اليوم، سوف نقدم ليزر "أحادي اللون" إلى الليزر ذو الخط الضيق للغاية. وظهوره يملأ الفجوات في العديد من مجالات تطبيق الليزر، وفي السنوات الأخيرة تم استخدامه على نطاق واسع في الكشف عن موجات الجاذبية، وliDAR، والاستشعار الموزع، والاتصالات البصرية المتماسكة عالية السرعة وغيرها من المجالات، وهي "مهمة" لا يمكن تحقيقها. تم الانتهاء منه فقط من خلال تحسين قوة الليزر.
ما هو الليزر ذو الخط الضيق؟
يشير مصطلح "عرض الخط" إلى عرض الخط الطيفي لليزر في مجال التردد، والذي يتم قياسه عادةً من حيث عرض نصف الذروة الكامل للطيف (FWHM). يتأثر عرض الخط بشكل أساسي بالإشعاع التلقائي للذرات أو الأيونات المثارة، وضوضاء الطور، والاهتزاز الميكانيكي للرنان، وارتعاش درجة الحرارة وعوامل خارجية أخرى. كلما كانت قيمة عرض الخط أصغر، زادت نقاء الطيف، أي كلما كانت أحادية اللون لليزر أفضل. عادةً ما يكون لليزر الذي يتمتع بمثل هذه الخصائص ضوضاء طور أو تردد قليلة جدًا وضوضاء قليلة جدًا ذات كثافة نسبية. وفي الوقت نفسه، كلما كانت قيمة العرض الخطي لليزر أصغر، كان التماسك المقابل أقوى، والذي يتجلى في طول تماسك طويل للغاية.
تحقيق وتطبيق الليزر ذو الخط الضيق
مقيدًا بعرض خط الكسب المتأصل للمادة العاملة لليزر، يكاد يكون من المستحيل تحقيق إخراج الليزر ذو عرض الخط الضيق بشكل مباشر من خلال الاعتماد على المذبذب التقليدي نفسه. من أجل تحقيق تشغيل الليزر ذو الخط الضيق، عادة ما يكون من الضروري استخدام المرشحات والشبكات والأجهزة الأخرى لتحديد أو تحديد المعامل الطولي في طيف الكسب، وزيادة صافي فرق الكسب بين الأوضاع الطولية، بحيث يكون هناك عدد قليل أو حتى واحد فقط من التذبذبات الطولية في مرنان الليزر. في هذه العملية، غالبًا ما يكون من الضروري التحكم في تأثير الضوضاء على مخرجات الليزر، وتقليل توسيع الخطوط الطيفية الناتجة عن الاهتزازات وتغيرات درجة الحرارة في البيئة الخارجية؛ وفي الوقت نفسه، يمكن أيضًا دمجها مع تحليل الكثافة الطيفية لضوضاء الطور أو التردد لفهم مصدر الضوضاء وتحسين تصميم الليزر، وذلك لتحقيق إخراج ثابت لليزر ذو عرض الخط الضيق.
دعونا نلقي نظرة على تحقيق عملية عرض الخط الضيق لعدة فئات مختلفة من الليزر.
تتميز أجهزة ليزر أشباه الموصلات بمزايا الحجم الصغير والكفاءة العالية والعمر الطويل والفوائد الاقتصادية.
الرنان البصري Fabry-Perot (FP) المستخدم في الأجهزة التقليديةليزر أشباه الموصلاتيتأرجح بشكل عام في الوضع الطولي المتعدد، ويكون عرض خط الإخراج واسعًا نسبيًا، لذلك من الضروري زيادة التغذية المرتدة البصرية للحصول على إخراج بعرض خط ضيق.
التغذية المرتدة الموزعة (DFB) وانعكاس براغ الموزع (DBR) هما نوعان نموذجيان من ليزر أشباه الموصلات ذات ردود الفعل البصرية الداخلية. نظرًا لمسافة الشبكية الصغيرة والانتقائية الجيدة لطول الموجة، فمن السهل تحقيق خرج عرض خط ضيق ثابت بتردد واحد. يتمثل الاختلاف الرئيسي بين الهيكلين في موضع الشبكة: عادةً ما يوزع هيكل DFB البنية الدورية لشبكة Bragg في جميع أنحاء الرنان، ويتكون مرنان DBR عادةً من بنية شبكة الانعكاس ومنطقة الكسب المدمجة في سطح النهاية. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم ليزر DFB شبكات مدمجة ذات تباين معامل انكسار منخفض وانعكاسية منخفضة. يستخدم ليزر DBR شبكات سطحية ذات تباين عالٍ في معامل الانكسار وانعكاسية عالية. يتمتع كلا الهيكلين بنطاق طيفي حر كبير ويمكنهما إجراء ضبط الطول الموجي دون وضع القفز في نطاق بضعة نانومترات، حيث يتمتع ليزر DBR بنطاق ضبط أوسع من الليزرليزر دي اف بي. بالإضافة إلى ذلك، فإن تقنية التغذية المرتدة البصرية للتجويف الخارجي، والتي تستخدم عناصر بصرية خارجية لتغذية الضوء الصادر لشريحة ليزر أشباه الموصلات واختيار التردد، يمكنها أيضًا تحقيق تشغيل عرض الخط الضيق لليزر أشباه الموصلات.
(2) ليزر الألياف
تتميز ليزرات الألياف بكفاءة عالية في تحويل المضخة، وجودة شعاع جيدة، وكفاءة اقتران عالية، وهي موضوعات بحثية ساخنة في مجال الليزر. في سياق عصر المعلومات، تتمتع ليزرات الألياف بتوافق جيد مع أنظمة اتصالات الألياف الضوئية الحالية في السوق. أصبح ليزر الألياف أحادي التردد الذي يتميز بمزايا عرض الخط الضيق والضوضاء المنخفضة والتماسك الجيد أحد الاتجاهات المهمة لتطوره.
تشغيل الوضع الطولي الفردي هو جوهر ليزر الألياف لتحقيق إخراج عرض الخط الضيق، وعادةً وفقًا لهيكل مرنان ليزر الألياف أحادي التردد يمكن تقسيمه إلى نوع DFB ونوع DBR ونوع الحلقة. من بينها، مبدأ عمل ليزر الألياف أحادي التردد DFB وDBR يشبه مبدأ عمل ليزر أشباه الموصلات DFB وDBR.
كما هو مبين في الشكل 1، فإن ليزر الألياف DFB هو كتابة شبكة Bragg الموزعة في الألياف. نظرًا لأن الطول الموجي العامل للمذبذب يتأثر بفترة الألياف، يمكن اختيار الوضع الطولي من خلال التغذية المرتدة الموزعة للشبكة. عادةً ما يتم تشكيل مرنان الليزر الخاص بليزر DBR بواسطة زوج من شبكات الألياف Bragg، ويتم تحديد الوضع الطولي الفردي بشكل أساسي بواسطة شبكات Bragg ذات النطاق الضيق والألياف منخفضة الانعكاس. ومع ذلك، بسبب مرنانها الطويل، وبنيتها المعقدة وعدم وجود آلية فعالة لتمييز التردد، فإن التجويف على شكل حلقة عرضة للتنقل بين الأوضاع، ومن الصعب العمل بثبات في الوضع الطولي الثابت لفترة طويلة.
الشكل 1، بنيتان خطيتان نموذجيتان بتردد واحدليزر الألياف
وقت النشر: 27 نوفمبر 2023