오늘은 극한의 좁은 선폭 레이저에 "단색" 레이저를 소개하겠습니다. 그것의 출현은 레이저의 많은 응용 분야의 공백을 메우고 최근 몇 년 동안 중력파 탐지, LiDAR, 분산 감지, 고속 응집성 광통신 및 기타 분야에서 널리 사용되었습니다. 레이저 출력을 개선해야만 완성됩니다.
좁은 선폭 레이저란 무엇입니까?
"선폭"이라는 용어는 주파수 영역에서 레이저의 스펙트럼 선폭을 의미하며 일반적으로 스펙트럼의 절반 피크 전체 폭(FWHM)으로 정량화됩니다. 선폭은 주로 여기된 원자 또는 이온의 자발적 방사, 위상 잡음, 공진기의 기계적 진동, 온도 지터 및 기타 외부 요인의 영향을 받습니다. 선폭의 값이 작을수록 스펙트럼의 순도가 높아지며, 즉 레이저의 단색성이 좋아집니다. 이러한 특성을 지닌 레이저는 일반적으로 위상 또는 주파수 노이즈가 매우 적고 상대 강도 노이즈도 거의 없습니다. 동시에, 레이저의 선형 폭 값이 작을수록 해당 일관성이 강해지며 이는 매우 긴 일관성 길이로 나타납니다.
좁은 선폭 레이저 구현 및 응용
레이저 작동 물질의 고유한 이득 선폭에 의해 제한되므로 기존 발진기 자체에 의존하여 좁은 선폭 레이저의 출력을 직접 구현하는 것은 거의 불가능합니다. 좁은 선폭 레이저의 작동을 실현하려면 일반적으로 필터, 격자 및 기타 장치를 사용하여 이득 스펙트럼의 세로 모듈러스를 제한하거나 선택하고 세로 모드 간의 순 이득 차이를 늘려야 합니다. 레이저 공진기의 종방향 모드 진동은 거의 없거나 단 하나뿐입니다. 이 과정에서 레이저 출력에 대한 노이즈의 영향을 제어하고 외부 환경의 진동 및 온도 변화로 인한 스펙트럼 선의 확장을 최소화해야 하는 경우가 많습니다. 동시에 위상 또는 주파수 잡음 스펙트럼 밀도 분석과 결합하여 잡음의 원인을 이해하고 레이저 설계를 최적화하여 좁은 선폭 레이저의 안정적인 출력을 달성할 수도 있습니다.
다양한 레이저 범주의 좁은 선폭 작동 실현을 살펴보겠습니다.
(1)반도체 레이저
반도체 레이저는 소형 크기, 고효율, 긴 수명, 경제적 이점 등의 장점을 갖고 있습니다.
전통적으로 사용되는 FP(Fabry-Perot) 광학 공진기반도체 레이저일반적으로 다종방향 모드에서 진동하며, 출력 선폭이 상대적으로 넓기 때문에 좁은 선폭의 출력을 얻기 위해서는 광 피드백을 증가시킬 필요가 있습니다.
분산 피드백(DFB)과 분산 브래그 반사(DBR)는 두 가지 일반적인 내부 광 피드백 반도체 레이저입니다. 작은 격자 피치와 우수한 파장 선택성으로 인해 안정적인 단일 주파수 좁은 선폭 출력을 쉽게 얻을 수 있습니다. 두 구조의 주요 차이점은 격자의 위치입니다. DFB 구조는 일반적으로 공진기 전체에 브래그 격자의 주기적인 구조를 분포하며, DBR의 공진기는 일반적으로 반사 격자 구조와 이득 영역이 통합된 구조로 구성됩니다. 끝 표면. 또한 DFB 레이저는 굴절률 대비가 낮고 반사율이 낮은 내장 격자를 사용합니다. DBR 레이저는 굴절률 대비와 반사율이 높은 표면 격자를 사용합니다. 두 구조 모두 큰 자유 스펙트럼 범위를 가지며 수 나노미터 범위에서 모드 점프 없이 파장 튜닝을 수행할 수 있습니다. 여기서 DBR 레이저는 레이저보다 더 넓은 튜닝 범위를 갖습니다.DFB 레이저. 또한, 외부 광학 소자를 이용해 반도체 레이저 칩의 출사광을 피드백하고 주파수를 선택하는 외부 공동 광 피드백 기술도 반도체 레이저의 좁은 선폭 동작을 구현할 수 있다.
(2) 파이버 레이저
파이버 레이저는 레이저 분야의 뜨거운 연구 주제인 높은 펌프 변환 효율, 우수한 빔 품질 및 높은 결합 효율을 가지고 있습니다. 정보화 시대의 맥락에서 파이버 레이저는 시장의 현재 광섬유 통신 시스템과 좋은 호환성을 가지고 있습니다. 좁은 선폭, 낮은 잡음, 우수한 일관성이라는 장점을 지닌 단일 주파수 광섬유 레이저는 개발의 중요한 방향 중 하나가 되었습니다.
단일 세로 모드 작동은 좁은 선폭 출력을 달성하는 광섬유 레이저의 핵심이며 일반적으로 단일 주파수 광섬유 레이저의 공진기 구조에 따라 DFB 유형, DBR 유형 및 링 유형으로 나눌 수 있습니다. 그중 DFB 및 DBR 단일 주파수 광섬유 레이저의 작동 원리는 DFB 및 DBR 반도체 레이저의 작동 원리와 유사합니다.
그림 1에서 볼 수 있듯이 DFB 광섬유 레이저는 분산 브래그 격자를 광섬유에 쓰는 것입니다. 발진기의 작동 파장은 섬유 주기의 영향을 받기 때문에 격자의 분산 피드백을 통해 세로 모드를 선택할 수 있습니다. DBR 레이저의 레이저 공진기는 일반적으로 한 쌍의 광섬유 브래그 격자로 구성되며 단일 세로 모드는 주로 협대역 및 낮은 반사율의 광섬유 브래그 격자로 선택됩니다. 그러나 긴 공진기, 복잡한 구조 및 효과적인 주파수 식별 메커니즘이 부족하기 때문에 링 모양의 캐비티는 모드 호핑이 발생하기 쉽고 장시간 일정한 세로 모드에서 안정적으로 작동하기가 어렵습니다.
그림 1, 단일 주파수의 두 가지 일반적인 선형 구조섬유 레이저
게시 시간: 2023년 11월 27일