Дефиниција на линиска ширина во ласери

Ширината на линијата на ласерот, особено на ласерот со една фреквенција, се однесува на ширината на неговиот спектар (обично целосна ширина на половина максимум, FWHM). Поточно, тоа е ширината на спектралната густина на моќноста на зраченото електрично поле, изразена во однос на фреквенцијата, брановиот број или брановата должина. Ширината на линијата на ласерот е тесно поврзана со временската кохерентност и се карактеризира со време на кохерентност и должина на кохерентност. Ако фазата претрпи неограничено поместување, фазната бучава придонесува за ширината на линијата; тоа е случај со слободните осцилатори. (Флуктуациите на фазите ограничени на многу мал фазен интервал создаваат нула ширина на линијата и некои странични појаси на бучава.) Поместувањата во должината на резонантната празнина, исто така, придонесуваат за ширината на линијата и ја прават зависна од времето на мерење. Ова покажува дека само ширината на линијата, или дури и посакуваната спектрална форма (линиска форма), не може да обезбеди целосни информации за ласерскиот спектар.

II. Ласерско мерење на ширината на линијата

Може да се користат многу техники за мерење на ширината на линијата на ласерот:

1. Кога ширината на линијата е релативно голема (>10 GHz, кога повеќе режими осцилираат во повеќе ласерски резонантни шуплини), може да се мери со помош на традиционален спектрометар кој користи дифракциона решетка. Сепак, тешко е да се добие висока фреквентна резолуција со користење на овој метод.

2. Друг метод е да се користи фреквентен дискриминатор за претворање на флуктуациите на фреквенцијата во флуктуации на интензитетот. Дискриминаторот може да биде неурамнотежен интерферометар или референтна празнина со висока прецизност. Овој метод на мерење има и ограничена резолуција.

3. Еднофреквентните ласери вообичаено користат метод на само-хетеродин, кој го снима ударот помеѓу излезот на ласерот и неговата сопствена фреквенција по поместување и одложување.

4. За ширини на линии од неколку стотици херци, традиционалните техники на само-хетеродин се непрактични бидејќи бараат голема должина на доцнење. За продолжување на оваа должина може да се користи јамка со циклични влакна и вграден засилувач на влакна.

5. Многу висока резолуција може да се постигне со снимање на отчукувања на два независни ласери, каде што бучавата на референтниот ласер е многу помал од оној на тест ласерот или нивните спецификации за изведба се слични. Може да се користи фазно заклучена јамка или пресметка на моменталната разлика на фреквенцијата врз основа на математички записи. Овој метод е многу едноставен и стабилен, но бара друг ласер (кои работи во близина на фреквенцијата на тест ласерот). Ако измерената ширина на линијата бара широк спектрален опсег, чешел со фреквенција е многу лесен.

Мерењата на оптичката фреквенција често бараат одредена референца за фреквенција (или време) во одреден момент. За ласери со тесна ширина, потребен е само еден референтен зрак за да се обезбеди доволно точна референца. Техниките за само-хетеродин добиваат референца на фреквенција со примена на доволно долго временско доцнење на самото поставување на тестот, идеално избегнувајќи временска кохерентност помеѓу почетниот зрак и неговиот одложен зрак. Затоа, обично се користат долги оптички влакна. Меѓутоа, поради стабилните флуктуации и акустичните ефекти, долгите влакна внесуваат дополнителен фазен шум.

Кога е присутен шум на фреквенција 1/f, само ширината на линијата не може целосно да ја опише фазната грешка. Подобар пристап е да се измери Фуриеровиот спектар на фазните или моменталните флуктуации на фреквенцијата и потоа да се карактеризира со користење на спектралната густина на моќноста; може да се референцираат индикатори за изведба на бучава. 1/f шум (или спектарот на бучава на други нискофреквентни бучава) може да предизвика некои проблеми со мерењето.

III. Минимизирање на ширината на линијата на ласерот

Ширината на линијата на ласерот е директно поврзана со типот на ласерот. Може да се минимизира со оптимизирање на ласерскиот дизајн и потиснување на надворешните влијанија на бучавата. Првиот чекор е да се утврди дали квантниот шум или класичниот шум е доминантен, бидејќи тоа ќе влијае на последователните мерења.

Кога моќта на внатрешуплината е висока, загубата на резонантната празнина е мала, а времето за враќање во резонантната празнина е долго, квантниот шум (главно спонтан шум на емисија) на ласерот има мало влијание. Класичниот шум може да биде предизвикан од механички флуктуации, кои може да се ублажат со користење на компактен, краток ласерски резонатор. Сепак, флуктуациите на должината понекогаш можат да имаат посилен ефект кај уште пократки резонатори. Соодветниот механички дизајн може да го намали спојувањето помеѓу ласерскиот резонатор и надворешните зрачења, а исто така да ги минимизира ефектите на термичкиот нанос. Термички флуктуации постојат и во медиумот за засилување, предизвикани од флуктуации на моќноста на пумпата. За подобри перформанси на бучавата, потребни се други уреди за активна стабилизација, но првично се претпочитаат практични пасивни методи. Ширината на линијата на еднофреквентните ласери со цврста состојба и ласерите со влакна се во опсег од 1-2 Hz, понекогаш дури и под 1 kHz. Активните методи на стабилизација можат да постигнат ширина на линија под 1 kHz. Ширината на линијата на ласерските диоди е типично во опсегот на MHz, но може да се намали на kHz, на пример, кај ласерите со надворешни диодни празнини, особено оние со оптички повратни информации и референтни шуплини со висока прецизност.

IV. Проблеми кои произлегуваат од тесни широчини

Во некои случаи, не е потребна многу тесна ширина на зракот од изворот на ласерот:

1. Кога должината на кохерентноста е долга, ефектите на кохерентност (поради слабите паразитски рефлексии) може да ја нарушат формата на зракот. 1. Кај екраните за ласерска проекција, ефектите од дамки може да го попречат квалитетот на површината.

2. Кога светлината се шири во активни или пасивни оптички влакна, тесните ширини на линиите може да предизвикаат проблеми поради стимулираното расејување на Брилуин. Во такви случаи, неопходно е да се зголеми ширината на линијата, на пример, со брзо раздвојување на минливата фреквенција на ласерска диода или оптички модулатор користејќи тековна модулација. Линиската ширина исто така се користи за да се опише ширината на оптичките транзиции (на пр., ласерски транзиции или некои карактеристики на апсорпција). Во транзициите на стационарен поединечен атом или јон, ширината на линијата е поврзана со животниот век на горната енергетска состојба (поточно, животниот век помеѓу горната и долната енергетска состојба) и се нарекува природна ширина на линијата. Движењето (види Доплерово проширување) или интеракцијата на атомите или јоните може да ја прошири ширината на линијата, како што е проширувањето на притисокот во гасовите или интеракциите на фононот во цврстата средина. Ако различни атоми или јони се погодени поинаку, може да дојде до нерамномерно проширување.