Laser băng thông hẹp

Một số ứng dụng laser yêu cầu laser phải có băng thông rất hẹp, nghĩa là phổ hẹp. Laser băng thông hẹp đề cập đến laser tần số đơn, nghĩa là có chế độ khoang cộng hưởng trong giá trị laser và độ nhiễu pha rất thấp nên độ tinh khiết của quang phổ rất cao. Thông thường những tia laser như vậy có độ nhiễu cường độ rất thấp.

Các loại laser có băng thông hẹp quan trọng nhất như sau:

1. Laser bán dẫn, điốt laser phản hồi phân tán (laser DFB) và laser phản xạ Bragg phân tán (laser DBR), được sử dụng phổ biến nhất ở vùng 1500 hoặc 1000nm. Các thông số vận hành điển hình là công suất đầu ra hàng chục miliwatt (đôi khi lớn hơn 100 miliwatt) và băng thông đường truyền vài MHz.

2. Có thể đạt được độ rộng đường truyền hẹp hơn bằng laser bán dẫn, ví dụ bằng cách mở rộng bộ cộng hưởng với sợi quang đơn mode chứa cách tử Bragg sợi quang băng hẹp hoặc bằng cách sử dụng laser diode khoang bên ngoài. Bằng cách sử dụng phương pháp này, có thể đạt được băng thông cực hẹp vài kHz hoặc thậm chí nhỏ hơn 1kHz.

3. Laser sợi quang phản hồi phân tán nhỏ (bộ cộng hưởng làm từ cách tử Bragg sợi đặc biệt) có thể tạo ra công suất đầu ra hàng chục miliwatt với băng thông truyền dẫn trong phạm vi kHz.

4. Laser thân thể rắn được bơm bằng đi-ốt với bộ cộng hưởng vòng không phẳng cũng có thể đạt được độ rộng đường truyền vài kHz, trong khi công suất đầu ra tương đối cao, ở mức 1W. Mặc dù bước sóng điển hình là 1064nm, nhưng các vùng bước sóng khác như 1300 hoặc 1500nm cũng có thể xảy ra.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến băng thông hẹp của laser

Để đạt được laser có băng thông bức xạ (băng thông đường truyền) rất hẹp, các yếu tố sau cần được xem xét trong thiết kế laser:

Đầu tiên, cần phải đạt được hoạt động tần số đơn. Điều này có thể dễ dàng đạt được bằng cách sử dụng môi trường khuếch đại có băng thông khuếch đại nhỏ và khoang laser ngắn (dẫn đến dải phổ tự do lớn). Mục tiêu phải là hoạt động ổn định lâu dài ở tần số đơn mà không bị nhảy chế độ.

Thứ hai, cần giảm thiểu ảnh hưởng của tiếng ồn bên ngoài. Điều này đòi hỏi phải thiết lập bộ cộng hưởng ổn định (đơn sắc) hoặc biện pháp bảo vệ đặc biệt chống lại các rung động cơ học. Laser bơm điện cần sử dụng nguồn điện áp hoặc dòng điện có độ nhiễu thấp, trong khi laser được bơm quang học cần có nhiễu cường độ thấp làm nguồn sáng bơm. Ngoài ra, cần phải tránh tất cả các sóng ánh sáng phản hồi, chẳng hạn bằng cách sử dụng bộ cách ly Faraday. Về lý thuyết, tiếng ồn bên ngoài ít ảnh hưởng hơn tiếng ồn bên trong, chẳng hạn như sự phát xạ tự phát trong môi trường khuếch đại. Điều này dễ dàng đạt được khi tần số nhiễu cao, nhưng khi tần số nhiễu thấp thì ảnh hưởng đến băng thông đường truyền là quan trọng nhất.

Thứ ba, thiết kế laser cần được tối ưu hóa để giảm thiểu nhiễu laser, đặc biệt là nhiễu pha. Công suất nội khoang cao và bộ cộng hưởng dài được ưu tiên hơn, mặc dù khó đạt được hoạt động ổn định ở tần số đơn trong trường hợp này.

Tối ưu hóa hệ thống đòi hỏi sự hiểu biết về tầm quan trọng của các nguồn tiếng ồn khác nhau, vì cần có các phép đo khác nhau tùy thuộc vào nguồn tiếng ồn chiếm ưu thế. Ví dụ, độ rộng đường truyền được giảm thiểu theo phương trình Schawlow-Townes không nhất thiết phải giảm thiểu độ rộng đường truyền thực tế nếu độ rộng đường truyền thực tế được xác định bằng nhiễu cơ học.

Đặc tính tiếng ồn và thông số kỹ thuật hiệu suất.

Cả đặc tính nhiễu và số liệu hiệu suất của laser băng thông hẹp đều là những vấn đề không đáng kể. Các kỹ thuật đo lường khác nhau sẽ được thảo luận trong mục Độ rộng đường truyền, đặc biệt là yêu cầu về độ rộng đường truyền từ vài kHz trở xuống. Ngoài ra, chỉ xem xét giá trị băng thông không thể đưa ra tất cả các đặc tính nhiễu; cần đưa ra phổ nhiễu pha hoàn chỉnh cũng như thông tin cường độ nhiễu tương đối. Giá trị độ rộng đường truyền cần được kết hợp với ít nhất thời gian đo hoặc thông tin khác có tính đến độ lệch tần số dài hạn.

Tất nhiên, các ứng dụng khác nhau có các yêu cầu khác nhau và mức chỉ số hiệu suất tiếng ồn cần được xem xét trong các tình huống thực tế khác nhau.

Các ứng dụng của Laser băng thông hẹp

1. Một ứng dụng rất quan trọng là trong lĩnh vực cảm biến, chẳng hạn như cảm biến sợi quang áp suất hoặc nhiệt độ, cảm biến giao thoa kế khác nhau, sử dụng LIDAR hấp thụ khác nhau để phát hiện và theo dõi khí và sử dụng LIDAR Doppler để đo tốc độ gió. Một số cảm biến sợi quang yêu cầu băng thông laser vài kHz, trong khi trong các phép đo LIDAT, băng thông 100kHz là đủ.

2. Các phép đo tần số quang yêu cầu băng thông nguồn rất hẹp, đòi hỏi phải có kỹ thuật ổn định để đạt được.

3. Hệ thống thông tin cáp quang có yêu cầu tương đối lỏng lẻo về độ rộng đường truyền và chủ yếu được sử dụng cho máy phát hoặc để phát hiện hoặc đo lường.