Laser Lebar Garis Sempit

Beberapa aplikasi laser mengharuskan laser memiliki lebar garis yang sangat sempit, yaitu spektrum yang sempit. Laser lebar garis sempit mengacu pada laser frekuensi tunggal, yaitu terdapat mode rongga resonansi dalam nilai laser, dan kebisingan fase sangat rendah, sehingga kemurnian spektral sangat tinggi. Biasanya laser semacam itu memiliki intensitas kebisingan yang sangat rendah.

Jenis laser lebar garis sempit yang paling penting adalah sebagai berikut:

1. Laser semikonduktor, dioda laser umpan balik terdistribusi (laser DFB) dan laser refleksi Bragg terdistribusi (laser DBR), paling umum digunakan di wilayah 1500 atau 1000nm. Parameter pengoperasian yang umum adalah daya keluaran puluhan miliwatt (terkadang lebih besar dari 100 miliwatt) dan lebar saluran beberapa MHz.

2. Lebar garis yang lebih sempit dapat diperoleh dengan laser semikonduktor, misalnya dengan memperluas resonator dengan serat mode tunggal yang mengandung kisi Bragg serat pita sempit, atau dengan menggunakan laser dioda rongga eksternal. Dengan menggunakan metode ini, linewidth ultra-sempit beberapa kHz atau bahkan kurang dari 1kHz dapat dicapai.

3. Laser serat umpan balik terdistribusi kecil (resonator yang terbuat dari kisi-kisi serat Bragg khusus) dapat menghasilkan daya keluaran puluhan miliwatt dengan lebar garis dalam kisaran kHz.

4. Laser benda padat yang dipompa dioda dengan resonator cincin non-planar juga dapat memperoleh lebar saluran beberapa kHz, sedangkan daya keluarannya relatif tinggi, sekitar 1W. Meskipun panjang gelombang umumnya adalah 1064nm, daerah panjang gelombang lain seperti 1300 atau 1500nm juga dimungkinkan.

Faktor utama yang mempengaruhi lebar garis sempit laser

Untuk mencapai laser dengan bandwidth radiasi (linewidth) yang sangat sempit, faktor-faktor berikut perlu dipertimbangkan dalam desain laser:

Pertama, operasi frekuensi tunggal perlu dicapai. Hal ini mudah dicapai dengan menggunakan media penguatan dengan bandwidth penguatan kecil dan rongga laser pendek (menghasilkan rentang spektral bebas yang besar). Tujuannya adalah operasi frekuensi tunggal yang stabil dalam jangka panjang tanpa mode hopping.

Kedua, pengaruh kebisingan eksternal perlu diminimalkan. Hal ini memerlukan pengaturan resonator yang stabil (monokrom), atau perlindungan khusus terhadap getaran mekanis. Laser yang dipompa secara elektrik perlu menggunakan sumber arus atau tegangan dengan kebisingan rendah, sedangkan laser yang dipompa secara optik harus memiliki kebisingan intensitas rendah sebagai sumber cahaya pompa. Selain itu, semua gelombang cahaya umpan balik perlu dihindari, misalnya dengan menggunakan isolator Faraday. Secara teori, kebisingan eksternal memiliki pengaruh yang lebih kecil dibandingkan kebisingan internal, seperti emisi spontan dalam media penguatan. Hal ini mudah dicapai ketika frekuensi kebisingan tinggi, namun ketika frekuensi kebisingan rendah, efek pada lebar saluran adalah yang paling penting.

Ketiga, desain laser perlu dioptimalkan untuk meminimalkan noise laser, terutama noise fase. Daya dalam rongga yang tinggi dan resonator yang panjang lebih disukai, meskipun pengoperasian frekuensi tunggal yang stabil lebih sulit dicapai dalam kasus ini.

Optimalisasi sistem memerlukan pemahaman tentang pentingnya sumber kebisingan yang berbeda, karena diperlukan pengukuran yang berbeda tergantung pada sumber kebisingan yang dominan. Misalnya, lebar garis yang diminimalkan menurut persamaan Schawlow-Townes tidak serta merta meminimalkan lebar garis sebenarnya jika lebar garis sebenarnya ditentukan oleh gangguan mekanis.

Karakteristik Kebisingan dan Spesifikasi Kinerja.

Karakteristik kebisingan dan metrik kinerja laser dengan lebar garis sempit merupakan masalah sepele. Teknik pengukuran yang berbeda dibahas dalam entri Linewidth, terutama linewidth beberapa kHz atau kurang yang menuntut. Selain itu, hanya dengan mempertimbangkan nilai linewidth tidak dapat memberikan semua karakteristik kebisingan; perlu untuk memberikan spektrum kebisingan fase lengkap, serta informasi intensitas kebisingan relatif. Nilai linewidth perlu dikombinasikan dengan setidaknya waktu pengukuran, atau informasi lain yang memperhitungkan penyimpangan frekuensi jangka panjang.

Tentu saja, aplikasi yang berbeda memiliki persyaratan yang berbeda, dan tingkat indeks kinerja kebisingan apa yang perlu dipertimbangkan dalam situasi aktual yang berbeda.

Penerapan Laser Linewidth Sempit

1. Aplikasi yang sangat penting adalah dalam bidang penginderaan, seperti sensor serat optik tekanan atau suhu, berbagai penginderaan interferometer, penggunaan LIDAR serapan yang berbeda untuk mendeteksi dan melacak gas, dan penggunaan LIDAR Doppler untuk mengukur kecepatan angin. Beberapa sensor serat optik memerlukan lebar garis laser beberapa kHz, sedangkan dalam pengukuran LIDAT, lebar garis 100kHz sudah cukup.

2. Pengukuran frekuensi optik memerlukan lebar saluran sumber yang sangat sempit, sehingga memerlukan teknik stabilisasi untuk mencapainya.

3. Sistem komunikasi serat optik memiliki persyaratan yang relatif longgar pada lebar saluran, dan terutama digunakan untuk pemancar atau untuk deteksi atau pengukuran.