Laser a larghezza di linea stretta

Alcune applicazioni laser richiedono che il laser abbia una larghezza di linea molto stretta, ovvero uno spettro ristretto. I laser a larghezza di linea stretta si riferiscono ai laser a frequenza singola, ovvero esiste una modalità di cavità risonante nel valore laser e il rumore di fase è molto basso, quindi la purezza spettrale è molto elevata. Tipicamente tali laser hanno un rumore di intensità molto bassa.

I tipi più importanti di laser a larghezza di linea stretta sono i seguenti:

1. I laser a semiconduttore, i diodi laser a feedback distribuito (laser DFB) e i laser a riflessione di Bragg distribuiti (laser DBR), sono più comunemente utilizzati nella regione di 1500 o 1000 nm. I parametri operativi tipici sono una potenza di uscita di decine di milliwatt (a volte superiore a 100 milliwatt) e una larghezza di linea di diversi MHz.

2. È possibile ottenere larghezze di linea più strette con laser a semiconduttore, ad esempio estendendo il risonatore con una fibra monomodale contenente un reticolo di Bragg in fibra a banda stretta, o utilizzando un laser a diodi a cavità esterna. Utilizzando questo metodo è possibile ottenere una larghezza di linea ultrastretta di diversi kHz o anche inferiore a 1kHz.

3. Piccoli laser a fibra con feedback distribuito (risonatori costituiti da speciali reticoli di Bragg in fibra) possono generare potenze di uscita di decine di milliwatt con larghezze di linea nell'intervallo dei kHz.

4. I laser a corpo solido pompati a diodi con risonatori ad anello non planari possono anche ottenere una larghezza di linea di diversi kHz, mentre la potenza di uscita è relativamente elevata, dell'ordine di 1 W. Sebbene una lunghezza d'onda tipica sia 1064 nm, sono possibili anche altre regioni di lunghezza d'onda come 1300 o 1500 nm.

I principali fattori che influenzano la ridotta larghezza di linea dei laser

Per ottenere un laser con una larghezza di banda della radiazione molto stretta (larghezza della linea), nella progettazione del laser è necessario considerare i seguenti fattori:

Innanzitutto è necessario ottenere il funzionamento a frequenza singola. Ciò si ottiene facilmente utilizzando un mezzo di guadagno con una larghezza di banda di guadagno ridotta e una cavità laser corta (con conseguente ampio intervallo spettrale libero). L'obiettivo dovrebbe essere un funzionamento a frequenza singola stabile a lungo termine senza salto di modalità.

In secondo luogo, è necessario ridurre al minimo l’influenza del rumore esterno. Ciò richiede una configurazione stabile del risonatore (monocromatico) o una protezione speciale contro le vibrazioni meccaniche. I laser pompati elettricamente devono utilizzare sorgenti di corrente o tensione a basso rumore, mentre i laser pompati otticamente devono avere un rumore a bassa intensità come sorgente luminosa della pompa. Inoltre, è necessario evitare tutte le onde luminose di feedback, ad esempio utilizzando gli isolatori di Faraday. In teoria, il rumore esterno ha un'influenza minore rispetto al rumore interno, come l'emissione spontanea nel mezzo di guadagno. Ciò è facile da ottenere quando la frequenza del rumore è elevata, ma quando la frequenza del rumore è bassa l'effetto sulla larghezza di linea è molto importante.

In terzo luogo, la progettazione del laser deve essere ottimizzata per ridurre al minimo il rumore laser, in particolare il rumore di fase. Sono preferiti un'elevata potenza intracavità e risonatori lunghi, sebbene in questo caso sia più difficile ottenere un funzionamento stabile a frequenza singola.

L'ottimizzazione del sistema richiede la comprensione dell'importanza delle diverse fonti di rumore, poiché sono necessarie misurazioni diverse a seconda della fonte di rumore dominante. Ad esempio, la larghezza di linea minimizzata secondo l'equazione di Schawlow-Townes non minimizza necessariamente la larghezza di linea effettiva se la larghezza di linea effettiva è determinata dal rumore meccanico.

Caratteristiche del rumore e specifiche prestazionali.

Sia le caratteristiche del rumore che i parametri prestazionali dei laser a larghezza di linea ridotta sono problemi banali. Alla voce Larghezza di linea vengono discusse diverse tecniche di misurazione, in particolare sono impegnative larghezze di linea di pochi kHz o meno. Inoltre, considerando solo il valore della larghezza di linea non è possibile fornire tutte le caratteristiche del rumore; è necessario fornire uno spettro completo del rumore di fase, nonché informazioni sull'intensità relativa del rumore. Il valore della larghezza di linea deve essere combinato almeno con il tempo di misurazione o con altre informazioni che tengano conto della deriva di frequenza a lungo termine.

Naturalmente, applicazioni diverse hanno requisiti diversi e quale livello di indice di prestazione acustica deve essere considerato nelle diverse situazioni reali.

Applicazioni dei laser a larghezza di linea stretta

1. Un'applicazione molto importante è nel campo del rilevamento, come sensori a fibra ottica di pressione o temperatura, vari sensori di interferometro, utilizzo di diversi LIDAR di assorbimento per rilevare e tracciare il gas e utilizzo di LIDAR Doppler per misurare la velocità del vento. Alcuni sensori in fibra ottica richiedono una larghezza di linea laser di diversi kHz, mentre nelle misurazioni LIDAT è sufficiente una larghezza di linea di 100 kHz.

2. Le misurazioni della frequenza ottica richiedono larghezze di linea della sorgente molto strette, che richiedono tecniche di stabilizzazione per essere ottenute.

3. I sistemi di comunicazione in fibra ottica hanno requisiti relativamente flessibili in termini di larghezza della linea e vengono utilizzati principalmente per trasmettitori o per il rilevamento o la misurazione.