Aujourd’hui, nous allons présenter un laser « monochromatique » au laser à largeur de raie extrêmement étroite. Son émergence comble les lacunes dans de nombreux domaines d'application du laser et a été largement utilisée ces dernières années dans la détection des ondes gravitationnelles, le LiDAR, la détection distribuée, la communication optique cohérente à grande vitesse et d'autres domaines, ce qui est une « mission » qui ne peut être complété uniquement par l’amélioration de la puissance du laser.
Qu'est-ce qu'un laser à largeur de raie étroite ?
Le terme « largeur de raie » fait référence à la largeur de raie spectrale du laser dans le domaine fréquentiel, qui est généralement quantifiée en termes de largeur totale à mi-crête 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 de température et d'autres facteurs externes. Plus la valeur de la largeur de ligne est petite, plus la pureté du spectre est élevée, c'est-à-dire meilleure est la monochromaticité du laser. Les lasers présentant de telles caractéristiques ont généralement très peu de bruit de phase ou de fréquence et très peu de bruit d'intensité relative. Dans le même temps, plus la valeur de la largeur linéaire du laser est petite, plus la cohérence correspondante est forte, ce qui se manifeste par une longueur de cohérence extrêmement longue.
Réalisation et application de laser à largeur de raie étroite
Limité par la largeur de raie de gain inhérente à la substance de travail du laser, il est presque impossible de réaliser directement la sortie du laser à largeur de raie étroite en s'appuyant sur l'oscillateur traditionnel lui-même. Afin de réaliser le fonctionnement d'un laser à largeur de raie étroite, il est généralement nécessaire d'utiliser des filtres, des réseaux et d'autres dispositifs pour limiter ou sélectionner le module longitudinal dans le spectre de gain, augmenter la différence de gain nette entre les modes longitudinaux, de sorte qu'il y ait un peu voire une seule oscillation de mode longitudinal dans le résonateur laser. Dans ce processus, il est souvent nécessaire de contrôler l'influence du bruit sur la sortie laser et de minimiser l'élargissement des raies spectrales provoqué par les vibrations et les changements de température de l'environnement externe ; Dans le même temps, il peut également être combiné avec l'analyse de la densité spectrale du bruit de phase ou de fréquence pour comprendre la source de bruit et optimiser la conception du laser, de manière à obtenir une sortie stable du laser à largeur de raie étroite.
Jetons un coup d'œil à la réalisation du fonctionnement à largeur de raie étroite de plusieurs catégories différentes de lasers.
Les lasers à semi-conducteurs présentent les avantages d'une taille compacte, d'un rendement élevé, d'une longue durée de vie et d'avantages économiques.
Le résonateur optique Fabry-Pérot (FP) utilisé dans leslasers à semi-conducteursoscille généralement en mode multi-longitudinal et la largeur de ligne de sortie est relativement large, il est donc nécessaire d'augmenter le retour optique pour obtenir une sortie de 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. En raison du petit pas de réseau et de la bonne sélectivité de longueur d'onde, il est facile d'obtenir une sortie stable à largeur de ligne étroite à fréquence unique. La principale différence entre les deux structures réside dans la position du réseau : la structure DFB distribue généralement la structure périodique du réseau de Bragg dans tout le résonateur, et le résonateur du DBR est généralement composé de la structure du réseau de réflexion et de la région de gain intégrée dans la surface d'extrémité. De plus, les lasers DFB utilisent des réseaux intégrés avec un faible contraste d'indice de réfraction et une faible réflectivité. Les lasers DBR utilisent des réseaux de surface avec un contraste d'indice de réfraction élevé et une réflectivité élevée. Les deux structures ont une large plage spectrale libre et peuvent effectuer un réglage de longueur d'onde sans saut de mode dans la plage de quelques nanomètres, le laser DBR ayant une plage de réglage plus large que le laser DBR.Laser DFB. De plus, la technologie de rétroaction optique à cavité externe, qui utilise des éléments optiques externes pour renvoyer la lumière sortante de la puce laser à semi-conducteur et sélectionner la fréquence, peut également réaliser le fonctionnement à largeur de raie étroite du laser à semi-conducteur.
(2) Lasers à fibre
Les lasers à fibre ont une efficacité de conversion de pompe élevée, une bonne qualité de faisceau et une efficacité de couplage élevée, qui sont des sujets de recherche brûlants dans le domaine du laser. À l’ère de l’information, les lasers à fibre présentent une bonne compatibilité avec les systèmes de communication à fibre optique actuels du marché. Le laser à fibre monofréquence, présentant les avantages d'une largeur de ligne étroite, d'un faible bruit et d'une bonne cohérence, est devenu l'une des orientations importantes de son développement.
Le fonctionnement en mode longitudinal unique est au cœur du laser à fibre pour obtenir une sortie de largeur de ligne étroite, généralement en fonction de la structure du résonateur du laser à fibre monofréquence, il peut être divisé en type DFB, type DBR et type en anneau. Parmi eux, 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 doit écrire un réseau de Bragg distribué dans la fibre. Étant donné que la longueur d'onde de travail de l'oscillateur est affectée par la période de la fibre, le mode longitudinal peut être sélectionné via la rétroaction distribuée du réseau. Le résonateur laser du laser DBR est généralement formé par une paire de réseaux de Bragg à fibres, et le mode longitudinal unique est principalement sélectionné par des réseaux de Bragg à bandes étroites et à fibres à faible réflectivité. Cependant, en raison de son long résonateur, de sa structure complexe et de l'absence de mécanisme de discrimination de fréquence efficace, la cavité en forme d'anneau est sujette aux sauts de mode et il est difficile de travailler de manière stable en mode longitudinal constant pendant une longue période.
Figure 1, Deux structures linéaires typiques de fréquence uniquelasers à fibre
Heure de publication : 27 novembre 2023