좁은 선폭 레이저

일부 레이저 응용 분야에서는 레이저의 선폭, 즉 좁은 스펙트럼이 필요합니다. 좁은 선폭 레이저는 단일 주파수 레이저를 의미합니다. 즉, 레이저 값에 공진 공동 모드가 있고 위상 잡음이 매우 낮으므로 스펙트럼 순도가 매우 높습니다. 일반적으로 이러한 레이저는 노이즈 강도가 매우 낮습니다.

좁은 선폭 레이저의 가장 중요한 유형은 다음과 같습니다.

1. 반도체 레이저, 분산 피드백 레이저 다이오드(DFB 레이저) 및 분산 브래그 반사 레이저(DBR 레이저)는 1500 또는 1000nm 영역에서 가장 일반적으로 사용됩니다. 일반적인 작동 매개변수는 수십 밀리와트(때때로 100밀리와트 이상)의 출력 전력과 수 MHz의 선폭입니다.

2. 예를 들어 협대역 광섬유 브래그 격자를 포함하는 단일 모드 광섬유로 공진기를 확장하거나 외부 공동 다이오드 레이저를 사용하여 반도체 레이저를 사용하면 더 좁은 선폭을 얻을 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 수 kHz 또는 심지어 1kHz 미만의 매우 좁은 선폭을 달성할 수 있습니다.

3. 소형 분산 피드백 광섬유 레이저(특수 광섬유 브래그 격자로 제작된 공진기)는 kHz 범위의 선폭으로 수십 밀리와트의 출력을 생성할 수 있습니다.

4. 비평면 링 공진기를 갖춘 다이오드 펌프 고체 본체 레이저는 수 kHz의 선폭을 얻을 수 있으며 출력 전력은 1W 정도로 상대적으로 높습니다. 일반적인 파장은 1064nm이지만 1300nm 또는 1500nm와 같은 다른 파장 영역도 가능합니다.

레이저의 좁은 선폭에 영향을 미치는 주요 요인

매우 좁은 방사 대역폭(선폭)을 갖는 레이저를 얻으려면 레이저 설계에서 다음 요소를 고려해야 합니다.

첫째, 단일 주파수 작동이 달성되어야 합니다. 이는 이득 대역폭이 작고 레이저 공동이 짧은 이득 매질(자유 스펙트럼 범위가 넓어짐)을 사용하면 쉽게 달성할 수 있습니다. 목표는 모드 호핑 없이 장기적으로 안정적인 단일 주파수 작동을 구현하는 것입니다.

둘째, 외부 노이즈의 영향을 최소화해야 한다. 이를 위해서는 안정적인 공진기 설정(단색) 또는 기계적 진동에 대한 특별한 보호가 필요합니다. 전기적으로 펌핑되는 레이저는 저잡음 전류 또는 전압 소스를 사용해야 하는 반면, 광학적으로 펌핑되는 레이저는 펌프 광원으로 낮은 강도의 노이즈를 가져야 합니다. 또한 패러데이 아이솔레이터 등을 사용하여 모든 피드백 광파를 피해야 합니다. 이론적으로 외부 잡음은 이득 매질의 자연 방출과 같은 내부 잡음보다 영향력이 적습니다. 이는 노이즈 주파수가 높을 때 달성하기 쉽지만, 노이즈 주파수가 낮을 때는 선폭에 대한 영향이 가장 중요합니다.

셋째, 레이저 잡음, 특히 위상 잡음을 최소화하도록 레이저 설계를 최적화해야 합니다. 높은 공동 내 전력과 긴 공진기가 선호되지만 이 경우 안정적인 단일 주파수 작동을 달성하기가 더 어렵습니다.

지배적인 소음원에 따라 서로 다른 측정이 필요하므로 시스템 최적화를 위해서는 다양한 소음원의 중요성을 이해해야 합니다. 예를 들어, Schawlow-Townes 방정식에 따라 최소화된 선폭은 실제 선폭이 기계적 노이즈에 의해 결정되는 경우 반드시 실제 선폭을 최소화하지는 않습니다.

소음 특성 및 성능 사양.

좁은 선폭 레이저의 소음 특성과 성능 지표는 모두 사소한 문제입니다. 다양한 측정 기술은 선폭 항목에서 논의되며, 특히 몇 kHz 이하의 선폭이 요구됩니다. 또한 선폭 값만 고려한다고 해서 모든 노이즈 특성을 얻을 수는 없습니다. 완전한 위상 잡음 스펙트럼과 상대적 강도 잡음 정보를 제공해야 합니다. 선폭 값은 최소한 측정 시간 또는 장기 주파수 드리프트를 고려한 기타 정보와 결합되어야 합니다.

물론 애플리케이션마다 요구 사항이 다르며 실제 상황에 따라 소음 성능 지수 수준을 고려해야 합니다.

좁은 선폭 레이저의 응용

1. 매우 중요한 응용 분야는 압력 또는 온도 광섬유 센서, 다양한 간섭계 감지, 다양한 흡수 LIDAR를 사용하여 가스를 감지 및 추적하고 도플러 LIDAR를 사용하여 풍속 측정과 같은 감지 분야에 있습니다. 일부 광섬유 센서에는 수 kHz의 레이저 선폭이 필요한 반면, LIDAT 측정에서는 100kHz 선폭이면 충분합니다.

2. 광 주파수 측정에는 매우 좁은 소스 선폭이 필요하며 이를 달성하려면 안정화 기술이 필요합니다.

3. 광섬유 통신 시스템은 선폭에 대한 요구 사항이 상대적으로 느슨하며 주로 송신기 또는 감지 또는 측정에 사용됩니다.