Láseres de ancho de línea estrecho

Algunas aplicaciones de láser requieren que el láser tenga un ancho de línea muy estrecho, es decir, un espectro estrecho. Los láseres de ancho de línea estrecho se refieren a láseres de frecuencia única, es decir, hay un modo de cavidad resonante en el valor del láser y el ruido de fase es muy bajo, por lo que la pureza espectral es muy alta. Normalmente, estos láseres tienen un ruido de muy baja intensidad.

Los tipos más importantes de láseres de ancho de línea estrecho son los siguientes:

1. Los láseres semiconductores, los diodos láser de retroalimentación distribuida (láseres DFB) y los láseres de reflexión de Bragg distribuidos (láseres DBR) se utilizan con mayor frecuencia en la región de 1500 o 1000 nm. Los parámetros operativos típicos son una potencia de salida de decenas de milivatios (a veces superior a 100 milivatios) y un ancho de línea de varios MHz.

2. Se pueden obtener anchos de línea más estrechos con láseres semiconductores, por ejemplo extendiendo el resonador con una fibra monomodo que contiene una rejilla de Bragg de fibra de banda estrecha, o usando un láser de diodo de cavidad externa. Con este método, se puede lograr un ancho de línea ultraestrecho de varios kHz o incluso menos de 1 kHz.

3. Los pequeños láseres de fibra con retroalimentación distribuida (resonadores hechos de rejillas de fibra especiales de Bragg) pueden generar potencias de salida de decenas de milivatios con anchos de línea en el rango de kHz.

4. Los láseres de cuerpo de estado sólido bombeados por diodos con resonadores de anillo no planos también pueden obtener un ancho de línea de varios kHz, mientras que la potencia de salida es relativamente alta, del orden de 1W. Aunque una longitud de onda típica es de 1064 nm, también son posibles otras regiones de longitud de onda como 1300 o 1500 nm.

Los principales factores que afectan el estrecho ancho de línea de los láseres.

Para lograr un láser con un ancho de banda de radiación (ancho de línea) muy estrecho, se deben considerar los siguientes factores en el diseño del láser:

En primer lugar, es necesario lograr el funcionamiento en una sola frecuencia. Esto se logra fácilmente utilizando un medio de ganancia con un ancho de banda de ganancia pequeño y una cavidad láser corta (lo que da como resultado un rango espectral libre grande). El objetivo debería ser un funcionamiento estable a largo plazo en una sola frecuencia sin saltos de modo.

En segundo lugar, es necesario minimizar la influencia del ruido externo. Esto requiere una configuración de resonador estable (monocromo) o una protección especial contra vibraciones mecánicas. Los láseres bombeados eléctricamente deben utilizar fuentes de corriente o voltaje de bajo ruido, mientras que los láseres bombeados ópticamente deben tener un ruido de baja intensidad como fuente de luz de bombeo. Además, es necesario evitar todas las ondas de luz de retroalimentación, por ejemplo utilizando aisladores de Faraday. En teoría, el ruido externo tiene menos influencia que el ruido interno, como la emisión espontánea en el medio de ganancia. Esto es fácil de lograr cuando la frecuencia del ruido es alta, pero cuando la frecuencia del ruido es baja, el efecto sobre el ancho de línea es más importante.

En tercer lugar, es necesario optimizar el diseño del láser para minimizar el ruido del láser, especialmente el ruido de fase. Se prefieren una alta potencia intracavitaria y resonadores largos, aunque en este caso es más difícil lograr un funcionamiento estable en una sola frecuencia.

La optimización del sistema requiere comprender la importancia de las diferentes fuentes de ruido, ya que se requieren diferentes mediciones dependiendo de la fuente de ruido dominante. Por ejemplo, el ancho de línea minimizado según la ecuación de Schawlow-Townes no minimiza necesariamente el ancho de línea real si el ancho de línea real está determinado por el ruido mecánico.

Características de ruido y especificaciones de rendimiento.

Tanto las características de ruido como las métricas de rendimiento de los láseres de ancho de línea estrecho son cuestiones triviales. En la entrada Ancho de línea se analizan diferentes técnicas de medición, especialmente los anchos de línea de unos pocos kHz o menos son exigentes. Además, considerar únicamente el valor del ancho de línea no puede proporcionar todas las características del ruido; es necesario proporcionar un espectro de ruido de fase completo, así como información de intensidad relativa del ruido. El valor del ancho de línea debe combinarse con al menos el tiempo de medición u otra información que tenga en cuenta la deriva de frecuencia a largo plazo.

Por supuesto, diferentes aplicaciones tienen diferentes requisitos y qué nivel de índice de rendimiento de ruido debe considerarse en diferentes situaciones reales.

Aplicaciones de láseres de ancho de línea estrecho

1. Una aplicación muy importante se encuentra en el campo de la detección, como sensores de fibra óptica de presión o temperatura, varios sensores de interferómetro, el uso de LIDAR de diferente absorción para detectar y rastrear gas y el uso de LIDAR Doppler para medir la velocidad del viento. Algunos sensores de fibra óptica requieren un ancho de línea láser de varios kHz, mientras que en mediciones LIDAT, un ancho de línea de 100 kHz es suficiente.

2. Las mediciones de frecuencia óptica requieren anchos de línea de fuente muy estrechos, lo que requiere técnicas de estabilización para lograrlos.

3. Los sistemas de comunicación por fibra óptica tienen requisitos relativamente flexibles en cuanto al ancho de línea y se utilizan principalmente para transmisores o para detección o medición.