de vários kHz, enquanto nas medições LIDAT, uma largura de linha de 100 kHz é suficiente.

2. As medições de frequência óptica requerem larguras de linha de fonte muito estreitas, o que requer técnicas de estabilização para serem alcançadas.

3. Os sistemas de comunicação de fibra óptica têm requisitos relativamente flexíveis em termos de largura de linha e são usados ​​​​principalmente para transmissores ou para detecção ou medição.