Спектральные свойства компактных непрерывных (CW) лазеров

НОЯ222017

Спектральные свойства компактных непрерывных (CW) лазеров

В зависимости от спектральных характеристик непрерывные CW лазеры классифицируются как имеющие несколько продольных мод или одну продольную моду (SLM) (т.е. одночастотные лазеры). В зависимости от длины резонатора, используемых фильтров и прочих параметров, как диодные, так и DPSS лазеры могут обладать SLM или не SLM спектральными характеристиками.

В случае одночастотного режима работы полная спектральная ширина линии лазерного излучения находится в пикометровом или даже в фемтометровом диапазоне и часто выражается в ГГц вместо пм. Другим важным параметром SLM лазеров является SMSR – коэффициент подавления боковых мод. Данный параметр показывает, какое количество других продольных мод подавляется по отношению к главной усиливаемой моде. В любом случае, остальные боковые моды излучаются в виде спонтанного излучения или усиления света, совершившего всего несколько проходов в резонаторе. Значение SMSR около 50 дБ рассматривается как пригодное для SLM диодных лазеров.

Рис. 1. Спектр одночастотного лазера с длиной волны 405 нм, измеренный с помощью анализатора YOKOGAWA AQ6373. Реальная ширина линии на самом деле еще меньше, поскольку точность измерений ограничена разрешением анализатора в 10 пм (измерено в логарифмическом масштабе; SMSR ≈ 49 дБ).

Рис. 2. Спектр не одночастотного лазера с длиной волны 405 нм (коллимированное излучение лазерного диода), измеренный с помощью анализатора YOKOGAWA AQ6373. Данный спектр содержит сотни продольных мод, разнесенных примерно на 30 пм друг от друга. Общая ширина линии составляет около 0.46 нм.

Современные и высокоточные применения, такие как рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния), часто требуют от лазеров значение коэффициента SMSR больше, чем 50 или даже наличие очищенной спектральной линии. Для достижения таких параметров могут использоваться различные технологии; наиболее простой является установка специального очищающего фильтра с интерференционным покрытием. Данные фильтры находятся в широком доступе у большинства производителей оптических компонентов. Ниже представлены спектры лазера 405L-21A компании Integrated Optics с таким и без такого фильтра.

Рис. 3. Спектр одночастотного лазера 405L-21A без очищающего фильтра, SMSR ≈ 52 дБ

Рис. 4. Спектр одночастотного лазера 405L-21A с очищающим фильтром. Значение SMSR увеличилось до 66 дБ или даже больше (ограничение связано с динамическим диапазоном анализатора).

Методы достижения SLM режима работы в диодных лазерах

Существует несколько методов достижения SLM режима работы в диодных лазерах. Большинство из них основано на использовании структур для периодической модуляции показателя преломления. Таким образом, создаются брэгговские зеркала, которые отражают часть излучения обратно в резонатор; при этом отраженное излучение характеризуется очень узкой спектральной шириной линии.

Наиболее популярными элементами являются FBG (волоконные брэгговские решетки), VBG (объемные брэгговские решетки), DBR (распределенные брэгговские отражатели) и другие, включающие в себя использование отражательных или трансмиссионных решеток в популярных конфигурациях Литтроу или Литтман. Большинство из этих элементов, кроме DBR, можно объединить под одним термином – ECDL: диодные лазеры с внешним резонатором. Компания Integrated Optics преимущественно предлагает SLM диодные лазеры на основе VBG.

Данный выбор связан со многими причинами. Во-первых, данная структура позволяет изготавливать SLM лазеры на основе доступных и удобных лазерных диодов в широком диапазоне длин волн, в отличие от тех же DFB лазеров (с распределенной обратной связью). Во-вторых, удобный дизайн позволяет сэкономить место и такие лазеры могут быть помещены в очень маленький корпус, что, например, невозможно для DBR лазеров, использующих голографические отражающие решетки. Комбинация компактной и высокоточной электроники, запатентованная технология микросборки и использование VBG диодов позволяет нам создавать самые компактные SLM лазеры в данной отрасли.

Стабильность длины волны SLM диодных лазеров

Одночастотные лазеры часто используются в задачах, требующих большой длины когерентности (голография). Более популярной задачей является рамановская спектроскопия. Узкая спектральная ширина линии и стабильность центральной длины волны являются важными характеристиками таких лазеров. Например, одночастотные стабилизированный VBG лазеры обычно имеют стабильность центральной длины волны менее 10 пм при постоянном значении выходной мощности.

Стабильность длины волны – это параметр, который сильно зависит от дизайна лазера: имеет ли он температурную стабилизацию, каковы шумы электроники, какова устойчивость к внешним условиям (перепады температуры или механические напряжения) и т.п. SLM лазеры компании Integrated Optics имеют стабильность центральной длины волны менее 10 пм в диапазоне температур 15 – 35°C.

Рис. 5. Стабильность длины волны SLM лазера модели 785L-21

Ограничения SLM лазеров

Ограничение диапазона перестройки выходной мощности: При использовании концепта ECDL на лазерный диод обратно попадает часть излучения с очень узкой спектральной шириной линии. Для того чтобы стабилизировать лазер на нужной длине волны, начальный спектр диода также должен содержать часть излучения на той же длине волны, иначе в системе не будет достаточно полезного излучения для отражения.

Широко известно, что за счет изменения температуры или выходной мощности можно изменить центральную длину волны лазерного диода. Изменение любого из этих параметров приведет к изменению фактической температуры излучающей области лазерного диода, которая эффективно изменяет длину волны. Это так называемая температурная перестройка длины волны. Чем холоднее излучатель, тем короче длина волны и наоборот. Здесь появляется ограничение в изменении выходной мощности для SLM диодных лазеров – как только мощность уменьшилась или увеличилась, естественная центральная длина волны лазерного диода смещается к синей или красной области спектра соответственно. Как только естественный спектр испускания недостаточно перекрывает необходимую длину волны стабилизации, синхронизация теряется и диод больше не может быть стабилизирован. Это означает, что диапазон перестройки выходной мощности таких лазеров зачастую очень узкий и зависит от каждого конкретного случая, который определяется как начальная точка равновесия – если необходимая длина волны совпадает с естественным спектром лазерного диода при нормальной температуре, например, 25°C.

Такой пример представлен на рисунке 5. Данный лазер обладает довольно хорошим перекрытием отражаемой длины волны в VBG с естественным спектром излучения лазерного диода, что сделало возможным осуществлять перестройку в диапазоне 20 – 120 мВт без потери SLM режима работы. Однако с другой стороны, когда выходная мощность меняется, стабильность центральной длины волны гораздо хуже 10 пм.

Ограничение включения/выключения модуляции: Как было описано выше, SLM лазеры чувствительны к изменению температуры в области излучения. В случаях, когда лазер модулируется в режиме «включение/выключение», уменьшается как средняя выходная мощность, так и температура излучателя. Это приводит к смещению длины волны – что похоже на ситуацию, когда просто изменяется выходная мощность лазера. Если естественный спектр лазерного диода смещается слишком сильно, то SLM режим работы больше не наблюдается.

Непрерывные CW лазеры Integrated Optics