سنقدم اليوم ليزرًا "أحادي اللون" فائق الدقة - ليزر ذو عرض خط طيفي ضيق للغاية. وقد ساهم ظهوره في سد الثغرات في العديد من مجالات تطبيق الليزر، وفي السنوات الأخيرة، تم استخدامه على نطاق واسع في الكشف عن موجات الجاذبية، وتقنية الليدار، والاستشعار الموزع، والاتصالات البصرية المتماسكة عالية السرعة، وغيرها من المجالات، وهي "مهمة" لا يمكن إنجازها بمجرد تحسين قدرة الليزر.
ما هو الليزر ذو عرض الخط الضيق؟
يشير مصطلح "عرض الخط" إلى عرض الخط الطيفي لليزر في مجال التردد، والذي يُقاس عادةً بنصف عرض الذروة الكامل للطيف (FWHM). يتأثر عرض الخط بشكل رئيسي بالإشعاع التلقائي للذرات أو الأيونات المثارة، والضوضاء الطورية، والاهتزاز الميكانيكي للرنان، واضطراب درجة الحرارة، وعوامل خارجية أخرى. كلما صغر عرض الخط، زادت نقاوة الطيف، أي تحسنت أحادية اللون لليزر. تتميز الليزرات ذات هذه الخصائص عادةً بانخفاض مستوى الضوضاء الطورية أو الترددية، وانخفاض مستوى الضوضاء النسبية للشدة. في الوقت نفسه، كلما صغر عرض الخط لليزر، زادت قوة التماسك المقابل، والذي يتجلى في طول تماسك كبير للغاية.
تحقيق وتطبيق ليزر ذي عرض خط ضيق
بسبب محدودية عرض خط الكسب المتأصل في المادة العاملة لليزر، يكاد يكون من المستحيل تحقيق خرج ليزر ذي عرض خط ضيق بالاعتماد على المذبذب التقليدي نفسه. ولتحقيق ذلك، عادةً ما يكون من الضروري استخدام مرشحات وشبكات حيود وغيرها من الأجهزة لتقييد أو انتقاء المعامل الطولي في طيف الكسب، وزيادة فرق الكسب الصافي بين الأنماط الطولية، بحيث يكون هناك عدد قليل من أنماط التذبذب الطولية، أو حتى نمط واحد فقط، في رنان الليزر. في هذه العملية، غالبًا ما يكون من الضروري التحكم في تأثير الضوضاء على خرج الليزر، وتقليل اتساع الخطوط الطيفية الناتج عن الاهتزازات وتغيرات درجة الحرارة في البيئة الخارجية. في الوقت نفسه، يمكن أيضًا دمج ذلك مع تحليل كثافة طيف الضوضاء الطورية أو الترددية لفهم مصدر الضوضاء وتحسين تصميم الليزر، وذلك لتحقيق خرج مستقر لليزر ذي عرض خط ضيق.
دعونا نلقي نظرة على كيفية تحقيق تشغيل عرض الخط الضيق لعدة فئات مختلفة من الليزر.
تتميز ليزرات أشباه الموصلات بمزايا الحجم الصغير والكفاءة العالية والعمر الطويل والفوائد الاقتصادية.
الرنان البصري فابري-بيرو (FP) المستخدم في التقليديليزرات أشباه الموصلاتيتذبذب بشكل عام في وضع متعدد الأطوال، وعرض خط الإخراج واسع نسبيًا، لذلك من الضروري زيادة التغذية الراجعة البصرية للحصول على إخراج بعرض خط ضيق.
يُعدّ كلٌّ من ليزر التغذية الراجعة الموزعة (DFB) وليزر انعكاس براغ الموزع (DBR) نوعين نموذجيين من ليزرات أشباه الموصلات ذات التغذية الراجعة البصرية الداخلية. وبفضل صغر تباعد المحزز وانتقائية الطول الموجي الجيدة، يُمكن بسهولة الحصول على خرج مستقر أحادي التردد ذي عرض خط ضيق. ويكمن الاختلاف الرئيسي بين البنيتين في موضع المحزز: ففي بنية DFB، يُوزّع عادةً التركيب الدوري لمحزز براغ في جميع أنحاء الرنان، بينما يتكوّن رنان DBR عادةً من تركيب محزز الانعكاس ومنطقة التضخيم المدمجة في السطح النهائي. إضافةً إلى ذلك، تستخدم ليزرات DFB محززات مدمجة ذات تباين منخفض في معامل الانكسار وانعكاسية منخفضة، بينما تستخدم ليزرات DBR محززات سطحية ذات تباين عالٍ في معامل الانكسار وانعكاسية عالية. تتمتع كلتا البنيتين بنطاق طيفي حر واسع، ويمكنهما إجراء ضبط الطول الموجي دون قفزة في النمط في نطاق بضعة نانومترات، حيث يتميز ليزر DBR بنطاق ضبط أوسع من ليزر DFB.ليزر DFBبالإضافة إلى ذلك، فإن تقنية التغذية الراجعة البصرية للتجويف الخارجي، والتي تستخدم عناصر بصرية خارجية لإعادة توجيه الضوء الخارج من شريحة ليزر أشباه الموصلات واختيار التردد، يمكنها أيضًا تحقيق تشغيل عرض الخط الضيق لليزر أشباه الموصلات.
(2) ليزرات الألياف
تتميز ليزرات الألياف بكفاءة تحويل عالية للضخ، وجودة شعاع ممتازة، وكفاءة اقتران عالية، مما يجعلها من أهم المواضيع البحثية في مجال الليزر. وفي عصر المعلومات، تتمتع ليزرات الألياف بتوافق جيد مع أنظمة اتصالات الألياف الضوئية المتوفرة حاليًا في السوق. وقد أصبح ليزر الألياف أحادي التردد، بفضل مزاياه من حيث عرض الخط الضيق، وانخفاض الضوضاء، والتماسك الجيد، أحد أهم اتجاهات تطويره.
يُعدّ تشغيل النمط الطولي الأحادي جوهر ليزر الألياف لتحقيق خرج ذي عرض خط ضيق، وعادةً ما يُصنّف ليزر الألياف أحادي التردد، وفقًا لبنية الرنان، إلى نوع DFB ونوع DBR ونوع حلقي. ويتشابه مبدأ عمل ليزر الألياف أحادي التردد من نوعي DFB وDBR مع مبدأ عمل ليزر أشباه الموصلات من نوعي DFB وDBR.
كما هو موضح في الشكل 1، يعتمد ليزر الألياف DFB على كتابة محزز براغ الموزع داخل الألياف. ولأن طول موجة التشغيل للمذبذب يتأثر بدورة الألياف، يمكن اختيار النمط الطولي من خلال التغذية الراجعة الموزعة للمحزز. يتكون رنان ليزر DBR عادةً من زوج من محززات براغ الليفية، ويتم اختيار النمط الطولي الأحادي بشكل أساسي باستخدام محززات براغ الليفية ذات النطاق الضيق والانعكاسية المنخفضة. مع ذلك، ونظرًا لطول الرنان، وبنيته المعقدة، وافتقاره لآلية فعالة للتمييز بين الترددات، فإن التجويف الحلقي الشكل عرضة لقفز النمط، ويصعب عليه العمل بثبات في نمط طولي ثابت لفترة طويلة.
الشكل 1، هيكلان خطيان نموذجيان بتردد واحدليزر الألياف
تاريخ النشر: 27 نوفمبر 2023