Definición de ancho de línea en láseres

El ancho de línea de un láser, especialmente un láser de frecuencia única, se refiere al ancho de su espectro (normalmente ancho completo a la mitad del máximo, FWHM). Más precisamente, es la anchura de la densidad espectral de potencia del campo eléctrico radiado, expresada en términos de frecuencia, número de onda o longitud de onda. El ancho de línea de un láser está estrechamente relacionado con la coherencia temporal y se caracteriza por el tiempo y la longitud de la coherencia. Si la fase sufre un cambio ilimitado, el ruido de fase contribuye al ancho de la línea; este es el caso de los osciladores libres. (Las fluctuaciones de fase confinadas a un intervalo de fase muy pequeño producen un ancho de línea nulo y algunas bandas laterales de ruido). Los cambios en la longitud de la cavidad resonante también contribuyen al ancho de línea y lo hacen dependiente del tiempo de medición. Esto indica que el ancho de línea por sí solo, o incluso una forma espectral deseable (forma de línea), no puede proporcionar la información completa sobre el espectro láser.

II. Medición del ancho de línea láser

Se pueden utilizar muchas técnicas para medir el ancho de la línea láser:

1. Cuando el ancho de línea es relativamente grande (>10 GHz, cuando múltiples modos oscilan en múltiples cavidades resonantes del láser), se puede medir usando un espectrómetro tradicional que emplea una rejilla de difracción. Sin embargo, es difícil obtener una resolución de alta frecuencia utilizando este método.

2. Otro método consiste en utilizar un discriminador de frecuencia para convertir las fluctuaciones de frecuencia en fluctuaciones de intensidad. El discriminador puede ser un interferómetro desequilibrado o una cavidad de referencia de alta precisión. Este método de medición también tiene una resolución limitada.

3. Los láseres de frecuencia única suelen utilizar un método autoheterodino, que registra el latido entre la salida del láser y su propia frecuencia después de la compensación y el retraso.

4. Para anchos de línea de varios cientos de hercios, las técnicas tradicionales autoheterodinas no son prácticas porque requieren una gran longitud de retardo. Se puede utilizar un bucle de fibra cíclico y un amplificador de fibra incorporado para ampliar esta longitud.

5. Se puede lograr una resolución muy alta registrando los latidos de dos láseres independientes, donde el ruido del láser de referencia es mucho menor que el del láser de prueba, o sus especificaciones de rendimiento son similares. Se puede utilizar un bucle de bloqueo de fase o un cálculo de la diferencia de frecuencia instantánea basado en registros matemáticos. Este método es muy simple y estable, pero requiere otro láser (que funcione cerca de la frecuencia del láser de prueba). Si el ancho de línea medido requiere un amplio rango espectral, un peine de frecuencia es muy conveniente.

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Cuando hay ruido de frecuencia 1/f, el ancho de línea por sí solo no puede describir completamente el error de fase. Un mejor enfoque es medir el espectro de Fourier de las fluctuaciones de fase o de frecuencia instantáneas y luego caracterizarlo utilizando la densidad espectral de potencia; Se pueden hacer referencia a los indicadores de rendimiento acústico. El ruido 1/f (o el espectro de ruido de otros ruidos de baja frecuencia) puede causar algunos problemas de medición.

III. Minimizar el ancho de la línea láser

El ancho de línea del láser está directamente relacionado con el tipo de láser. Se puede minimizar optimizando el diseño del láser y suprimiendo las influencias del ruido externo. El primer paso es determinar si el ruido cuántico o el ruido clásico es dominante, ya que esto afectará a las mediciones posteriores.

Cuando la potencia intracavidad es alta, la pérdida de la cavidad resonante es baja y el tiempo de ida y vuelta de la cavidad resonante es largo, el ruido cuántico (principalmente ruido de emisión espontánea) del láser tiene un pequeño impacto. El ruido clásico puede deberse a fluctuaciones mecánicas, que pueden mitigarse mediante el uso de un resonador láser compacto y corto. Sin embargo, las fluctuaciones de longitud a veces pueden tener un efecto más fuerte incluso en resonadores más cortos. Un diseño mecánico adecuado puede reducir el acoplamiento entre el resonador láser y las radiaciones externas y también minimizar los efectos de la deriva térmica. También existen fluctuaciones térmicas en el medio de ganancia, causadas por fluctuaciones de potencia de la bomba. Para obtener un mejor rendimiento acústico, se necesitan otros dispositivos de estabilización activa, pero inicialmente son preferibles métodos pasivos prácticos. Los anchos de línea de los láseres de estado sólido y de fibra de una sola frecuencia están en el rango de 1 a 2 Hz, a veces incluso por debajo de 1 kHz. Los métodos de estabilización activa pueden alcanzar anchos de línea inferiores a 1 kHz. Los anchos de línea de los diodos láser suelen estar en el rango de MHz, pero pueden reducirse a kHz, por ejemplo, en láseres de diodo de cavidad externa, especialmente aquellos con retroalimentación óptica y cavidades de referencia de alta precisión.

IV. Problemas que surgen de anchos de línea estrechos

En algunos casos no es necesario un ancho de haz muy estrecho de la fuente láser:

1. Cuando la longitud de coherencia es larga, los efectos de coherencia (debido a reflexiones parásitas débiles) pueden distorsionar la forma del haz. 1. En las pantallas de proyección láser, los efectos moteados pueden interferir con la calidad de la superficie.

2. Cuando la luz se propaga en fibras ópticas activas o pasivas, los anchos de línea estrechos pueden causar problemas debido a la dispersión Brillouin estimulada. En tales casos, es necesario aumentar el ancho de línea, por ejemplo, oscilando rápidamente la frecuencia transitoria de un diodo láser o modulador óptico usando modulación de corriente. El ancho de línea también se utiliza para describir el ancho de las transiciones ópticas (por ejemplo, transiciones láser o algunas características de absorción). En las transiciones de un solo átomo o ion estacionario, el ancho de línea está relacionado con la vida útil del estado de energía superior (más precisamente, la vida útil entre los estados de energía superior e inferior) y se denomina ancho de línea natural. El movimiento (ver ampliación Doppler) o la interacción de átomos o iones pueden ampliar el ancho de la línea, como el aumento de la presión en gases o las interacciones de fonones en medios sólidos. Si diferentes átomos o iones se ven afectados de manera diferente, puede ocurrir un ensanchamiento no uniforme.