Lasers à largeur de ligne étroite

Certaines applications laser nécessitent que le laser ait une largeur de raie très étroite, c'est-à-dire un spectre étroit. Les lasers à largeur de raie étroite font référence aux lasers à fréquence unique, c'est-à-dire qu'il existe un mode de cavité résonante dans la valeur laser et que le bruit de phase est très faible, la pureté spectrale est donc très élevée. Généralement, ces lasers ont un bruit de très faible intensité.

Les types les plus importants de lasers à largeur de raie étroite sont les suivants :

1. Les lasers à semi-conducteurs, les diodes laser à rétroaction distribuée (lasers DFB) et les lasers à réflexion Bragg distribués (lasers DBR) sont les plus couramment utilisés dans la région de 1 500 ou 1 000 nm. Les paramètres de fonctionnement typiques sont une puissance de sortie de plusieurs dizaines de milliwatts (parfois supérieure à 100 milliwatts) et une largeur de raie de plusieurs MHz.

2. Des largeurs de raies plus étroites peuvent être obtenues avec des lasers à semi-conducteurs, par exemple en étendant le résonateur avec une fibre monomode contenant un réseau de Bragg à fibre à bande étroite, ou en utilisant une diode laser à cavité externe. Grâce à cette méthode, une largeur de raie ultra-étroite de plusieurs kHz, voire inférieure à 1 kHz, peut être obtenue.

3. Les petits lasers à fibre à rétroaction distribuée (résonateurs constitués de réseaux de Bragg à fibre spéciaux) peuvent générer des puissances de sortie de plusieurs dizaines de milliwatts avec des largeurs de raie de l'ordre du kHz.

4. Les lasers à corps solide pompés par diode et dotés de résonateurs annulaires non plans peuvent également obtenir une largeur de raie de plusieurs kHz, tandis que la puissance de sortie est relativement élevée, de l'ordre de 1 W. Bien qu'une longueur d'onde typique soit de 1 064 nm, d'autres régions de longueur d'onde telles que 1 300 ou 1 500 nm sont également possibles.

Les principaux facteurs affectant la largeur de raie étroite des lasers

Afin d'obtenir un laser avec une bande passante de rayonnement (largeur de raie) très étroite, les facteurs suivants doivent être pris en compte lors de la conception du laser :

Premièrement, un fonctionnement à fréquence unique doit être réalisé. Ceci est facilement réalisé en utilisant un milieu de gain avec une petite bande passante de gain et une cavité laser courte (ce qui donne lieu à une large plage spectrale libre). L’objectif devrait être un fonctionnement monofréquence stable à long terme sans saut de mode.

Deuxièmement, l’influence du bruit extérieur doit être minimisée. Cela nécessite une configuration de résonateur stable (monochrome) ou une protection spéciale contre les vibrations mécaniques. Les lasers à pompage électrique doivent utiliser des sources de courant ou de tension à faible bruit, tandis que les lasers à pompage optique doivent avoir un bruit de faible intensité comme source de lumière de pompage. De plus, toutes les ondes lumineuses de retour doivent être évitées, par exemple en utilisant des isolateurs de Faraday. En théorie, le bruit externe a moins d'influence que le bruit interne, comme l'émission spontanée dans le milieu à gain. Ceci est facile à réaliser lorsque la fréquence du bruit est élevée, mais lorsque la fréquence du bruit est faible, l'effet sur la largeur de ligne est le plus important.

Troisièmement, la conception du laser doit être optimisée pour minimiser le bruit laser, en particulier le bruit de phase. Une puissance intracavité élevée et des résonateurs longs sont préférés, bien qu'un fonctionnement stable à fréquence unique soit plus difficile à obtenir dans ce cas.

L'optimisation du système nécessite une compréhension de l'importance des différentes sources de bruit, puisque différentes mesures sont nécessaires en fonction de la source de bruit dominante. Par exemple, la largeur de ligne minimisée selon l'équation de Schawlow-Townes ne minimise pas nécessairement la largeur de ligne réelle si la largeur de ligne réelle est déterminée par le bruit mécanique.

Caractéristiques sonores et spécifications de performances.

Les caractéristiques de bruit et les mesures de performances des lasers à largeur de raie étroite sont des problèmes triviaux. Différentes techniques de mesure sont abordées dans l'entrée Linewidth, en particulier les largeurs de raie de quelques kHz ou moins sont exigeantes. De plus, la seule prise en compte de la valeur de la largeur de raie ne peut pas donner toutes les caractéristiques du bruit ; il est nécessaire de donner un spectre complet du bruit de phase, ainsi que des informations sur l'intensité relative du bruit. La valeur de la largeur de raie doit être combinée avec au moins le temps de mesure ou d'autres informations prenant en compte la dérive de fréquence à long terme.

Bien entendu, différentes applications ont des exigences différentes et le niveau d'indice de performance sonore doit être pris en compte dans différentes situations réelles.

Applications des lasers à largeur de raie étroite

1. Une application très importante est dans le domaine de la détection, comme les capteurs à fibre optique de pression ou de température, diverses détections par interféromètre, utilisant différents LIDAR d'absorption pour détecter et suivre le gaz, et utilisant le LIDAR Doppler pour mesurer la vitesse du vent. Certains capteurs à fibre optique nécessitent une largeur de raie laser de plusieurs kHz, alors que dans les mesures LIDAT, une largeur de raie de 100 kHz est suffisante.

2. Les mesures de fréquence optique nécessitent des largeurs de raies de source très étroites, ce qui nécessite des techniques de stabilisation.

3. Les systèmes de communication par fibre optique ont des exigences relativement souples en matière de largeur de ligne et sont principalement utilisés pour les émetteurs ou pour la détection ou la mesure.