Définition de la largeur de ligne dans les lasers

La largeur de raie d'un laser, en particulier d'un laser monofréquence, fait référence à la largeur de son spectre (généralement pleine largeur à mi-hauteur, FWHM). Plus précisément, il s'agit de la largeur de la densité spectrale de puissance du champ électrique rayonné, exprimée en termes de fréquence, de nombre d'onde ou de longueur d'onde. La largeur de raie d'un laser est étroitement liée à la cohérence temporelle et est caractérisée par le temps de cohérence et la longueur de cohérence. Si la phase subit un décalage illimité, le bruit de phase contribue à la largeur de raie ; c'est le cas des oscillateurs libres. (Les fluctuations de phase confinées à un très petit intervalle de phase produisent une largeur de raie nulle et des bandes latérales de bruit.) Les changements de longueur de la cavité résonante contribuent également à la largeur de raie et la rendent dépendante du temps de mesure. Cela indique que la largeur de raie seule, ou même une forme spectrale souhaitable (forme de raie), ne peut pas fournir des informations complètes sur le spectre laser.

II. Mesure de largeur de ligne laser

De nombreuses techniques peuvent être utilisées pour mesurer la largeur de raie laser :

1. Lorsque la largeur de raie est relativement grande (> 10 GHz, lorsque plusieurs modes oscillent dans plusieurs cavités résonantes laser), elle peut être mesurée à l'aide d'un spectromètre traditionnel employant un réseau de diffraction. Cependant, il est difficile d’obtenir une résolution haute fréquence avec cette méthode.

2. Une autre méthode consiste à utiliser un discriminateur de fréquence pour convertir les fluctuations de fréquence en fluctuations d'intensité. Le discriminateur peut être un interféromètre déséquilibré ou une cavité de référence de haute précision. Cette méthode de mesure a également une résolution limitée.

3. Les lasers monofréquence utilisent généralement une méthode auto-hétérodyne, qui enregistre le battement entre la sortie laser et sa propre fréquence après décalage et retard.

4. Pour des largeurs de raie de plusieurs centaines de hertz, les techniques auto-hétérodynes traditionnelles ne sont pas pratiques car elles nécessitent une longueur de retard importante. Une boucle de fibre cyclique et un amplificateur de fibre intégré peuvent être utilisés pour étendre cette longueur.

5. Une très haute résolution peut être obtenue en enregistrant les battements de deux lasers indépendants, où le bruit du laser de référence est bien inférieur à celui du laser de test, ou où leurs spécifications de performances sont similaires. Une boucle à verrouillage de phase ou un calcul de la différence de fréquence instantanée basé sur des enregistrements mathématiques peut être utilisé. Cette méthode est très simple et stable, mais nécessite un autre laser (fonctionnant à proximité de la fréquence du laser de test). Si la largeur de raie mesurée nécessite une large plage spectrale, un peigne de fréquence est très pratique.

Les mesures de fréquence optique nécessitent souvent une référence de fréquence (ou de temps) spécifique à un moment donné. Pour les lasers à largeur de raie étroite, un seul faisceau de référence est nécessaire pour fournir une référence suffisamment précise. Les techniques auto-hétérodynes obtiennent une référence de fréquence en appliquant un retard suffisamment long à la configuration de test elle-même, évitant idéalement la cohérence temporelle entre le faisceau initial et son propre faisceau retardé. C’est pourquoi des fibres optiques longues sont généralement utilisées. Cependant, en raison des fluctuations stables et des effets acoustiques, les fibres longues introduisent un bruit de phase supplémentaire.

Lorsqu'un bruit de fréquence 1/f est présent, la largeur de raie à elle seule ne peut pas décrire complètement l'erreur de phase. Une meilleure approche consiste à mesurer le spectre de Fourier des fluctuations de phase ou de fréquence instantanées, puis à le caractériser à l'aide de la densité spectrale de puissance ; des indicateurs de performance sonore peuvent être référencés. Le bruit 1/f (ou le spectre de bruit d'un autre bruit basse fréquence) peut entraîner certains problèmes de mesure.

III. Minimiser la largeur de ligne du laser

4. Pour des largeurs de raie de plusieurs centaines de hertz, les techniques auto-hétérodynes traditionnelles ne sont pas pratiques car elles nécessitent une longueur de retard importante. Une boucle de fibre cyclique et un amplificateur de fibre intégré peuvent être utilisés pour étendre cette longueur.

Lorsque la puissance intracavité est élevée, la perte dans la cavité résonante est faible et le temps d'aller-retour dans la cavité résonante est long, le bruit quantique (principalement le bruit d'émission spontanée) du laser a un faible impact. Le bruit classique peut être provoqué par des fluctuations mécaniques, qui peuvent être atténuées à l’aide d’un résonateur laser compact et court. Cependant, les fluctuations de longueur peuvent parfois avoir un effet plus important sur des résonateurs encore plus courts. Une conception mécanique appropriée peut réduire le couplage entre le résonateur laser et les rayonnements externes, et également minimiser les effets de dérive thermique. Des fluctuations thermiques existent également dans le milieu à gain, provoquées par les fluctuations de puissance de la pompe. Pour de meilleures performances sonores, d'autres dispositifs de stabilisation active sont nécessaires, mais dans un premier temps, des méthodes passives pratiques sont préférables. Les largeurs de raie des lasers à solide monofréquence et des lasers à fibre se situent dans la plage de 1 à 2 Hz, parfois même en dessous de 1 kHz. Les méthodes de stabilisation active peuvent atteindre des largeurs de raie inférieures à 1 kHz. Les largeurs de raie des diodes laser sont généralement de l'ordre du MHz, mais peuvent être réduites à des kHz, par exemple dans les lasers à diode à cavité externe, en particulier ceux dotés d'un retour optique et de cavités de référence de haute précision.

IV. Problèmes découlant de largeurs de lignes étroites

Dans certains cas, une largeur de faisceau très étroite de la source laser n’est pas nécessaire :

1. Lorsque la longueur de cohérence est longue, les effets de cohérence (dus à de faibles réflexions parasites) peuvent déformer la forme du faisceau. 1. Dans les écrans à projection laser, les effets de taches peuvent interférer avec la qualité de la surface.

2. Lorsque la lumière se propage dans des fibres optiques actives ou passives, des largeurs de raie étroites peuvent causer des problèmes en raison de la diffusion Brillouin stimulée. Dans de tels cas, il est nécessaire d'augmenter la largeur de raie, par exemple en tramant rapidement la fréquence transitoire d'une diode laser ou d'un modulateur optique en utilisant une modulation de courant. La largeur de raie est également utilisée pour décrire la largeur des transitions optiques (par exemple, les transitions laser ou certaines caractéristiques d'absorption). Dans les transitions d'un atome ou d'un ion stationnaire, la largeur de la raie est liée à la durée de vie de l'état d'énergie supérieur (plus précisément, la durée de vie entre les états d'énergie supérieur et inférieur) et est appelée largeur de raie naturelle. Le mouvement (voir Élargissement Doppler) ou l'interaction d'atomes ou d'ions peuvent élargir la largeur de la raie, comme l'élargissement de la pression dans les gaz ou les interactions de phonons dans les milieux solides. Si différents atomes ou ions sont affectés différemment, un élargissement non uniforme peut se produire.