Definisi Linewidth dalam Laser

Lebar garis laser, terutama laser frekuensi tunggal, mengacu pada lebar spektrumnya (biasanya lebar penuh setengah maksimum, FWHM). Lebih tepatnya, ini adalah lebar kerapatan spektral daya medan listrik yang dipancarkan, dinyatakan dalam frekuensi, bilangan gelombang, atau panjang gelombang. Lebar garis laser berkaitan erat dengan koherensi temporal dan dicirikan oleh waktu koherensi dan panjang koherensi. Jika fasa mengalami pergeseran tanpa batas, gangguan fasa berkontribusi terhadap lebar garis; ini adalah kasus dengan osilator bebas. (Fluktuasi fase yang terbatas pada interval fase yang sangat kecil menghasilkan lebar garis nol dan beberapa pita samping derau.) Pergeseran panjang rongga resonansi juga berkontribusi terhadap lebar garis dan membuatnya bergantung pada waktu pengukuran. Hal ini menunjukkan bahwa lebar garis saja, atau bahkan bentuk spektral yang diinginkan (bentuk garis), tidak dapat memberikan informasi lengkap tentang spektrum laser.

II. Pengukuran Lebar Garis Laser

Banyak teknik yang dapat digunakan untuk mengukur lebar garis laser:

1. Ketika lebar garis relatif besar (>10 GHz, ketika beberapa mode berosilasi di beberapa rongga resonansi laser), lebar garis tersebut dapat diukur menggunakan spektrometer tradisional yang menggunakan kisi difraksi. Namun, sulit untuk mendapatkan resolusi frekuensi tinggi dengan menggunakan metode ini.

2. Cara lain adalah dengan menggunakan diskriminator frekuensi untuk mengubah fluktuasi frekuensi menjadi fluktuasi intensitas. Diskriminator dapat berupa interferometer yang tidak seimbang atau rongga referensi dengan presisi tinggi. Metode pengukuran ini juga memiliki resolusi terbatas.

3. Laser frekuensi tunggal biasanya menggunakan metode self-heterodyne, yang mencatat detak antara keluaran laser dan frekuensinya sendiri setelah offset dan penundaan.

4. Untuk lebar garis beberapa ratus hertz, teknik self-heterodyne tradisional tidak praktis karena memerlukan panjang penundaan yang besar. Lingkaran serat siklik dan penguat serat internal dapat digunakan untuk memperpanjang panjang ini.

5. Resolusi sangat tinggi dapat dicapai dengan merekam detak dua laser independen, yang kebisingan laser referensinya jauh lebih rendah dibandingkan laser uji, atau spesifikasi kinerjanya serupa. Loop fase-terkunci atau perhitungan perbedaan frekuensi sesaat berdasarkan catatan matematika dapat digunakan. Metode ini sangat sederhana dan stabil, namun memerlukan laser lain (beroperasi di dekat frekuensi laser uji). Jika lebar garis yang diukur memerlukan rentang spektral yang lebar, sisir frekuensi sangat mudah digunakan.

Pengukuran frekuensi optik seringkali memerlukan referensi frekuensi (atau waktu) tertentu di beberapa titik. Untuk laser dengan lebar garis sempit, hanya diperlukan satu berkas referensi untuk memberikan referensi yang cukup akurat. Teknik self-heterodyne mendapatkan referensi frekuensi dengan menerapkan waktu tunda yang cukup lama pada pengaturan pengujian itu sendiri, idealnya menghindari koherensi temporal antara berkas awal dan berkas tundanya sendiri. Oleh karena itu, serat optik panjang biasanya digunakan. Namun, karena fluktuasi yang stabil dan efek akustik, serat panjang menimbulkan kebisingan fase tambahan.

Ketika terdapat gangguan frekuensi 1/f, lebar garis saja tidak dapat sepenuhnya menggambarkan kesalahan fasa. Pendekatan yang lebih baik adalah dengan mengukur spektrum Fourier dari fase atau fluktuasi frekuensi sesaat dan kemudian mengkarakterisasinya menggunakan kerapatan spektral daya; indikator kinerja kebisingan dapat dirujuk. Kebisingan 1/f (atau spektrum kebisingan dari kebisingan frekuensi rendah lainnya) dapat menyebabkan beberapa masalah pengukuran.

AKU AKU AKU. Meminimalkan Lebar Garis Laser

Lebar garis laser berhubungan langsung dengan jenis laser. Hal ini dapat diminimalkan dengan mengoptimalkan desain laser dan menekan pengaruh kebisingan eksternal. Langkah pertama adalah menentukan apakah derau kuantum atau derau klasik yang dominan, karena hal ini akan memengaruhi pengukuran selanjutnya.

Ketika daya intracavity tinggi, kehilangan rongga resonansi rendah, dan waktu perjalanan bolak-balik rongga resonansi panjang, kebisingan kuantum (terutama kebisingan emisi spontan) dari laser memiliki dampak yang kecil. Kebisingan klasik dapat disebabkan oleh fluktuasi mekanis, yang dapat dikurangi dengan menggunakan resonator laser pendek dan ringkas. Namun, fluktuasi panjang terkadang memiliki efek yang lebih kuat bahkan pada resonator yang lebih pendek. Desain mekanis yang tepat dapat mengurangi sambungan antara resonator laser dan radiasi eksternal, dan juga meminimalkan efek penyimpangan termal. Fluktuasi termal juga terjadi pada media penguatan, yang disebabkan oleh fluktuasi daya pompa. Untuk kinerja kebisingan yang lebih baik, diperlukan perangkat stabilisasi aktif lainnya, tetapi pada awalnya, metode pasif praktis lebih disukai. Lebar garis laser solid-state frekuensi tunggal dan laser serat berada dalam kisaran 1-2 Hz, terkadang bahkan di bawah 1 kHz. Metode stabilisasi aktif dapat mencapai lebar garis di bawah 1 kHz. Lebar garis dioda laser biasanya dalam rentang MHz, tetapi dapat dikurangi menjadi kHz, misalnya, pada laser dioda rongga eksternal, terutama yang memiliki umpan balik optik dan rongga referensi presisi tinggi.

IV. Masalah yang Timbul dari Linewidth yang Sempit

Dalam beberapa kasus, beamwidth yang sangat sempit dari sumber laser tidak diperlukan:

1. Jika panjang koherensinya panjang, efek koherensi (akibat refleksi parasit yang lemah) dapat merusak bentuk berkas. 1. Pada tampilan proyeksi laser, efek bintik dapat mengganggu kualitas permukaan.

2. Ketika cahaya merambat dalam serat optik aktif atau pasif, lebar garis yang sempit dapat menyebabkan masalah karena hamburan Brillouin terstimulasi. Dalam kasus seperti itu, perlu untuk meningkatkan lebar garis, misalnya, dengan secara cepat mengubah frekuensi transien dioda laser atau modulator optik menggunakan modulasi arus. Linewidth juga digunakan untuk menggambarkan lebar transisi optik (misalnya transisi laser atau beberapa karakteristik penyerapan). Dalam transisi atom atau ion tunggal yang diam, lebar garis berhubungan dengan masa hidup keadaan energi atas (lebih tepatnya, masa hidup antara keadaan energi atas dan bawah), dan disebut lebar garis alami. Gerakan (lihat perluasan Doppler) atau interaksi atom atau ion dapat memperluas lebar garis, seperti perluasan tekanan dalam gas atau interaksi fonon dalam media padat. Jika atom atau ion yang berbeda dipengaruhi secara berbeda, pelebaran yang tidak seragam dapat terjadi.