Aujourd'hui, nous allons présenter un laser « monochromatique » à largeur de raie extrêmement étroite. Son apparition comble des lacunes dans de nombreux domaines d'application du laser et, ces dernières années, il a été largement utilisé dans la détection d'ondes gravitationnelles, le LiDAR, la détection distribuée, la communication optique cohérente à haut débit et d'autres domaines. Cette « mission » ne peut être accomplie uniquement par l'amélioration de la puissance laser.
Qu'est-ce qu'un laser à largeur de raie étroite ?
Le terme « largeur de raie » désigne la largeur spectrale du laser dans le domaine fréquentiel, généralement quantifiée par la largeur à mi-hauteur du spectre (FWHM). La largeur de raie est principalement affectée par le rayonnement spontané des atomes ou des ions excités, le bruit de phase, les vibrations mécaniques du résonateur, la gigue thermique et d'autres facteurs externes. Plus la largeur de raie est faible, plus le spectre est pur, c'est-à-dire plus le laser est monochromatique. Les lasers présentant de telles caractéristiques présentent généralement très peu de bruit de phase ou de fréquence, ainsi qu'un bruit d'intensité relatif très faible. Parallèlement, plus la largeur linéaire du laser est faible, plus la cohérence correspondante est forte, ce qui se traduit par une longueur de cohérence extrêmement longue.
Réalisation et application du laser à largeur de raie étroite
Limité par la largeur de raie de gain inhérente au matériau actif du laser, il est quasiment impossible d'obtenir directement la sortie d'un laser à largeur de raie étroite en s'appuyant sur l'oscillateur traditionnel lui-même. Pour ce faire, il est généralement nécessaire d'utiliser des filtres, des réseaux et d'autres dispositifs afin de limiter ou de sélectionner le module longitudinal du spectre de gain et d'augmenter la différence de gain nette entre les modes longitudinaux, de sorte qu'il n'y ait que peu, voire une seule, oscillation de mode longitudinal dans le résonateur laser. Ce processus nécessite souvent de contrôler l'influence du bruit sur la sortie laser et de minimiser l'élargissement des raies spectrales dû aux vibrations et aux variations de température de l'environnement extérieur. Parallèlement, l'analyse de la densité spectrale du bruit de phase ou de fréquence permet de comprendre la source du bruit et d'optimiser la conception du laser, afin d'obtenir une sortie stable du laser à largeur de raie étroite.
Jetons un œil à la réalisation du fonctionnement à largeur de ligne étroite de plusieurs catégories différentes de lasers.
Les lasers à semi-conducteurs présentent les avantages d'une taille compacte, d'une efficacité élevée, d'une longue durée de vie et d'avantages économiques.
Le résonateur optique Fabry-Perot (FP) utilisé dans leslasers à semi-conducteursoscille généralement en mode multi-longitudinal et la largeur de la ligne de sortie est relativement large, il est donc nécessaire d'augmenter la rétroaction optique pour obtenir la sortie d'une largeur de ligne étroite.
La rétroaction distribuée (DFB) et la réflexion de Bragg distribuée (DBR) sont deux lasers à semi-conducteurs à rétroaction optique interne typiques. Grâce au faible pas de réseau et à la bonne sélectivité en longueur d'onde, il est facile d'obtenir une sortie stable à faible largeur de raie monofréquence. La principale différence entre les deux structures réside dans la position du réseau : la structure DFB répartit généralement la structure périodique du réseau de Bragg sur l'ensemble du résonateur, tandis que le résonateur du DBR est généralement composé de la structure du réseau de réflexion et de la zone de gain intégrée à la surface d'extrémité. De plus, les lasers DFB utilisent des réseaux intégrés à faible contraste d'indice de réfraction et à faible réflectivité. Les lasers DBR utilisent des réseaux de surface à fort contraste d'indice de réfraction et à forte réflectivité. Les deux structures présentent une large gamme spectrale libre et permettent un réglage en longueur d'onde sans saut de mode de l'ordre de quelques nanomètres, tandis que le laser DBR offre une plage de réglage plus large que le laser DBR.Laser DFBDe plus, la technologie de rétroaction optique à cavité externe, qui utilise des éléments optiques externes pour rétroagir sur la lumière sortante de la puce laser à semi-conducteur et sélectionner la fréquence, peut également réaliser le fonctionnement à largeur de ligne étroite du laser à semi-conducteur.
(2) Lasers à fibre
Les lasers à fibre présentent un rendement de conversion de pompage élevé, une bonne qualité de faisceau et un rendement de couplage élevé, deux sujets de recherche majeurs dans le domaine du laser. À l'ère de l'information, les lasers à fibre offrent une excellente compatibilité avec les systèmes de communication par fibre optique actuels du marché. Le laser à fibre monofréquence, caractérisé par une largeur de ligne étroite, un faible bruit et une bonne cohérence, est devenu l'un des axes majeurs de son développement.
Le fonctionnement en mode longitudinal unique est au cœur du laser à fibre pour obtenir une largeur de raie étroite. Selon la structure du résonateur, les lasers à fibre monofréquence peuvent être divisés en types DFB, DBR et annulaires. Le principe de fonctionnement des lasers à fibre monofréquence DFB et DBR est similaire à celui des lasers à semi-conducteurs DFB et DBR.
Comme le montre la figure 1, le laser à fibre DFB utilise un réseau de Bragg distribué. La longueur d'onde de travail de l'oscillateur étant affectée par la période de la fibre, le mode longitudinal peut être sélectionné grâce à la rétroaction distribuée du réseau. Le résonateur laser du laser DBR est généralement constitué d'une paire de réseaux de Bragg sur fibre, et le mode longitudinal unique est principalement sélectionné par des réseaux de Bragg à bande étroite et à faible réflectivité. Cependant, en raison de la longueur du résonateur, de la complexité de sa structure et de l'absence de mécanisme efficace de discrimination de fréquence, la cavité annulaire est sujette aux sauts de mode, ce qui rend difficile un fonctionnement stable en mode longitudinal constant sur une longue période.
Figure 1, Deux structures linéaires typiques à fréquence uniquelasers à fibre
Date de publication : 27 novembre 2023