레이저의 선폭 정의

레이저, 특히 단일 주파수 레이저의 선폭은 해당 스펙트럼의 폭(일반적으로 최대 절반의 전체 폭, FWHM)을 나타냅니다. 보다 정확하게는 주파수, 파수 또는 파장으로 표현되는 방사 전계 전력 스펙트럼 밀도의 폭입니다. 레이저의 선폭은 시간적 일관성과 밀접한 관련이 있으며 일관성 시간과 일관성 길이로 특징 지어집니다. 위상이 무한한 이동을 겪는 경우 위상 노이즈가 선폭에 영향을 미칩니다. 이는 무료 발진기의 경우입니다. (매우 작은 위상 간격으로 제한된 위상 변동은 선폭이 0이고 일부 노이즈 측파대를 생성합니다.) 공진 공동 길이의 변화도 선폭에 영향을 미치며 측정 시간에 따라 달라집니다. 이는 선폭만으로는 또는 원하는 스펙트럼 모양(선형)만으로는 레이저 스펙트럼에 대한 전체 정보를 제공할 수 없음을 나타냅니다.

II. 레이저 선폭 측정

레이저 선폭을 측정하기 위해 다양한 기술을 사용할 수 있습니다.

1. 선폭이 상대적으로 큰 경우(>10GHz, 여러 레이저 공진 공동에서 여러 모드가 진동하는 경우) 회절 격자를 사용하는 기존 분광계를 사용하여 측정할 수 있습니다. 그러나 이 방법으로는 고주파수 분해능을 얻기가 어렵습니다.

2. 또 다른 방법은 주파수 판별기를 사용하여 주파수 변동을 강도 변동으로 변환하는 것입니다. 판별기는 불균형 간섭계 또는 고정밀 참조 공동일 수 있습니다. 이 측정 방법에는 분해능도 제한되어 있습니다.

3. 단일 주파수 레이저는 일반적으로 오프셋 및 지연 후 레이저 출력과 자체 주파수 사이의 비트를 기록하는 자가 헤테로다인 방법을 사용합니다.

4. 수백 헤르츠의 선폭에 대해 전통적인 자기 헤테로다인 기술은 큰 지연 길이가 필요하기 때문에 비실용적입니다. 순환 광섬유 루프와 내장형 광섬유 증폭기를 사용하여 이 길이를 연장할 수 있습니다.

5. 참조 레이저의 노이즈가 테스트 레이저의 노이즈보다 훨씬 낮거나 성능 사양이 유사한 두 개의 독립적인 레이저의 비트를 기록하면 매우 높은 해상도를 얻을 수 있습니다. 위상 고정 루프 또는 수학적 기록을 기반으로 한 순간 주파수 차이 계산을 사용할 수 있습니다. 이 방법은 매우 간단하고 안정적이지만 다른 레이저(테스트 레이저의 주파수 근처에서 작동)가 필요합니다. 측정된 선폭에 넓은 스펙트럼 범위가 필요한 경우 주파수 빗이 매우 편리합니다.

광 주파수 측정에는 특정 지점에서 특정 주파수(또는 시간) 기준이 필요한 경우가 많습니다. 선폭이 좁은 레이저의 경우 충분히 정확한 참조를 제공하려면 단일 참조 빔만 필요합니다. 셀프 헤테로다인 기술은 테스트 설정 자체에 충분히 긴 시간 지연을 적용하여 주파수 기준을 얻습니다. 이상적으로는 초기 빔과 자체 지연 빔 사이의 시간적 일관성을 피합니다. 따라서 일반적으로 긴 광섬유가 사용됩니다. 그러나 안정적인 변동과 음향 효과로 인해 긴 섬유는 추가적인 위상 잡음을 발생시킵니다.

1/f 주파수 잡음이 있는 경우 선폭만으로는 위상 오류를 완전히 설명할 수 없습니다. 더 나은 접근 방식은 위상 또는 순간 주파수 변동의 푸리에 스펙트럼을 측정한 다음 전력 스펙트럼 밀도를 사용하여 이를 특성화하는 것입니다. 소음 성능 지표를 참조할 수 있습니다. 1/f 노이즈(또는 기타 저주파 노이즈의 노이즈 스펙트럼)는 일부 측정 문제를 일으킬 수 있습니다.

III. 레이저 선폭 최소화

레이저 선폭은 레이저 유형과 직접적인 관련이 있습니다. 레이저 설계를 최적화하고 외부 노이즈 영향을 억제함으로써 최소화할 수 있습니다. 첫 번째 단계는 양자 잡음 또는 클래식 잡음이 지배적인지 여부를 결정하는 것입니다. 이는 후속 측정에 영향을 미치기 때문입니다.

공동 내 전력이 높고 공진 공동 손실이 낮으며 공진 공동 왕복 시간이 길면 레이저의 양자 잡음(주로 자연 방출 잡음)이 작은 영향을 미칩니다. 고전적인 소음은 기계적 변동으로 인해 발생할 수 있으며, 이는 소형의 짧은 레이저 공진기를 사용하여 완화할 수 있습니다. 그러나 길이 변동은 때로는 더 짧은 공진기에서도 더 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 적절한 기계 설계는 레이저 공진기와 외부 방사선 사이의 결합을 줄이고 열 드리프트 효과를 최소화할 수 있습니다. 펌프 전력 변동으로 인해 이득 매체에도 열 변동이 존재합니다. 더 나은 소음 성능을 위해서는 다른 능동 안정화 장치가 필요하지만 초기에는 실용적인 수동 방법이 선호됩니다. 단일 주파수 고체 레이저와 광섬유 레이저의 선폭은 1~2Hz 범위에 있으며 때로는 1kHz 미만인 경우도 있습니다. 능동 안정화 방법은 1kHz 미만의 선폭을 달성할 수 있습니다. 레이저 다이오드의 선폭은 일반적으로 MHz 범위이지만 외부 캐비티 다이오드 레이저, 특히 광학 피드백 및 고정밀 기준 캐비티가 있는 경우에는 kHz로 줄일 수 있습니다.

IV. 좁은 선폭으로 인해 발생하는 문제

어떤 경우에는 레이저 소스의 매우 좁은 빔폭이 필요하지 않습니다.

1. 간섭 길이가 길면 간섭 효과(약한 기생 반사로 인해)가 빔 모양을 왜곡할 수 있습니다. 1. 레이저 프로젝션 디스플레이에서는 반점 효과가 표면 품질을 방해할 수 있습니다.

2. 능동 또는 수동 광섬유에서 빛이 전파될 때 좁은 선폭은 자극 브릴루앙 산란으로 인해 문제를 일으킬 수 있습니다. 이러한 경우에는 전류 변조를 이용하여 레이저 다이오드나 광 변조기의 과도 주파수를 빠르게 디더링하는 등의 방법으로 선폭을 늘릴 필요가 있습니다. 선폭은 광학 전이(예: 레이저 전이 또는 일부 흡수 특성)의 폭을 설명하는 데에도 사용됩니다. 정지한 단일 원자나 이온의 전이에서 선폭은 상위 에너지 상태의 수명(보다 정확하게는 상위 에너지 상태와 하위 에너지 상태 사이의 수명)과 관련이 있으며 자연 선폭이라고 합니다. 원자나 이온의 움직임(도플러 확장 참조)이나 상호 작용은 가스의 압력 확장이나 고체 매질의 포논 상호 작용과 같이 선폭을 넓힐 수 있습니다. 서로 다른 원자나 이온이 다르게 영향을 받으면 불균일한 확장이 발생할 수 있습니다.