Definição de largura de linha em lasers

A largura de linha de um laser, especialmente um laser de frequência única, refere-se à largura de seu espectro (normalmente largura total na metade do máximo, FWHM). Mais precisamente, é a largura da densidade espectral de potência do campo elétrico irradiado, expressa em termos de frequência, número de onda ou comprimento de onda. A largura de linha de um laser está intimamente relacionada à coerência temporal e é caracterizada pelo tempo de coerência e pelo comprimento de coerência. Se a fase sofrer um deslocamento ilimitado, o ruído de fase contribui para a largura de linha; este é o caso dos osciladores livres. (Flutuações de fase confinadas a um intervalo de fase muito pequeno produzem largura de linha zero e algumas bandas laterais de ruído.) Mudanças no comprimento da cavidade ressonante também contribuem para a largura de linha e a tornam dependente do tempo de medição. Isto indica que a largura de linha por si só, ou mesmo uma forma espectral desejável (forma de linha), não pode fornecer informações completas sobre o espectro do laser.

II. Medição de largura de linha a laser

Muitas técnicas podem ser usadas para medir a largura de linha do laser:

1. Quando a largura de linha é relativamente grande (>10 GHz, quando múltiplos modos oscilam em múltiplas cavidades ressonantes de laser), ela pode ser medida usando um espectrômetro tradicional empregando uma rede de difração. No entanto, é difícil obter resolução de alta frequência usando este método.

2. Outro método é usar um discriminador de frequência para converter flutuações de frequência em flutuações de intensidade. O discriminador pode ser um interferômetro não balanceado ou uma cavidade de referência de alta precisão. Este método de medição também possui resolução limitada.

3. Os lasers de frequência única normalmente usam um método auto-heteródino, que registra a batida entre a saída do laser e sua própria frequência após deslocamento e atraso.

4. Para larguras de linha de várias centenas de hertz, as técnicas tradicionais auto-heteródinas são impraticáveis ​​porque requerem um grande comprimento de atraso. Um loop de fibra cíclica e um amplificador de fibra integrado podem ser usados ​​para estender esse comprimento.

5. Uma resolução muito alta pode ser obtida registrando-se as batidas de dois lasers independentes, onde o ruído do laser de referência é muito menor que o do laser de teste ou suas especificações de desempenho são semelhantes. Um loop de bloqueio de fase ou cálculo da diferença instantânea de frequência com base em registros matemáticos pode ser usado. Este método é muito simples e estável, mas requer outro laser (operando próximo à frequência do laser de teste). Se a largura de linha medida exigir uma ampla faixa espectral, um pente de frequência é muito conveniente.

1. Quando a largura de linha é relativamente grande (>10 GHz, quando múltiplos modos oscilam em múltiplas cavidades ressonantes de laser), ela pode ser medida usando um espectrômetro tradicional empregando uma rede de difração. No entanto, é difícil obter resolução de alta frequência usando este método.

Quando a potência intracavitária é alta, a perda da cavidade ressonante é baixa e o tempo de ida e volta da cavidade ressonante é longo, o ruído quântico (principalmente ruído de emissão espontânea) do laser tem um pequeno impacto. O ruído clássico pode ser causado por flutuações mecânicas, que podem ser atenuadas com o uso de um ressonador laser compacto e curto. No entanto, as flutuações de comprimento podem, por vezes, ter um efeito mais forte em ressonadores ainda mais curtos. O projeto mecânico adequado pode reduzir o acoplamento entre o ressonador laser e as radiações externas e também minimizar os efeitos de deriva térmica. Também existem flutuações térmicas no meio de ganho, causadas por flutuações de potência da bomba. Para um melhor desempenho de ruído, são necessários outros dispositivos de estabilização ativa, mas inicialmente são preferíveis métodos passivos práticos. As larguras de linha dos lasers de estado sólido de frequência única e dos lasers de fibra estão na faixa de 1-2 Hz, às vezes até abaixo de 1 kHz. Os métodos de estabilização ativa podem atingir larguras de linha abaixo de 1 kHz. As larguras de linha dos diodos laser estão normalmente na faixa de MHz, mas podem ser reduzidas a kHz, por exemplo, em lasers de diodo de cavidade externa, especialmente aqueles com feedback óptico e cavidades de referência de alta precisão.

III. Minimizando a largura de linha do laser

A largura de linha do laser está diretamente relacionada ao tipo de laser. Pode ser minimizado otimizando o design do laser e suprimindo influências de ruído externo. O primeiro passo é determinar se o ruído quântico ou o ruído clássico é dominante, pois isso afetará as medições subsequentes.

Quando a potência intracavitária é alta, a perda da cavidade ressonante é baixa e o tempo de ida e volta da cavidade ressonante é longo, o ruído quântico (principalmente ruído de emissão espontânea) do laser tem um pequeno impacto. O ruído clássico pode ser causado por flutuações mecânicas, que podem ser atenuadas com o uso de um ressonador laser compacto e curto. No entanto, as flutuações de comprimento podem, por vezes, ter um efeito mais forte em ressonadores ainda mais curtos. O projeto mecânico adequado pode reduzir o acoplamento entre o ressonador laser e as radiações externas e também minimizar os efeitos de deriva térmica. Também existem flutuações térmicas no meio de ganho, causadas por flutuações de potência da bomba. Para um melhor desempenho de ruído, são necessários outros dispositivos de estabilização ativa, mas inicialmente são preferíveis métodos passivos práticos. As larguras de linha dos lasers de estado sólido de frequência única e dos lasers de fibra estão na faixa de 1-2 Hz, às vezes até abaixo de 1 kHz. Os métodos de estabilização ativa podem atingir larguras de linha abaixo de 1 kHz. As larguras de linha dos diodos laser estão normalmente na faixa de MHz, mas podem ser reduzidas a kHz, por exemplo, em lasers de diodo de cavidade externa, especialmente aqueles com feedback óptico e cavidades de referência de alta precisão.

4. Problemas decorrentes de larguras de linha estreitas

Em alguns casos, não é necessária uma largura de feixe muito estreita da fonte de laser:

1. Quando o comprimento de coerência é longo, os efeitos de coerência (devido a reflexões parasitas fracas) podem distorcer a forma do feixe. 1. Em telas de projeção a laser, os efeitos de manchas podem interferir na qualidade da superfície.

2. Quando a luz se propaga em fibras ópticas ativas ou passivas, larguras de linha estreitas podem causar problemas devido ao espalhamento estimulado de Brillouin. Nesses casos, é necessário aumentar a largura de linha, por exemplo, dithering rapidamente a frequência transitória de um diodo laser ou modulador óptico usando modulação de corrente. A largura de linha também é usada para descrever a largura das transições ópticas (por exemplo, transições de laser ou algumas características de absorção). Nas transições de um único átomo ou íon estacionário, a largura de linha está relacionada ao tempo de vida do estado de energia superior (mais precisamente, o tempo de vida entre os estados de energia superior e inferior) e é chamada de largura de linha natural. O movimento (ver alargamento Doppler) ou a interação de átomos ou íons pode ampliar a largura de linha, como o alargamento da pressão em gases ou interações de fônons em meios sólidos. Se diferentes átomos ou íons forem afetados de maneira diferente, poderá ocorrer um alargamento não uniforme.