Definition der Linienbreite bei Lasern

Die Linienbreite eines Lasers, insbesondere eines Einzelfrequenzlasers, bezieht sich auf die Breite seines Spektrums (typischerweise Halbwertsbreite, FWHM). Genauer gesagt handelt es sich um die Breite der spektralen Leistungsdichte des abgestrahlten elektrischen Feldes, ausgedrückt in Frequenz, Wellenzahl oder Wellenlänge. Die Linienbreite eines Lasers steht in engem Zusammenhang mit der zeitlichen Kohärenz und wird durch Kohärenzzeit und Kohärenzlänge charakterisiert. Wenn die Phase eine unbegrenzte Verschiebung erfährt, trägt Phasenrauschen zur Linienbreite bei; Dies ist bei freien Oszillatoren der Fall. (Phasenschwankungen, die auf ein sehr kleines Phasenintervall beschränkt sind, erzeugen eine Linienbreite von Null und einige Rauschseitenbänder.) Verschiebungen in der Länge des Resonanzhohlraums tragen ebenfalls zur Linienbreite bei und machen sie von der Messzeit abhängig. Dies weist darauf hin, dass die Linienbreite allein oder sogar eine gewünschte Spektralform (Linienform) nicht die vollständige Information über das Laserspektrum liefern kann.

II. Messung der Laserlinienbreite

Zur Messung der Laserlinienbreite können viele Techniken eingesetzt werden:

1. Wenn die Linienbreite relativ groß ist (>10 GHz, wenn mehrere Moden in mehreren Laserresonatoren oszillieren), kann sie mit einem herkömmlichen Spektrometer gemessen werden, das ein Beugungsgitter verwendet. Allerdings ist es mit dieser Methode schwierig, eine hohe Frequenzauflösung zu erreichen.

2. Eine andere Methode besteht darin, einen Frequenzdiskriminator zu verwenden, um Frequenzschwankungen in Intensitätsschwankungen umzuwandeln. Der Diskriminator kann ein unsymmetrisches Interferometer oder ein hochpräziser Referenzresonator sein. Auch diese Messmethode hat eine begrenzte Auflösung.

3. Einzelfrequenzlaser verwenden typischerweise eine Selbstheterodyn-Methode, die die Schwebung zwischen der Laserleistung und ihrer eigenen Frequenz nach Offset und Verzögerung aufzeichnet.

4. Für Linienbreiten von mehreren hundert Hertz sind herkömmliche Selbstheterodyntechniken unpraktisch, da sie eine große Verzögerungslänge erfordern. Zur Verlängerung dieser Länge können eine zyklische Faserschleife und ein eingebauter Faserverstärker verwendet werden.

5. Eine sehr hohe Auflösung kann durch die Aufzeichnung der Schläge zweier unabhängiger Laser erreicht werden, wobei das Rauschen des Referenzlasers viel geringer ist als das des Testlasers oder ihre Leistungsspezifikationen ähnlich sind. Es kann ein Phasenregelkreis oder eine Berechnung der momentanen Frequenzdifferenz auf Basis mathematischer Aufzeichnungen verwendet werden. Diese Methode ist sehr einfach und stabil, erfordert jedoch einen weiteren Laser (der in der Nähe der Frequenz des Testlasers arbeitet). Wenn die gemessene Linienbreite einen großen Spektralbereich erfordert, ist ein Frequenzkamm sehr praktisch.

Für optische Frequenzmessungen ist häufig irgendwann eine bestimmte Frequenz- (oder Zeit-)Referenz erforderlich. Für Laser mit schmaler Linienbreite ist nur ein einziger Referenzstrahl erforderlich, um eine ausreichend genaue Referenz bereitzustellen. Selbstheterodyne Techniken erhalten eine Frequenzreferenz, indem sie eine ausreichend lange Zeitverzögerung auf den Testaufbau selbst anwenden und so im Idealfall eine zeitliche Kohärenz zwischen dem anfänglichen Strahl und seinem eigenen verzögerten Strahl vermeiden. Daher werden typischerweise lange optische Fasern verwendet. Aufgrund stabiler Schwankungen und akustischer Effekte führen lange Fasern jedoch zu zusätzlichem Phasenrauschen.

2. Wenn sich Licht in aktiven oder passiven optischen Fasern ausbreitet, können schmale Linienbreiten aufgrund der stimulierten Brillouin-Streuung Probleme verursachen. In solchen Fällen ist es notwendig, die Linienbreite zu erhöhen, beispielsweise durch schnelles Dithern der Übergangsfrequenz einer Laserdiode oder eines optischen Modulators mithilfe von Strommodulation. Linienbreite wird auch verwendet, um die Breite optischer Übergänge (z. B. Laserübergänge oder einige Absorptionseigenschaften) zu beschreiben. Bei den Übergängen eines stationären einzelnen Atoms oder Ions hängt die Linienbreite von der Lebensdauer des oberen Energiezustands ab (genauer gesagt von der Lebensdauer zwischen dem oberen und dem unteren Energiezustand) und wird als natürliche Linienbreite bezeichnet. Die Bewegung (siehe Doppler-Verbreiterung) oder die Wechselwirkung von Atomen oder Ionen kann die Linienbreite verbreitern, beispielsweise eine Druckverbreiterung in Gasen oder Phononenwechselwirkungen in festen Medien. Werden verschiedene Atome oder Ionen unterschiedlich beeinflusst, kann es zu einer ungleichmäßigen Verbreiterung kommen.

III. Minimierung der Laserlinienbreite

Die Laserlinienbreite steht in direktem Zusammenhang mit dem Lasertyp. Durch die Optimierung des Laserdesigns und die Unterdrückung externer Geräuscheinflüsse kann es minimiert werden. Der erste Schritt besteht darin, festzustellen, ob Quantenrauschen oder klassisches Rauschen dominiert, da dies Auswirkungen auf nachfolgende Messungen hat.

Wenn die Leistung innerhalb des Hohlraums hoch ist, der Verlust im Hohlraumresonator gering ist und die Umlaufzeit des Hohlraumresonators lang ist, hat das Quantenrauschen (hauptsächlich spontanes Emissionsrauschen) des Lasers einen geringen Einfluss. Klassisches Rauschen kann durch mechanische Schwankungen verursacht werden, die durch den Einsatz eines kompakten, kurzen Laserresonators gemildert werden können. Allerdings können sich Längenschwankungen bei noch kürzeren Resonatoren mitunter stärker auswirken. Durch die richtige mechanische Konstruktion kann die Kopplung zwischen dem Laserresonator und externen Strahlungen verringert und auch thermische Drifteffekte minimiert werden. Auch im Verstärkungsmedium treten thermische Schwankungen auf, die durch Schwankungen der Pumpenleistung verursacht werden. Für eine bessere Geräuschleistung sind andere aktive Stabilisierungsgeräte erforderlich, zunächst sind jedoch praktische passive Methoden vorzuziehen. Die Linienbreiten von Einfrequenz-Festkörperlasern und Faserlasern liegen im Bereich von 1–2 Hz, teilweise sogar unter 1 kHz. Durch aktive Stabilisierungsverfahren können Linienbreiten unter 1 kHz erreicht werden. Die Linienbreiten von Laserdioden liegen typischerweise im MHz-Bereich, können jedoch beispielsweise bei Diodenlasern mit externem Resonator, insbesondere solchen mit optischer Rückkopplung und hochpräzisen Referenzresonatoren, auf kHz reduziert werden.

IV. Probleme aufgrund geringer Linienbreiten

In manchen Fällen ist eine sehr schmale Strahlbreite der Laserquelle nicht erforderlich:

1. Wenn die Kohärenzlänge lang ist, können Kohärenzeffekte (aufgrund schwacher parasitärer Reflexionen) die Strahlform verzerren. 1. Bei Laserprojektionsdisplays können Speckle-Effekte die Oberflächenqualität beeinträchtigen.

2. Wenn sich Licht in aktiven oder passiven optischen Fasern ausbreitet, können schmale Linienbreiten aufgrund der stimulierten Brillouin-Streuung Probleme verursachen. In solchen Fällen ist es notwendig, die Linienbreite zu erhöhen, beispielsweise durch schnelles Dithern der Übergangsfrequenz einer Laserdiode oder eines optischen Modulators mithilfe von Strommodulation. Linienbreite wird auch verwendet, um die Breite optischer Übergänge (z. B. Laserübergänge oder einige Absorptionseigenschaften) zu beschreiben. Bei den Übergängen eines stationären einzelnen Atoms oder Ions hängt die Linienbreite von der Lebensdauer des oberen Energiezustands ab (genauer gesagt von der Lebensdauer zwischen dem oberen und dem unteren Energiezustand) und wird als natürliche Linienbreite bezeichnet. Die Bewegung (siehe Doppler-Verbreiterung) oder die Wechselwirkung von Atomen oder Ionen kann die Linienbreite verbreitern, beispielsweise eine Druckverbreiterung in Gasen oder Phononenwechselwirkungen in festen Medien. Werden verschiedene Atome oder Ionen unterschiedlich beeinflusst, kann es zu einer ungleichmäßigen Verbreiterung kommen.