무엇이좁은 선폭 레이저?
좁은 선폭 레이저. "선폭"이라는 용어는 스펙트럼 선폭을 의미합니다.원자 램프주파수 영역에서의 스펙트럼 선폭은 일반적으로 반치폭(FWHM)으로 정량화됩니다. 선폭은 주로 여기된 원자 또는 이온의 자발 복사, 위상 잡음, 공진기의 기계적 진동, 온도 변화 및 기타 외부 요인의 영향을 받습니다. 선폭 값이 작을수록 스펙트럼의 순도가 높아지며, 이는 레이저의 단색성이 우수함을 의미합니다. 이러한 특성을 가진 레이저는 일반적으로 위상 잡음이나 주파수 잡음, 그리고 상대 강도 잡음이 매우 작습니다. 동시에 레이저의 선폭 값이 작을수록 해당 결맞음이 강해지며, 이는 매우 긴 결맞음 길이로 나타납니다.
좁은 선폭 레이저의 구현 및 응용
레이저 작동 물질의 고유한 이득 선폭에 의해 제한되기 때문에, 기존의 발진기 자체만으로는 좁은 선폭의 레이저 출력을 직접 구현하는 것은 거의 불가능합니다. 좁은 선폭의 레이저를 구현하기 위해서는 일반적으로 필터, 회절 격자 등의 장치를 사용하여 이득 스펙트럼에서 종방향 모드를 제한하거나 선택하고, 종방향 모드 간의 순 이득 차이를 증가시켜 레이저 공진기 내에 소수의 종방향 모드 또는 단 하나의 종방향 모드만 발진하도록 해야 합니다. 이 과정에서 레이저 출력에 미치는 잡음의 영향을 제어하고 외부 환경의 진동 및 온도 변화로 인한 스펙트럼 선폭 확장을 최소화해야 합니다. 동시에 위상 또는 주파수 잡음 스펙트럼 밀도 분석을 통해 잡음의 원인을 파악하고 레이저 설계를 최적화하여 안정적인 좁은 선폭 레이저 출력을 얻을 수 있습니다.
이제 서로 다른 여러 종류의 레이저를 사용하여 좁은 선폭 동작을 구현하는 방법을 살펴보겠습니다.
(1)반도체 레이저
반도체 레이저는 소형화, 고효율, 긴 수명 및 경제적 이점 등의 장점을 가지고 있습니다.
전통적인 패브리-페로(FP) 광학 공진기는 다음과 같은 용도로 사용됩니다.반도체 레이저일반적으로 다중 종방향 모드로 진동하며 출력 선폭이 비교적 넓기 때문에 좁은 선폭의 출력을 얻으려면 광 피드백을 증가시켜야 합니다.
분산 피드백 레이저(DFB 레이저)와 분산 브래그 반사 레이저(DBR)는 대표적인 내부 광학 피드백 반도체 레이저입니다. 작은 격자 피치와 우수한 파장 선택성 덕분에 안정적인 단일 주파수의 좁은 선폭 출력을 쉽게 얻을 수 있습니다. 두 구조의 주요 차이점은 격자의 위치입니다. DFB 레이저는 일반적으로 브래그 격자의 주기적인 구조를 공진기 전체에 분산시키는 반면, DBR 레이저는 반사 격자 구조와 이득 영역이 끝면에 통합된 구조로 구성됩니다. 또한, DFB 레이저는 굴절률 대비가 낮고 반사율이 낮은 내장형 격자를 사용하는 반면, DBR 레이저는 굴절률 대비가 높고 반사율이 높은 표면형 격자를 사용합니다. 두 구조 모두 넓은 자유 스펙트럼 범위를 가지며 수 나노미터 범위에서 모드 점프 없이 파장 튜닝이 가능하지만, DBR 레이저는 DFB 레이저보다 더 넓은 튜닝 범위를 제공합니다.DFB 레이저또한, 외부 광학 소자를 사용하여 반도체 레이저 칩의 출력광을 되돌려 보내고 주파수를 선택하는 외부 공진기 광학 피드백 기술은 반도체 레이저의 좁은 선폭 동작을 구현할 수 있습니다.
(2) 파이버 레이저
광섬유 레이저는 높은 펌프 변환 효율, 우수한 빔 품질 및 높은 결합 효율을 가지고 있어 레이저 분야에서 활발히 연구되고 있는 분야입니다. 정보화 시대에 광섬유 레이저는 현재 시판 중인 광섬유 통신 시스템과의 호환성이 뛰어납니다. 특히 좁은 선폭, 낮은 잡음 및 우수한 결맞음성을 특징으로 하는 단일 주파수 광섬유 레이저는 중요한 연구 방향 중 하나로 주목받고 있습니다.
단일 종모드 동작은 좁은 선폭 출력을 구현하는 광섬유 레이저의 핵심이며, 일반적으로 단일 주파수 광섬유 레이저의 공진기 구조에 따라 DFB형, DBR형 및 링형으로 나눌 수 있습니다. 이 중 DFB 레이저와 DBR 단일 주파수 광섬유 레이저의 작동 원리는 DFB 및 DBR 반도체 레이저와 유사합니다.
(3)고체 레이저
1960년에 개발된 세계 최초의 루비 레이저는 고출력 에너지와 넓은 파장 범위를 특징으로 하는 고체 레이저였습니다. 고체 레이저의 독특한 공간 구조는 좁은 선폭 출력을 설계하는 데 있어 유연성을 제공합니다. 현재 구현되고 있는 주요 방법으로는 단방향 링 공진기법, 공진기 내 표준 공진기법, 비틀림 진자 모드 공진기법, 체적 브래그 격자법, 시드 주입법 등이 있습니다.
게시 시간: 2025년 6월 3일