Linijos pločio apibrėžimas lazeriuose

Lazerio, ypač vieno dažnio lazerio, linijos plotis reiškia jo spektro plotį (paprastai viso pločio ne daugiau kaip pusė, FWHM). Tiksliau, tai yra spinduliuojamo elektrinio lauko galios spektrinio tankio plotis, išreiškiamas dažniu, bangos skaičiumi arba bangos ilgiu. Lazerio linijos plotis yra glaudžiai susijęs su laiko darna ir jam būdingas koherencijos laikas ir koherencijos ilgis. Jei fazėje vyksta neribotas poslinkis, fazinis triukšmas prisideda prie linijos pločio; taip yra su laisvaisiais generatoriais. (Dėl fazių svyravimų, apribotų labai mažu fazių intervalu, linijos plotis nulinis ir kai kurios triukšmo šoninės juostos.) Rezonansinės ertmės ilgio poslinkiai taip pat prisideda prie linijos pločio ir daro jį priklausomą nuo matavimo laiko. Tai rodo, kad vien linijos plotis ar net pageidaujama spektrinė forma (linijos forma) negali pateikti visos informacijos apie lazerio spektrą.

II. Linijos pločio matavimas lazeriu

Matuojant lazerio linijos plotį galima naudoti daugybę metodų:

1. Kai linijos plotis yra santykinai didelis (>10 GHz, kai keli režimai svyruoja keliose lazerio rezonansinėse ertmėse), jį galima išmatuoti naudojant tradicinį spektrometrą, kuriame naudojama difrakcijos gardelė. Tačiau naudojant šį metodą sunku gauti aukšto dažnio skiriamąją gebą.

2. Kitas būdas yra dažnio diskriminatoriaus naudojimas dažnio svyravimams paversti intensyvumo svyravimais. Diskriminatorius gali būti nesubalansuotas interferometras arba didelio tikslumo atskaitos ertmė. Šis matavimo metodas taip pat turi ribotą skiriamąją gebą.

3. Vieno dažnio lazeriuose paprastai naudojamas savaiminio heterodino metodas, kuris įrašo ritmą tarp lazerio išėjimo ir jo paties dažnio po poslinkio ir uždelsimo.

4. Kelių šimtų hercų linijos pločiams tradiciniai savaiminio heterodino metodai yra nepraktiški, nes jiems reikalingas didelis delsos ilgis. Šiam ilgiui pratęsti galima naudoti ciklinę skaidulų kilpą ir įmontuotą skaidulų stiprintuvą.

5. Labai didelę skiriamąją gebą galima pasiekti registruojant dviejų nepriklausomų lazerių dūžius, kai etaloninio lazerio triukšmas yra daug mažesnis nei bandomojo lazerio arba jų veikimo specifikacijos yra panašios. Galima naudoti fazės užrakto kilpą arba momentinio dažnių skirtumo skaičiavimą, pagrįstą matematiniais įrašais. Šis metodas yra labai paprastas ir stabilus, tačiau jam reikalingas kitas lazeris (veikiantis šalia bandomojo lazerio dažnio). Jei išmatuotas linijos plotis reikalauja plataus spektro diapazono, dažnio šukos yra labai patogios.

Atliekant optinio dažnio matavimus tam tikru momentu dažnai reikia tam tikro dažnio (arba laiko) atskaitos. Siauros linijos pločio lazeriams reikia tik vieno atskaitos pluošto, kad būtų pakankamai tiksli atskaita. Savarankiškai heterodino metodai gauna dažnio atskaitą, taikant pakankamai ilgą laiko delsą pačiai bandymo sąrankai, idealiu atveju išvengiant laikinės darnos tarp pradinio pluošto ir jo paties atidėto pluošto. Todėl paprastai naudojami ilgi optiniai pluoštai. Tačiau dėl stabilių svyravimų ir akustinių efektų ilgi pluoštai sukelia papildomą fazinį triukšmą.

Kai yra 1/f dažnio triukšmas, vien linijos plotis negali visiškai apibūdinti fazės paklaidos. Geresnis būdas yra išmatuoti Furjė fazės arba momentinių dažnio svyravimų spektrą ir apibūdinti jį naudojant galios spektrinį tankį; galima nurodyti triukšmo efektyvumo rodiklius. 1/f triukšmas (arba kito žemo dažnio triukšmo spektras) gali sukelti tam tikrų matavimo problemų.

III. Lazerio linijos plotio sumažinimas

Lazerio linijos plotis yra tiesiogiai susijęs su lazerio tipu. Jį galima sumažinti optimizuojant lazerio dizainą ir slopinant išorinį triukšmo poveikį. Pirmiausia reikia nustatyti, ar dominuoja kvantinis ar klasikinis triukšmas, nes tai turės įtakos tolesniems matavimams.

Kai vidinės ertmės galia yra didelė, rezonansinės ertmės nuostoliai yra maži, o rezonansinės ertmės kelionės pirmyn ir atgal laikas yra ilgas, lazerio kvantinis triukšmas (daugiausia spontaninės emisijos triukšmas) turi nedidelį poveikį. Klasikinį triukšmą gali sukelti mechaniniai svyravimai, kuriuos galima sumažinti naudojant kompaktišką trumpą lazerinį rezonatorių. Tačiau ilgio svyravimai kartais gali turėti stipresnį poveikį net trumpesniuose rezonatoriuose. Tinkama mechaninė konstrukcija gali sumažinti ryšį tarp lazerio rezonatoriaus ir išorinės spinduliuotės, taip pat sumažinti šiluminio dreifo poveikį. Šilumos svyravimai taip pat egzistuoja stiprinimo terpėje, kurią sukelia siurblio galios svyravimai. Siekiant geresnio triukšmo, reikalingi kiti aktyvūs stabilizavimo įtaisai, tačiau iš pradžių pirmenybė teikiama praktiškiems pasyviems metodams. Viendažnių kietojo kūno lazerių ir skaidulinių lazerių linijų plotis yra 1–2 Hz diapazone, kartais net mažesnis nei 1 kHz. Aktyvaus stabilizavimo metodais galima pasiekti mažesnius nei 1 kHz linijos plotius. Lazerinių diodų linijos plotis paprastai yra MHz diapazone, tačiau gali būti sumažintas iki kHz, pavyzdžiui, išorinių ertmių diodų lazeriuose, ypač tuose, kuriuose yra optinis grįžtamasis ryšys ir didelio tikslumo atskaitos ertmės.

IV. Problemos, kylančios dėl siaurų linijų pločių

Kai kuriais atvejais labai siauras lazerio šaltinio spindulio plotis nėra būtinas:

1. Kai koherencijos ilgis yra ilgas, koherencijos efektai (dėl silpnų parazitinių atspindžių) gali iškreipti pluošto formą. 1. Lazerinės projekcijos ekranuose taškelių efektai gali trikdyti paviršiaus kokybę.

2. Kai šviesa sklinda aktyviose arba pasyviose optinėse skaidulose, siauri linijų plotiai gali sukelti problemų dėl stimuliuojamos Brillouin sklaidos. Tokiais atvejais būtina padidinti linijos plotį, pavyzdžiui, greitai keičiant lazerinio diodo arba optinio moduliatoriaus pereinamąjį dažnį naudojant srovės moduliaciją. Linijos plotis taip pat naudojamas apibūdinti optinių perėjimų plotį (pvz., lazerinius perėjimus ar kai kurias sugerties charakteristikas). Nejudančio vieno atomo ar jono perėjimuose linijos plotis yra susijęs su viršutinės energijos būsenos gyvavimo trukme (tiksliau – gyvenimo trukme tarp viršutinės ir apatinės energijos būsenų) ir vadinamas natūraliu linijos plotiu. Atomų ar jonų judėjimas (žr. Doplerio išplėtimą) arba sąveika gali išplėsti linijos plotį, pvz., slėgio padidėjimas dujose arba fononų sąveika kietoje terpėje. Jei skirtingi atomai ar jonai paveikiami skirtingai, gali atsirasti nevienodas išsiplėtimas.