Mesure de la largeur de ligne d'un laser à raie étroite

Mesure de la largeur de ligne delaser à largeur de raie étroite

La largeur de raie d'un laser à raie spectrale étroite, notamment celui des lasers monomodes, correspond à la largeur du spectre laser (généralement comprise entre la demi-largeur et la largeur à mi-hauteur, FWHM). Plus précisément, la largeur de la densité spectrale de puissance du champ électrique rayonné est exprimée en fonction de la fréquence, du nombre d'onde ou de la longueur d'onde. La largeur de raie du laser est étroitement corrélée au temps et est caractérisée par le temps et la longueur de cohérence. Si la phase subit un déphasage infini, le bruit de phase génère une largeur de raie, comme c'est le cas pour un oscillateur libre. Les fluctuations de phase confinées à une très petite plage de phase entraînent une largeur de raie nulle et l'apparition d'une bande latérale de bruit. Le décalage de la longueur de la cavité résonante contribue également à la largeur de raie et la rend dépendante du temps de mesure. Ceci indique que la largeur de raie seule, voire la forme du spectre (type de raie), ne suffit pas à fournir toutes les informations sur le laser.spectre laser.

De nombreuses techniques peuvent être adoptées pour mesurer lelargeur de ligne d'un laser:

Lorsque le rapport de largeur de raie est élevé (supérieur à 10 GHz, en présence d'oscillations multimodales dans les cavités résonantes de plusieurs lasers), un spectromètre classique à réseau de diffraction peut être utilisé pour la mesure. Cependant, cette méthode ne permet pas d'obtenir une haute résolution fréquentielle.

Une autre approche consiste à utiliser un discriminateur de fréquence pour convertir les fluctuations de fréquence en fluctuations d'intensité. Ce discriminateur peut être un interféromètre déséquilibré ou une cavité de référence de haute précision. La résolution de cette méthode de mesure est également très limitée.

3. Les lasers à fréquence unique utilisent généralement la méthode auto-hétérodyne, qui enregistre le battement entre la sortie du laser et lui-même après décalage et délai de fréquence.

Lorsque la largeur de bande atteint plusieurs centaines de hertz, la technique hétérodyne traditionnelle n'est plus adaptée car elle requiert une longueur de retard importante. On peut alors utiliser une boucle de fibre cyclique et un amplificateur de fibre interne pour y remédier.

5. Une très haute résolution peut être obtenue en enregistrant les battements de deux lasers indépendants. Dans ce cas, le bruit du laser de référence est bien inférieur à celui du laser de test.laserou bien les indicateurs de performance des deux lasers sont similaires. La différence de fréquence instantanée peut être obtenue à l'aide d'une boucle à verrouillage de phase ou par calcul à partir de données mathématiques. Cette méthode est très simple et stable, mais elle nécessite un autre laser (fonctionnant à une fréquence proche de celle du laser testé). Si la largeur de raie mesurée requiert une très large gamme spectrale, l'utilisation d'un peigne de fréquences est particulièrement avantageuse.

La mesure de fréquence optique nécessite généralement une référence de fréquence (ou de temps) à un instant donné. Pour un laser à raie spectrale étroite, une seule source de référence suffit à obtenir une référence suffisamment précise. La technique hétérodyne obtient cette référence de fréquence en appliquant un retard temporel suffisamment long au dispositif testé. Idéalement, elle évite la cohérence temporelle entre le faisceau initial et la lumière retardée. C'est pourquoi on utilise généralement de longues fibres optiques. Cependant, en raison des fluctuations du réseau et des effets acoustiques, ces longues fibres peuvent engendrer du bruit de phase supplémentaire.