Einige Laseranwendungen erfordern eine sehr schmale Linienbreite des Lasers, also ein schmales Spektrum. Laser mit schmaler Linienbreite beziehen sich auf Einzelfrequenzlaser, das heißt, es gibt einen Resonanzhohlraummodus im Laserwert und das Phasenrauschen ist sehr gering, sodass die spektrale Reinheit sehr hoch ist. Typischerweise weisen solche Laser ein Rauschen mit sehr geringer Intensität auf.
Die wichtigsten Arten von Lasern mit schmaler Linienbreite sind folgende:
1. Halbleiterlaser, Laserdioden mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser) und Laser mit verteilter Bragg-Reflexion (DBR-Laser) werden am häufigsten im 1500- oder 1000-nm-Bereich verwendet. Typische Betriebsparameter sind eine Ausgangsleistung von mehreren zehn Milliwatt (manchmal mehr als 100 Milliwatt) und eine Linienbreite von mehreren MHz.
2. Mit Halbleiterlasern können schmalere Linienbreiten erzielt werden, beispielsweise durch Erweitern des Resonators mit einer Einmodenfaser, die ein schmalbandiges Faser-Bragg-Gitter enthält, oder durch Verwendung eines Diodenlasers mit externem Hohlraum. Mit dieser Methode kann eine ultraschmale Linienbreite von mehreren kHz oder sogar weniger als 1 kHz erreicht werden.
3. Kleine Faserlaser mit verteilter Rückkopplung (Resonatoren aus speziellen Faser-Bragg-Gittern) können Ausgangsleistungen von mehreren zehn Milliwatt mit Linienbreiten im kHz-Bereich erzeugen.
4. Diodengepumpte Festkörperlaser mit nichtplanaren Ringresonatoren können ebenfalls eine Linienbreite von mehreren kHz erreichen, während die Ausgangsleistung relativ hoch ist und in der Größenordnung von 1 W liegt. Obwohl eine typische Wellenlänge 1064 nm beträgt, sind auch andere Wellenlängenbereiche wie 1300 oder 1500 nm möglich.
Die Hauptfaktoren, die die schmale Linienbreite von Lasern beeinflussen
Um einen Laser mit einer sehr schmalen Strahlungsbandbreite (Linienbreite) zu erreichen, müssen beim Laserdesign folgende Faktoren berücksichtigt werden:
Zunächst muss ein Einfrequenzbetrieb erreicht werden. Dies lässt sich leicht erreichen, indem ein Verstärkungsmedium mit einer kleinen Verstärkungsbandbreite und einem kurzen Laserhohlraum verwendet wird (was zu einem großen freien Spektralbereich führt). Das Ziel sollte ein langfristig stabiler Gleichfrequenzbetrieb ohne Mode-Hopping sein.
Zweitens muss der Einfluss von Außengeräuschen minimiert werden. Dies erfordert einen stabilen Resonatoraufbau (monochrom) oder einen besonderen Schutz gegen mechanische Vibrationen. Elektrisch gepumpte Laser müssen rauscharme Strom- oder Spannungsquellen verwenden, während optisch gepumpte Laser als Pumplichtquelle ein Rauschen mit geringer Intensität aufweisen müssen. Darüber hinaus müssen alle Rückkopplungslichtwellen vermieden werden, beispielsweise durch den Einsatz von Faraday-Isolatoren. Theoretisch hat externes Rauschen einen geringeren Einfluss als internes Rauschen, beispielsweise spontane Emission im Verstärkungsmedium. Dies lässt sich leicht erreichen, wenn die Rauschfrequenz hoch ist, aber wenn die Rauschfrequenz niedrig ist, ist die Auswirkung auf die Linienbreite am wichtigsten.
Drittens muss das Laserdesign optimiert werden, um das Laserrauschen, insbesondere das Phasenrauschen, zu minimieren. Eine hohe Leistung innerhalb des Hohlraums und lange Resonatoren werden bevorzugt, obwohl in diesem Fall ein stabiler Einzelfrequenzbetrieb schwieriger zu erreichen ist.
Die Systemoptimierung erfordert ein Verständnis für die Bedeutung der unterschiedlichen Geräuschquellen, da je nach dominierender Geräuschquelle unterschiedliche Messungen erforderlich sind. Beispielsweise minimiert die gemäß der Schawlow-Townes-Gleichung minimierte Linienbreite nicht unbedingt die tatsächliche Linienbreite, wenn die tatsächliche Linienbreite durch mechanisches Rauschen bestimmt wird.
Geräuscheigenschaften und Leistungsspezifikationen.
Sowohl die Rauscheigenschaften als auch die Leistungsmetriken von Lasern mit schmaler Linienbreite sind triviale Probleme. Im Beitrag Linienbreite werden verschiedene Messtechniken besprochen, insbesondere Linienbreiten von wenigen kHz oder weniger sind anspruchsvoll. Darüber hinaus kann die alleinige Berücksichtigung des Linienbreitenwerts nicht alle Rauscheigenschaften liefern; Es ist notwendig, ein vollständiges Phasenrauschspektrum sowie Informationen zur relativen Intensität des Rauschens anzugeben. Der Linienbreitenwert muss mindestens mit der Messzeit oder anderen Informationen kombiniert werden, die die langfristige Frequenzdrift berücksichtigen.
Natürlich stellen unterschiedliche Anwendungen unterschiedliche Anforderungen und welche Höhe des Geräuschleistungsindex in unterschiedlichen tatsächlichen Situationen berücksichtigt werden muss.
Anwendungen von Lasern mit schmaler Linienbreite
1. Eine sehr wichtige Anwendung liegt im Bereich der Sensorik, wie z. B. faseroptische Druck- oder Temperatursensoren, verschiedene Interferometersensoren, die Verwendung unterschiedlicher Absorptions-LIDAR zur Erkennung und Verfolgung von Gas und die Verwendung von Doppler-LIDAR zur Messung der Windgeschwindigkeit. Einige faseroptische Sensoren erfordern eine Laserlinienbreite von mehreren kHz, während bei LIDAT-Messungen eine Linienbreite von 100 kHz ausreichend ist.
2. Optische Frequenzmessungen erfordern sehr schmale Quellenlinienbreiten, für deren Erzielung Stabilisierungstechniken erforderlich sind.
3. Glasfaserkommunikationssysteme stellen relativ geringe Anforderungen an die Leitungsbreite und werden hauptsächlich für Sender oder zur Erkennung oder Messung verwendet.
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