Definizione di larghezza di linea nei laser

La larghezza di linea di un laser, in particolare un laser a frequenza singola, si riferisce alla larghezza del suo spettro (tipicamente larghezza intera a metà massimo, FWHM). Più precisamente, è l'ampiezza della densità spettrale della potenza del campo elettrico irradiato, espressa in termini di frequenza, numero d'onda o lunghezza d'onda. La larghezza di linea di un laser è strettamente correlata alla coerenza temporale ed è caratterizzata dal tempo di coerenza e dalla lunghezza di coerenza. Se la fase subisce uno spostamento illimitato, il rumore di fase contribuisce alla larghezza della riga; questo è il caso degli oscillatori liberi. (Le fluttuazioni di fase confinate in un intervallo di fase molto piccolo producono una larghezza di linea pari a zero e alcune bande laterali di rumore.) Anche gli spostamenti nella lunghezza della cavità risonante contribuiscono alla larghezza di linea e la rendono dipendente dal tempo di misurazione. Ciò indica che la sola larghezza di linea, o anche una forma spettrale desiderabile (forma di linea), non possono fornire informazioni complete sullo spettro laser.

II. Misurazione della larghezza di linea laser

Molte tecniche possono essere utilizzate per misurare la larghezza di linea del laser:

1. Quando la larghezza di linea è relativamente grande (>10 GHz, quando più modalità oscillano in più cavità risonanti del laser), può essere misurata utilizzando uno spettrometro tradizionale che impiega un reticolo di diffrazione. Tuttavia, è difficile ottenere una risoluzione ad alta frequenza utilizzando questo metodo.

2. Un altro metodo consiste nell'utilizzare un discriminatore di frequenza per convertire le fluttuazioni di frequenza in fluttuazioni di intensità. Il discriminatore può essere un interferometro sbilanciato oppure una cavità di riferimento ad alta precisione. Anche questo metodo di misurazione ha una risoluzione limitata.

3. I laser a frequenza singola utilizzano in genere un metodo autoeterodina, che registra il battimento tra l'uscita del laser e la propria frequenza dopo l'offset e il ritardo.

4. Per larghezze di linea di diverse centinaia di hertz, le tradizionali tecniche autoeterodina sono poco pratiche perché richiedono una lunga durata di ritardo. Per estendere questa lunghezza è possibile utilizzare un loop in fibra ciclico e un amplificatore in fibra integrato.

5. È possibile ottenere una risoluzione molto elevata registrando i battiti di due laser indipendenti, dove il rumore del laser di riferimento è molto inferiore a quello del laser di prova o le loro specifiche prestazionali sono simili. È possibile utilizzare un anello ad aggancio di fase o il calcolo della differenza di frequenza istantanea basato su registrazioni matematiche. Questo metodo è molto semplice e stabile, ma richiede un altro laser (operante vicino alla frequenza del laser di prova). Se la larghezza di riga misurata richiede un ampio intervallo spettrale, un pettine di frequenza è molto conveniente.

Le misurazioni della frequenza ottica spesso richiedono un riferimento di frequenza (o tempo) specifico ad un certo punto. Per i laser a larghezza di linea stretta, è necessario un solo raggio di riferimento per fornire un riferimento sufficientemente accurato. Le tecniche autoeterodina ottengono un riferimento di frequenza applicando un ritardo temporale sufficientemente lungo all'impostazione del test stesso, evitando idealmente la coerenza temporale tra il raggio iniziale e il proprio raggio ritardato. Pertanto, vengono tipicamente utilizzate fibre ottiche lunghe. Tuttavia, a causa delle fluttuazioni stabili e degli effetti acustici, le fibre lunghe introducono ulteriore rumore di fase.

Quando è presente rumore di frequenza 1/f, la sola larghezza di linea non può descrivere completamente l'errore di fase. Un approccio migliore consiste nel misurare lo spettro di Fourier delle fluttuazioni di fase o di frequenza istantanea e quindi caratterizzarlo utilizzando la densità spettrale di potenza; si possono fare riferimento agli indicatori di prestazione acustica. Il rumore 1/f (o lo spettro di rumore di altri rumori a bassa frequenza) può causare alcuni problemi di misurazione.

III. Ridurre al minimo la larghezza della linea laser

La larghezza della linea laser è direttamente correlata al tipo di laser. Può essere ridotto al minimo ottimizzando la progettazione del laser e sopprimendo le influenze del rumore esterno. Il primo passo è determinare se il rumore quantistico o il rumore classico sono dominanti, poiché ciò influenzerà le misurazioni successive.

Quando la potenza all'interno della cavità è elevata, la perdita della cavità risonante è bassa e il tempo di andata e ritorno della cavità risonante è lungo, il rumore quantistico (principalmente rumore di emissione spontanea) del laser ha un impatto ridotto. Il rumore classico può essere causato da fluttuazioni meccaniche, che possono essere mitigate utilizzando un risonatore laser compatto e corto. Tuttavia, le fluttuazioni di lunghezza a volte possono avere un effetto più forte anche nei risonatori più brevi. Una corretta progettazione meccanica può ridurre l'accoppiamento tra il risonatore laser e le radiazioni esterne e anche minimizzare gli effetti di deriva termica. Esistono anche fluttuazioni termiche nel mezzo di guadagno, causate dalle fluttuazioni di potenza della pompa. Per ottenere migliori prestazioni in termini di rumore sono necessari altri dispositivi di stabilizzazione attivi, ma inizialmente sono preferibili metodi passivi pratici. Le larghezze di linea dei laser a stato solido a frequenza singola e dei laser a fibra sono nell'intervallo 1-2 Hz, a volte anche inferiori a 1 kHz. I metodi di stabilizzazione attiva possono raggiungere larghezze di linea inferiori a 1 kHz. Le larghezze di linea dei diodi laser sono tipicamente nell'intervallo MHz, ma possono essere ridotte a kHz, ad esempio, nei laser a diodi a cavità esterna, specialmente quelli con feedback ottico e cavità di riferimento ad alta precisione.

IV. Problemi derivanti da larghezze di linea strette

In alcuni casi non è necessaria un'ampiezza del fascio molto stretta dalla sorgente laser:

1. Quando la lunghezza di coerenza è lunga, gli effetti di coerenza (dovuti a deboli riflessioni parassite) possono distorcere la forma del raggio. 1. Negli schermi con proiezione laser, gli effetti maculati possono interferire con la qualità della superficie.

2. Quando la luce si propaga nelle fibre ottiche attive o passive, le larghezze di linea ridotte possono causare problemi a causa dello scattering Brillouin stimolato. In tali casi, è necessario aumentare la larghezza di linea, ad esempio, dithering rapidamente la frequenza transitoria di un diodo laser o di un modulatore ottico utilizzando la modulazione di corrente. La larghezza della linea viene utilizzata anche per descrivere la larghezza delle transizioni ottiche (ad esempio, transizioni laser o alcune caratteristiche di assorbimento). Nelle transizioni di un singolo atomo o ione stazionario, la larghezza di linea è correlata alla durata dello stato energetico superiore (più precisamente, la durata tra gli stati energetici superiore e inferiore) ed è chiamata larghezza di linea naturale. Il movimento (vedi allargamento Doppler) o l'interazione di atomi o ioni possono ampliare la larghezza della linea, come l'ampliamento della pressione nei gas o le interazioni fononiche nei mezzi solidi. Se atomi o ioni diversi vengono influenzati in modo diverso, può verificarsi un allargamento non uniforme.