لیزرهای با پهنای باند باریک
تعریف: لیزرهای تک فرکانس با طیف گسیل اپتیکی باریک
شکل ۱- نمونه ای از لیزرهای با پهنای باند باریک
برخی از کاربردهای لیزر به لیزرهایی با یک پهنای باند[۱] اپتیکی بسیار کوچک و بعبارتی به یک طیف اپتیکی[۲] باریک نیاز دارند. معمولاً اصطلاح لیزرهای با پهنای طیفی باریک در مورد لیزرهای تک فرکانس[۳] که عموماً با یک تک مد تشدیدگر[۴] نوسان می کنند و نویز فاز[۵] کم در نتیجه خلوص طیفی بالا دارند، اطلاق می شود. علاوه بر خصوصیات بالا معمولاً چنین لیزرهایی نویز شدتی[۶] کمی هم دارند.
انواع لیزرهای با پهنای طیفی باریک
مهم ترین انواع لیزرهای با پهنای طیفی باریک عبارتند از:
- در بین لیزرهای نیمه هادی، لیزرهای رایجی مانند لیزر دیودهای بازخورد توزیع شده[۷] و لیزرهای بازتاب براگ توزیع شده[۸]، در محدوده طول موج ۱٫۵ یا ۱٫۰ میکرومتر عمل می کنند. ویژگی های عملکردی عمومی آن ها شامل توان خروجی چند میلی وات (یا احتمالاً کمی بالاتر از ۱۰۰ میلی وات) و پهنای باند چند مگا هرتز است.
- ایجاد پهنای باند بسیار کوچک تر از پهنای باند لیزرهای نیمه هادی نیز امکان پذیر است. به عنوان مثال با گسترش تشدیدگر فیبر تک مد[۹]، که حاوی توری براگ فیبری[۱۰] با پهنای طیفی باریک و یا با انواع دیگر لیزرهای دیودی با کاواک خارجی[۱۱] می توان این امکان را ایجاد کرد. به این ترتیب می توان به پهنای باند فوق باریک چند کیلوهرتز یا حتی زیر ۱ کیلوهرتز دست یافت.
- لیزرهای فیبری کوچک به شکل لیزرهای بازخورد توزیع شده (با تشدیدگری که اساساً توسط یک فیبر ویژه با توری براگ ساخته شده است) می توانند ده ها میلی وات توان خروجی با یک پهنای باند در حدود چند کیلوهرتز تولید کنند.
- قدرت خروجی بالاتر با لیزرهای بازتابنده براگ توزیع شده (لیزرهای فیبری DBR) یا لیزرهای حلقه فیبری[۱۲] یک طرفه و همچنین با استفاده از تقویت کننده فیبر قابل تولید است.
- لیزرهای حجیم حالت جامد پمپ شده با دیود[۱۳]، به عنوان مثال در قالب نوسانگرهای حلقه ای غیرمسطح[۱۴]، نیز می تواند پهنای باند چند کیلوهرتزی همراه با توان خروجی زیادی از مرتبه W1 داشته باشد. اگرچه طول موج ۱۰۶۴ نانومتر، یک طول موج عمومی قابل تولید است، اما سایر طول موج ها در حدود ۱٫۳ یا ۱٫۵ میکرومتر نیز امکان پذیر است.
مؤلفه های ضروری پهنای باند باریک لیزر
برای دستیابی به پهنای باند گسیلی باریک از یک لیزر، باید چندین مسئله در مورد طراحی لیزر رعایت شود:
اول، باید به تک فرکانس دست یافت. ساده ترین روش استفاده از یک ناحیه فعال[۱۵] با بهره پهنای باند کوچک و یک تشدیدگر لیزری با طول کوتاه که منجر به طیف وسیعی از طیف های آزاد می شود، است. هدف باید دستیابی به یک فرکانس پایدار طولانی مدت و بدون مد پرش[۱۶] باشد.
دوم، تأثیرات نویز خارجی باید به حداقل برسد. این مورد، نیاز به ست آپ تشدیدگر پایدار (ترجیحاً یکپارچه)، احتمالاً با محافظت ویژه در برابر لرزش های مکانیکی دارد. لیزر پمپ الکتریکی باید با ولتاژی با نویز کم یا منبع جریان کار کند و یک لیزر پمپ اپتیکی باید یک منبع پمپ با نویز با شدت کم باشد. علاوه بر این، باید از هرگونه بازخورد اپتیکی، مثلاً با استفاده از یک عایق فارادی، جلوگیری شود. در حالت ایده آل، مثلاً در گسیل خود به خودی در محیط فعال، تأثیرات نویز خارجی کمتر از نویز داخلی می شود. این امر اغلب در فرکانس های با نویز بالا به راحتی پیش می آید، اما در فرکانس های با نویز کم که برای پهنای باند خیلی مهم است، اتفاق نمی افتد.
سوم، طراحی لیزر باید بهینه شود تا نویز لیزر و به ویژه نویز فاز به حداقل برسد. در این راستا توان اپتیکی زیاد درون کاواکی همراه با تشدیدگر بلند می تواند مفید باشد، اگرچه دستیابی تک فرکانس پایدار با وجود یک تشدیدکننده بلند دشوارتر است.
البته، طراحی بهینه نیازمند این است که اهمیت منابع مختلف نویز نسبت به هم شناخته شود، زیرا مقادیر مختلف اندازه گیری به میزان این بستگی دارد که کدام منبع نویز غالب است. برای مثال، مقادیری که پهنای باند را طبق معادله شالو-تونز به حداقل می رساند، به خاطر غلبه نویز مکانیکی، الزاماً پهنای باند حقیقی را به حداقل نمی رساند.
خصوصیات و مشخصات نویز
خصوصیات و مشخصات نویز لیزرهای با پهنای باند باریک جزء مباحث مهم است. روش های مختلف اندازه گیری در مقالات مربوط به پهنای باند مورد بحث قرار گرفته است، به ویژه این اندازه گیری ها برای مقادیر چند کیلوهرتز یا کمتر پهنای باند، بسیار مورد نیاز هستند. علاوه بر این، مقدار پهنای باند به تنهایی نمی تواند توصیف کاملی از خصوصیات نویز ارائه کند. ترجیح بر این است که به جز اطلاعات مربوط به نویز شدت نسبی، یک طیف نویز فاز کامل در دسترس باشد. حداقل، مقدار پهنای باند باید به همراه زمان اندازه گیری و احتمالاً با برخی از اطلاعات مربوط به جابجایی فرکانس برای بازه های زمانی طولانی تر، مشخص شود.
البته کاربردهای مختلف الزامات متفاوتی دارند و در هر حالت خاص باید به طور کامل و با جزئیات بررسی شود که چه نویز خاصی را باید استفاده کرد.
کاربردهای لیزرهای با پهنای باند باریک
- یکی از کاربردهای مهم، محدوده حسگرها مثل سنسورهای فیبر نوری برای کرنش و یا دما، انواع مختلف تداخل سنجی، تشخیص گاز ردیابی با لیدار جذب دیفرانسیل[۱۷] یا اندازه گیری سرعت باد با لیدار داپلر است. برای برخی از سنسورهای فیبر نوری فقط پهنای باند چند کیلوهرتز مورد نیاز است، در حالی که ۱۰۰ کیلوهرتز برای اندازه گیری های لیدار کافی است.
- اندازه گیری فرکانس اپتیکی نیاز به منابعی با پهنای باند بسیار باریک دارد، که اغلب با تکنیک های پایدارسازی به دست می آیند.
- هولوگرافی برای تولید نور با همدوسی بالا به موج پیوسته یا لیزرهای تک فرکانسی نیاز دارد.
-
به طور معمول اصطلاح پهنای باند در ارتباطات فیبر نوری مثلاً در فرستنده ها یا اهداف آزمایشی و اندازه گیری کمتر کاربرد دارد.