היום, נציג לייזר "מונוכרומטי" לקיצוניות - לייזר ברוחב קו צר. הופעתו ממלאת את החסר בתחומי יישום רבים של לייזר, ובשנים האחרונות נעשה שימוש נרחב בזיהוי גלי כבידה, liDAR, חישה מבוזרת, תקשורת אופטית קוהרנטית במהירות גבוהה ועוד תחומים, שזו "משימה" שאינה יכולה להיות הושלם רק על ידי שיפור כוח הלייזר.
מהו לייזר ברוחב קו צר?
המונח "רוחב קו" מתייחס לרוחב הקו הספקטרלי של הלייזר בתחום התדר, אשר בדרך כלל מכומד במונחים של רוחב מלא של חצי שיא הספקטרום (FWHM). רוחב הקו מושפע בעיקר מהקרינה הספונטנית של אטומים או יונים נרגשים, רעש פאזה, רטט מכני של המהוד, ריצוד טמפרטורה וגורמים חיצוניים אחרים. ככל שערך רוחב הקו קטן יותר, כך טוהר הספקטרום גבוה יותר, כלומר, מונוכרומטיות הלייזר טובה יותר. ללייזרים עם מאפיינים כאלה יש בדרך כלל מעט מאוד רעשי פאזה או תדר ומעט מאוד רעשים בעוצמה יחסית. יחד עם זאת, ככל שערך הרוחב הליניארי של הלייזר קטן יותר, כך חזקה יותר הקוהרנטיות המתאימה, המתבטאת כאורך קוהרנטיות ארוך במיוחד.
מימוש ויישום לייזר ברוחב קו צר
מוגבל על ידי רוחב קו הרווח המובנה של חומר העבודה של הלייזר, כמעט בלתי אפשרי לממש את הפלט של הלייזר ברוחב הקו הצר על ידי הסתמכות על המתנד המסורתי עצמו. על מנת לממש את פעולתו של לייזר ברוחב קו צר, בדרך כלל יש צורך להשתמש במסננים, סורגים והתקנים אחרים כדי להגביל או לבחור את מודול האורך בספקטרום ההגברה, להגדיל את הפרש הרווח הנקי בין מצבי האורך, כך שיש מעט או אפילו רק תנודת מצב אורכית אחת במהוד הלייזר. בתהליך זה, לעתים קרובות יש צורך לשלוט בהשפעת הרעש על פלט הלייזר, ולמזער את הרחבת הקווים הספקטרליים הנגרמת על ידי הרטט ושינויי הטמפרטורה של הסביבה החיצונית; במקביל, ניתן לשלב אותו גם עם ניתוח של צפיפות ספקטרלית רעש פאזה או תדר כדי להבין את מקור הרעש ולייעל את עיצוב הלייזר, כדי להשיג פלט יציב של הלייזר ברוחב הקו הצר.
בואו נסתכל על המימוש של פעולה ברוחב קו צר של מספר קטגוריות שונות של לייזרים.
ללייזרים מוליכים למחצה יש את היתרונות של גודל קומפקטי, יעילות גבוהה, חיים ארוכים ויתרונות כלכליים.
המהוד האופטי Fabry-Perot (FP) בשימוש מסורתילייזרים מוליכים למחצהבדרך כלל מתנודד במצב רב אורכי, ורוחב קו הפלט רחב יחסית, ולכן יש צורך להגדיל את המשוב האופטי כדי לקבל את הפלט של רוחב קו צר.
משוב מבוזר (DFB) והשתקפות Bragg מבוזרת (DBR) הם שני לייזרים מוליכים למחצה פנימיים טיפוסיים של משוב אופטי. בשל גובה הסורג הקטן וסלקטיביות אורכי גל טובה, קל להשיג פלט יציב ברוחב קו צר בתדר אחד. ההבדל העיקרי בין שני המבנים הוא מיקום הרשת: מבנה ה-DFB מפיץ בדרך כלל את המבנה המחזורי של רשת ה-Bragg לאורך המהוד, והמהוד של ה-DBR מורכב בדרך כלל ממבנה הרשת ההשתקפות ואזור ההגבר המשולב ב- משטח הקצה. בנוסף, לייזרים DFB משתמשים בסורגים מוטבעים עם ניגודיות מקדם שבירה נמוכה ורפלקטיביות נמוכה. לייזרים DBR משתמשים בסורגים משטחים בעלי ניגודיות גבוהה של אינדקס שבירה ורפלקטיביות גבוהה. לשני המבנים טווח ספקטרלי חופשי גדול והם יכולים לבצע כוונון אורך גל ללא קפיצת מצב בטווח של כמה ננומטרים, כאשר ללייזר DBR יש טווח כוונון רחב יותר מאשרלייזר DFB. בנוסף, טכנולוגיית המשוב האופטי של החלל החיצוני, המשתמשת באלמנטים אופטיים חיצוניים כדי להחזיר את האור היוצא של שבב הלייזר המוליך למחצה ולבחור את התדר, יכולה גם לממש את פעולת רוחב הקו הצר של הלייזר המוליך למחצה.
(2) לייזרים סיבים
ללייזרי סיבים יש יעילות המרת משאבה גבוהה, איכות קרן טובה ויעילות צימוד גבוהה, שהם נושאי המחקר החמים בתחום הלייזר. בהקשר של עידן המידע, ללייזרי סיבים תאימות טובה למערכות תקשורת סיבים אופטיים הקיימים בשוק. לייזר סיב חד-תדר עם היתרונות של רוחב קו צר, רעש נמוך וקוהרנטיות טובה הפך לאחד מכיווני הפיתוח החשובים שלו.
פעולת מצב אורכי יחיד היא הליבה של לייזר סיבים כדי להשיג פלט ברוחב קו צר, בדרך כלל על פי מבנה המהוד של לייזר סיב בתדר בודד ניתן לחלק לסוג DFB, סוג DBR וסוג טבעת. ביניהם, עקרון העבודה של לייזרים סיבים חד-תדרים DFB ו-DBR דומה לזה של לייזרים מוליכים למחצה DFB ו-DBR.
כפי שמוצג באיור 1, לייזר סיבי DFB הוא לכתוב סריג בראג מבוזר לתוך הסיב. מכיוון שאורך הגל העבודה של המתנד מושפע מתקופת הסיבים, ניתן לבחור את מצב האורך באמצעות המשוב המבוזר של הסורג. מהוד הלייזר של לייזר DBR נוצר בדרך כלל על ידי זוג רשתות Bragg סיבים, והמצב האורך היחיד נבחר בעיקר על ידי סיבי Bragg עם פס צר ורפלקטיביות נמוכה. עם זאת, בגלל התהודה הארוך שלו, המבנה המורכב והיעדר מנגנון אבחון תדר יעיל, חלל בצורת טבעת נוטה לקפיצות מצב, וקשה לעבוד ביציבות במצב אורך קבוע במשך זמן רב.
איור 1, שני מבנים ליניאריים טיפוסיים של תדר בודדלייזרים סיבים
זמן פרסום: 27 בנובמבר 2023