Định nghĩa băng thông trong Laser

Độ rộng đường truyền của laser, đặc biệt là laser tần số đơn, đề cập đến độ rộng của phổ của nó (thường là toàn bộ chiều rộng ở mức tối đa một nửa, FWHM). Chính xác hơn, đó là độ rộng của mật độ phổ công suất điện trường bức xạ, được biểu thị bằng tần số, số sóng hoặc bước sóng. Độ rộng đường truyền của laser có liên quan chặt chẽ đến sự kết hợp theo thời gian và được đặc trưng bởi thời gian kết hợp và độ dài kết hợp. Nếu pha trải qua một sự dịch chuyển không giới hạn, nhiễu pha sẽ góp phần vào độ rộng đường truyền; đây là trường hợp với bộ dao động tự do. (Các dao động pha giới hạn trong một khoảng pha rất nhỏ tạo ra độ rộng đường truyền bằng 0 và một số dải biên nhiễu.) Sự thay đổi trong chiều dài khoang cộng hưởng cũng góp phần vào độ rộng đường truyền và làm cho nó phụ thuộc vào thời gian đo. Điều này chỉ ra rằng chỉ riêng băng thông hoặc thậm chí hình dạng phổ mong muốn (dạng đường truyền) không thể cung cấp thông tin đầy đủ về phổ laser.

II. Đo băng thông tia laser

Nhiều kỹ thuật có thể được sử dụng để đo độ rộng đường truyền laser:

1. Khi độ rộng đường truyền tương đối lớn (>10 GHz, khi nhiều chế độ dao động trong nhiều hộp cộng hưởng laser), nó có thể được đo bằng máy quang phổ truyền thống sử dụng cách tử nhiễu xạ. Tuy nhiên, rất khó để đạt được độ phân giải tần số cao bằng phương pháp này.

2. Một phương pháp khác là sử dụng bộ phân biệt tần số để chuyển đổi dao động tần số thành dao động cường độ. Bộ phân biệt có thể là giao thoa kế không cân bằng hoặc khoang tham chiếu có độ chính xác cao. Phương pháp đo này cũng có độ phân giải hạn chế.

3. Laser tần số đơn thường sử dụng phương pháp tự dị âm, ghi lại nhịp giữa đầu ra laser và tần số của chính nó sau khi bù và trễ.

4. Đối với băng thông đường truyền vài trăm hertz, các kỹ thuật tự dị âm truyền thống là không thực tế vì chúng yêu cầu độ dài trễ lớn. Có thể sử dụng vòng sợi tuần hoàn và bộ khuếch đại sợi tích hợp để kéo dài độ dài này.

Khi xuất hiện nhiễu tần số 1/f, chỉ riêng độ rộng đường truyền không thể mô tả đầy đủ lỗi pha. Một cách tiếp cận tốt hơn là đo phổ Fourier của pha hoặc dao động tần số tức thời và sau đó mô tả đặc điểm của nó bằng mật độ phổ công suất; các chỉ số hiệu suất tiếng ồn có thể được tham khảo. Nhiễu 1/f (hoặc phổ nhiễu của nhiễu tần số thấp khác) có thể gây ra một số vấn đề về đo lường.

Các phép đo tần số quang thường yêu cầu tham chiếu tần số (hoặc thời gian) cụ thể tại một số điểm. Đối với laser có băng thông hẹp, chỉ cần một chùm tham chiếu duy nhất để cung cấp tham chiếu đủ chính xác. Các kỹ thuật tự dị âm thu được tham chiếu tần số bằng cách áp dụng độ trễ thời gian đủ dài cho chính thiết lập thử nghiệm, lý tưởng nhất là tránh sự kết hợp tạm thời giữa chùm tia ban đầu và chùm tia trễ của chính nó. Do đó, sợi quang dài thường được sử dụng. Tuy nhiên, do sự dao động ổn định và hiệu ứng âm thanh, các sợi dài tạo ra thêm nhiễu pha.

Khi xuất hiện nhiễu tần số 1/f, chỉ riêng độ rộng đường truyền không thể mô tả đầy đủ lỗi pha. Một cách tiếp cận tốt hơn là đo phổ Fourier của pha hoặc dao động tần số tức thời và sau đó mô tả đặc điểm của nó bằng mật độ phổ công suất; các chỉ số hiệu suất tiếng ồn có thể được tham khảo. Nhiễu 1/f (hoặc phổ nhiễu của nhiễu tần số thấp khác) có thể gây ra một số vấn đề về đo lường.

III. Giảm thiểu băng thông laser

Độ rộng đường truyền laser có liên quan trực tiếp đến loại laser. Nó có thể được giảm thiểu bằng cách tối ưu hóa thiết kế laser và ngăn chặn ảnh hưởng của tiếng ồn bên ngoài. Bước đầu tiên là xác định xem nhiễu lượng tử hay nhiễu cổ điển chiếm ưu thế, vì điều này sẽ ảnh hưởng đến các phép đo tiếp theo.

Khi công suất nội bộ cao, tổn thất khoang cộng hưởng thấp và thời gian khứ hồi của khoang cộng hưởng dài, tiếng ồn lượng tử (chủ yếu là tiếng ồn phát xạ tự phát) của laser có tác động nhỏ. Tiếng ồn cổ điển có thể được gây ra bởi các dao động cơ học, có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng bộ cộng hưởng laser ngắn, nhỏ gọn. Tuy nhiên, sự dao động về độ dài đôi khi có thể có tác động mạnh hơn trong các bộ cộng hưởng thậm chí còn ngắn hơn. Thiết kế cơ học phù hợp có thể làm giảm sự ghép nối giữa bộ cộng hưởng laser và bức xạ bên ngoài, đồng thời giảm thiểu hiệu ứng trôi nhiệt. Biến động nhiệt cũng tồn tại trong môi trường khuếch đại, gây ra bởi biến động công suất bơm. Để có hiệu suất chống ồn tốt hơn, cần có các thiết bị ổn định chủ động khác, nhưng ban đầu, các phương pháp thụ động thực tế sẽ được ưu tiên hơn. Độ rộng đường truyền của laser trạng thái rắn tần số đơn và laser sợi quang nằm trong phạm vi 1-2 Hz, đôi khi thậm chí dưới 1 kHz. Các phương pháp ổn định chủ động có thể đạt được băng thông truyền dẫn dưới 1 kHz. Độ rộng đường truyền của điốt laser thường nằm trong phạm vi MHz, nhưng có thể giảm xuống kHz, ví dụ, trong các laser diode khoang bên ngoài, đặc biệt là các laser có phản hồi quang và khoang tham chiếu có độ chính xác cao.

IV. Các vấn đề phát sinh từ băng thông hẹp

Trong một số trường hợp, độ rộng chùm tia rất hẹp từ nguồn laser là không cần thiết:

1. Khi độ dài kết hợp dài, hiệu ứng kết hợp (do phản xạ ký sinh yếu) có thể làm biến dạng hình dạng chùm tia. 1. Trong màn hình chiếu laser, hiệu ứng lốm đốm có thể ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt.

2. Khi ánh sáng truyền trong sợi quang chủ động hoặc thụ động, độ rộng đường truyền hẹp có thể gây ra vấn đề do tán xạ Brillouin kích thích. Trong những trường hợp như vậy, cần phải tăng độ rộng đường truyền, ví dụ, bằng cách phối màu nhanh tần số nhất thời của điốt laser hoặc bộ điều biến quang bằng cách sử dụng điều chế dòng điện. Độ rộng đường truyền cũng được sử dụng để mô tả độ rộng của các chuyển tiếp quang học (ví dụ: chuyển tiếp bằng laser hoặc một số đặc tính hấp thụ). Trong quá trình chuyển đổi của một nguyên tử hoặc ion đứng yên, độ rộng đường truyền có liên quan đến thời gian tồn tại của trạng thái năng lượng trên (chính xác hơn là thời gian tồn tại giữa trạng thái năng lượng trên và trạng thái năng lượng dưới) và được gọi là độ rộng đường truyền tự nhiên. Chuyển động (xem mở rộng Doppler) hoặc tương tác của các nguyên tử hoặc ion có thể mở rộng độ rộng phổ, chẳng hạn như mở rộng áp suất trong chất khí hoặc tương tác phonon trong môi trường rắn. Nếu các nguyên tử hoặc ion khác nhau bị ảnh hưởng khác nhau thì có thể xảy ra sự giãn nở không đồng đều.