היום, נציג לייזר "מונוכרומטי" בצורה קיצונית - לייזר ברוחב קו צר. הופעתו ממלאת את הפערים בתחומי יישומים רבים של לייזר, ובשנים האחרונות נעשה בו שימוש נרחב בגילוי גלי כבידה, lidar, חישה מבוזרת, תקשורת אופטית קוהרנטית במהירות גבוהה ותחומים אחרים, וזוהי "משימה" שלא ניתן להשלים רק על ידי שיפור עוצמת הלייזר.
מהו לייזר בעל רוחב קו צר?
המונח "רוחב קו" מתייחס לרוחב הקו הספקטרלי של הלייזר בתחום התדרים, אשר בדרך כלל נמדד כרוחב מלא של הספקטרום (FWHM) בחצי שיא. רוחב הקו מושפע בעיקר מקרינה ספונטנית של אטומים או יונים מעוררים, רעש פאזה, ויברציה מכנית של המהוד, ריצוד טמפרטורה וגורמים חיצוניים אחרים. ככל שרוחב הקו קטן יותר, כך טוהר הספקטרום גבוה יותר, כלומר, המונוכרומטיות של הלייזר טובה יותר. ללייזרים בעלי מאפיינים כאלה יש בדרך כלל רעש פאזה או תדר מועט מאוד ורעש עוצמה יחסית מועט מאוד. יחד עם זאת, ככל שרוחב הלייזר ליניארי קטן יותר, כך הקוהרנטיות המתאימה חזקה יותר, המתבטאת באורך קוהרנטיות ארוך במיוחד.
מימוש ויישום של לייזר רוחב קו צר
מוגבל על ידי רוחב קו ההגבר הטבועה של חומר העבודה של הלייזר, כמעט בלתי אפשרי לממש ישירות את הפלט של לייזר קו רוחב צר על ידי הסתמכות על מתנד מסורתי עצמו. על מנת לממש את פעולת לייזר קו רוחב צר, בדרך כלל יש צורך להשתמש במסננים, סריג והתקנים אחרים כדי להגביל או לבחור את מודול האורך בספקטרום ההגבר, להגדיל את הפרש ההגבר נטו בין המודים האורכיים, כך שיהיו מעט או אפילו רק תנודות אורכיות אחת במהוד הלייזר. בתהליך זה, לעתים קרובות יש צורך לשלוט בהשפעת הרעש על פלט הלייזר, ולמזער את הרחבת הקווים הספקטרליים הנגרמת על ידי שינויי רטט וטמפרטורה של הסביבה החיצונית; יחד עם זאת, ניתן גם לשלב זאת עם ניתוח צפיפות הספקטרלית של רעש פאזה או תדר כדי להבין את מקור הרעש ולמטב את תכנון הלייזר, על מנת להשיג פלט יציב של לייזר קו רוחב צר.
בואו נסתכל על מימוש פעולה ברוחב קו צר של מספר קטגוריות שונות של לייזרים.
ללייזרי מוליכים למחצה יתרונות של גודל קומפקטי, יעילות גבוהה, אורך חיים ארוך ויתרונות כלכליים.
המהוד האופטי פברי-פרו (FP) המשמש במסורתילייזרים מוליכים למחצהבדרך כלל מתנדנד במצב רב-אורכי, ורוחב קו הפלט רחב יחסית, ולכן יש צורך להגדיל את המשוב האופטי כדי לקבל פלט ברוחב קו צר.
משוב מבוזר (DFB) והחזרת בראג מבוזרת (DBR) הם שני לייזרים אופייניים למחצה למשוב אופטי פנימי. בשל פסיעה קטנה של הסריגים וסלקטיביות אורך גל טובה, קל להשיג פלט יציב ברוחב קו צר בתדר יחיד. ההבדל העיקרי בין שני המבנים הוא מיקום הסריגים: מבנה DFB בדרך כלל מפזר את המבנה המחזורי של סריגת בראג ברחבי המהוד, והמהוד של ה-DBR מורכב בדרך כלל ממבנה סריגת ההחזרה ואזור ההגבר המשולב במשטח הקצה. בנוסף, לייזרי DFB משתמשים בסריגים משובצים עם ניגודיות מקדם שבירה נמוכה ורפלקטיביות נמוכה. לייזרי DBR משתמשים בסריגים משטחיים עם ניגודיות מקדם שבירה גבוהה ורפלקטיביות גבוהה. לשני המבנים טווח ספקטרלי חופשי גדול ויכולים לבצע כוונון אורך גל ללא קפיצת מצב בטווח של כמה ננומטרים, כאשר ללייזר DBR טווח כוונון רחב יותר מאשר ללייזר...לייזר DFBבנוסף, טכנולוגיית משוב אופטי בחלל חיצוני, המשתמשת באלמנטים אופטיים חיצוניים כדי להחזיר את האור היוצא משבב לייזר המוליך למחצה ולבחור את התדר, יכולה גם לממש את פעולת רוחב הקו הצר של לייזר המוליך למחצה.
(2) לייזרים סיבים
ללייזרי סיבים יעילות המרת משאבה גבוהה, איכות קרן טובה ויעילות צימוד גבוהה, שהם נושאי מחקר חמים בתחום הלייזרים. בהקשר של עידן המידע, ללייזרי סיבים יש תאימות טובה עם מערכות תקשורת סיבים אופטיים קיימות בשוק. לייזר סיבים בתדר יחיד עם יתרונות של רוחב קו צר, רעש נמוך וקוהרנטיות טובה הפך לאחד מכיווני הפיתוח החשובים שלו.
פעולה במצב אורכי יחיד היא הליבה של לייזר סיבים להשגת פלט ברוחב קו צר, בדרך כלל בהתאם למבנה המהוד של לייזר סיבים בתדר יחיד ניתן לחלק אותו לסוג DFB, סוג DBR וסוג טבעת. ביניהם, עקרון העבודה של לייזרי סיבים בתדר יחיד DFB ו-DBR דומה לזה של לייזרי מוליכים למחצה DFB ו-DBR.
כפי שמוצג באיור 1, לייזר סיבים DFB נועד לכתוב סריג בראג מבוזר לתוך הסיב. מכיוון שאורך הגל של המתנד מושפע ממחזור הסיב, ניתן לבחור את המצב האורכי באמצעות המשוב המבוזר של הסריגים. מהוד הלייזר של לייזר DBR נוצר בדרך כלל מזוג סריג בראג מסיבים, ומצב אורכי יחיד נבחר בעיקר על ידי סריג בראג מסיבים בעלי פס צר ובעל רפלקטיביות נמוכה. עם זאת, בגלל המהוד הארוך שלו, המבנה המורכב וחוסר מנגנון אפליה יעיל של תדרים, חלל בצורת טבעת נוטה לקפיצות מצב, וקשה לעבוד ביציבות במצב אורכי קבוע למשך זמן רב.
איור 1, שני מבנים ליניאריים אופייניים של תדר יחידלייזרי סיבים
זמן פרסום: 27 בנובמבר 2023