लेज़रों में लाइनविड्थ की परिभाषा

लेज़र की लाइनविड्थ, विशेष रूप से एकल-आवृत्ति लेज़र, उसके स्पेक्ट्रम की चौड़ाई को संदर्भित करती है (आमतौर पर आधी अधिकतम पर पूरी चौड़ाई, एफडब्ल्यूएचएम)। अधिक सटीक रूप से, यह विकिरणित विद्युत क्षेत्र शक्ति वर्णक्रमीय घनत्व की चौड़ाई है, जिसे आवृत्ति, तरंग संख्या या तरंग दैर्ध्य के संदर्भ में व्यक्त किया जाता है। लेज़र की लाइनविड्थ अस्थायी सुसंगतता से निकटता से संबंधित है और सुसंगतता समय और सुसंगत लंबाई की विशेषता है। यदि चरण एक असीमित बदलाव से गुजरता है, तो चरण शोर लाइनविड्थ में योगदान देता है; मुक्त ऑसिलेटर के मामले में यही स्थिति है। (बहुत छोटे चरण अंतराल तक सीमित चरण उतार-चढ़ाव शून्य लाइनविड्थ और कुछ शोर साइडबैंड उत्पन्न करते हैं।) गुंजयमान गुहा की लंबाई में बदलाव भी लाइनविड्थ में योगदान करते हैं और इसे माप समय पर निर्भर बनाते हैं। यह इंगित करता है कि अकेले लाइनविड्थ, या यहां तक ​​कि एक वांछनीय वर्णक्रमीय आकार (लाइनफॉर्म), लेजर स्पेक्ट्रम के बारे में पूरी जानकारी प्रदान नहीं कर सकता है।

द्वितीय. लेजर लाइनविड्थ मापन

लेजर लाइनविड्थ को मापने के लिए कई तकनीकों का उपयोग किया जा सकता है:

1. जब लाइनविड्थ अपेक्षाकृत बड़ी होती है (>10 गीगाहर्ट्ज, जब कई लेजर गुंजयमान गुहाओं में कई मोड दोलन करते हैं), तो इसे विवर्तन झंझरी का उपयोग करके पारंपरिक स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके मापा जा सकता है। हालाँकि, इस पद्धति का उपयोग करके उच्च आवृत्ति रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करना कठिन है।

2. दूसरी विधि आवृत्ति के उतार-चढ़ाव को तीव्रता के उतार-चढ़ाव में बदलने के लिए आवृत्ति विभेदक का उपयोग करना है। विवेचक एक असंतुलित इंटरफेरोमीटर या एक उच्च परिशुद्धता संदर्भ गुहा हो सकता है। इस माप पद्धति का भी सीमित रिज़ॉल्यूशन है।

3. एकल-आवृत्ति लेजर आमतौर पर एक स्व-हेटरोडाइन विधि का उपयोग करते हैं, जो ऑफसेट और देरी के बाद लेजर आउटपुट और अपनी स्वयं की आवृत्ति के बीच की धड़कन को रिकॉर्ड करता है।

4. कई सौ हर्ट्ज़ की लाइनविड्थ के लिए, पारंपरिक स्व-हेटरोडाइन तकनीकें अव्यावहारिक हैं क्योंकि उन्हें बड़ी विलंब अवधि की आवश्यकता होती है। इस लंबाई को बढ़ाने के लिए एक चक्रीय फाइबर लूप और एक अंतर्निर्मित फाइबर एम्पलीफायर का उपयोग किया जा सकता है।

5. दो स्वतंत्र लेजर की धड़कनों को रिकॉर्ड करके बहुत उच्च रिज़ॉल्यूशन प्राप्त किया जा सकता है, जहां संदर्भ लेजर का शोर परीक्षण लेजर की तुलना में बहुत कम है, या उनके प्रदर्शन विनिर्देश समान हैं। एक चरण-लॉक लूप या गणितीय रिकॉर्ड के आधार पर तात्कालिक आवृत्ति अंतर की गणना का उपयोग किया जा सकता है। यह विधि बहुत सरल और स्थिर है, लेकिन इसके लिए एक अन्य लेज़र की आवश्यकता होती है (परीक्षण लेज़र की आवृत्ति के निकट संचालित)। यदि मापी गई लाइनविड्थ के लिए विस्तृत वर्णक्रमीय रेंज की आवश्यकता होती है, तो एक आवृत्ति कंघी बहुत सुविधाजनक होती है।

ऑप्टिकल आवृत्ति माप के लिए अक्सर किसी बिंदु पर एक विशिष्ट आवृत्ति (या समय) संदर्भ की आवश्यकता होती है। नैरो-लाइनविड्थ लेज़रों के लिए, पर्याप्त सटीक संदर्भ प्रदान करने के लिए केवल एक संदर्भ बीम की आवश्यकता होती है। स्व-हेटरोडाइन तकनीक परीक्षण सेटअप में पर्याप्त रूप से लंबे समय की देरी को लागू करके एक आवृत्ति संदर्भ प्राप्त करती है, आदर्श रूप से प्रारंभिक बीम और अपने स्वयं के विलंबित बीम के बीच अस्थायी सुसंगतता से बचती है। इसलिए, आमतौर पर लंबे ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग किया जाता है। हालांकि, स्थिर उतार-चढ़ाव और ध्वनिक प्रभावों के कारण, लंबे फाइबर अतिरिक्त चरण शोर पेश करते हैं।

जब 1/f आवृत्ति शोर मौजूद होता है, तो लाइनविड्थ अकेले चरण त्रुटि का पूरी तरह से वर्णन नहीं कर सकता है। एक बेहतर तरीका यह है कि चरण या तात्कालिक आवृत्ति के उतार-चढ़ाव के फूरियर स्पेक्ट्रम को मापें और फिर पावर वर्णक्रमीय घनत्व का उपयोग करके इसे चिह्नित करें; शोर प्रदर्शन संकेतकों का संदर्भ लिया जा सकता है। 1/f शोर (या अन्य कम-आवृत्ति शोर का शोर स्पेक्ट्रम) कुछ माप समस्याओं का कारण बन सकता है।

तृतीय. लेज़र लाइनविथ को न्यूनतम करना

लेज़र लाइनविड्थ सीधे लेज़र प्रकार से संबंधित है। लेजर डिज़ाइन को अनुकूलित करके और बाहरी शोर प्रभावों को दबाकर इसे कम किया जा सकता है। पहला कदम यह निर्धारित करना है कि क्या क्वांटम शोर या शास्त्रीय शोर प्रमुख है, क्योंकि यह बाद के मापों को प्रभावित करेगा।

जब इंट्राकैविटी शक्ति अधिक होती है, गुंजयमान गुहा हानि कम होती है, और गुंजयमान गुहा राउंड-ट्रिप का समय लंबा होता है, लेजर के क्वांटम शोर (मुख्य रूप से सहज उत्सर्जन शोर) का प्रभाव छोटा होता है। शास्त्रीय शोर यांत्रिक उतार-चढ़ाव के कारण हो सकता है, जिसे एक कॉम्पैक्ट, लघु लेजर अनुनादक का उपयोग करके कम किया जा सकता है। हालाँकि, लंबाई में उतार-चढ़ाव कभी-कभी छोटे अनुनादकों में भी अधिक मजबूत प्रभाव डाल सकता है। उचित यांत्रिक डिज़ाइन लेजर रेज़ोनेटर और बाहरी विकिरणों के बीच युग्मन को कम कर सकता है, और थर्मल बहाव प्रभाव को भी कम कर सकता है। लाभ माध्यम में थर्मल उतार-चढ़ाव भी मौजूद होता है, जो पंप पावर के उतार-चढ़ाव के कारण होता है। बेहतर शोर प्रदर्शन के लिए, अन्य सक्रिय स्थिरीकरण उपकरणों की आवश्यकता होती है, लेकिन शुरुआत में, व्यावहारिक निष्क्रिय तरीके बेहतर होते हैं। सिंगल-फ़्रीक्वेंसी सॉलिड-स्टेट लेज़रों और फ़ाइबर लेज़रों की लाइनविड्थ 1-2 हर्ट्ज़ रेंज में होती है, कभी-कभी 1 किलोहर्ट्ज़ से भी नीचे। सक्रिय स्थिरीकरण विधियाँ 1 किलोहर्ट्ज़ से नीचे लाइनविड्थ प्राप्त कर सकती हैं। लेज़र डायोड की लाइनविड्थ आमतौर पर मेगाहर्ट्ज रेंज में होती है, लेकिन इसे kHz तक कम किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, बाहरी कैविटी डायोड लेज़रों में, विशेष रूप से ऑप्टिकल फीडबैक और उच्च-परिशुद्धता संदर्भ कैविटी वाले।

चतुर्थ. संकीर्ण लाइनविड्थ से उत्पन्न होने वाली समस्याएँ

कुछ मामलों में, लेज़र स्रोत से बहुत संकीर्ण बीमविड्थ आवश्यक नहीं है:

1. जब सुसंगतता की लंबाई लंबी होती है, तो सुसंगतता प्रभाव (कमजोर परजीवी प्रतिबिंबों के कारण) किरण के आकार को विकृत कर सकते हैं। 1. लेजर प्रक्षेपण डिस्प्ले में, धब्बेदार प्रभाव सतह की गुणवत्ता में हस्तक्षेप कर सकते हैं।

2. जब प्रकाश सक्रिय या निष्क्रिय ऑप्टिकल फाइबर में फैलता है, तो संकीर्ण लाइनविड्थ उत्तेजित ब्रिलोइन बिखरने के कारण समस्याएं पैदा कर सकता है। ऐसे मामलों में, लाइनविड्थ को बढ़ाना आवश्यक है, उदाहरण के लिए, वर्तमान मॉड्यूलेशन का उपयोग करके लेजर डायोड या ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर की क्षणिक आवृत्ति को तेजी से कम करके। लाइनविड्थ का उपयोग ऑप्टिकल संक्रमणों की चौड़ाई (उदाहरण के लिए, लेजर संक्रमण या कुछ अवशोषण विशेषताओं) का वर्णन करने के लिए भी किया जाता है। एक स्थिर एकल परमाणु या आयन के संक्रमण में, लाइनविड्थ ऊपरी ऊर्जा अवस्था के जीवनकाल (अधिक सटीक रूप से, ऊपरी और निचली ऊर्जा अवस्थाओं के बीच का जीवनकाल) से संबंधित होता है, और इसे प्राकृतिक लाइनविड्थ कहा जाता है। गति (डॉपलर चौड़ीकरण देखें) या परमाणुओं या आयनों की परस्पर क्रिया, लाइनविड्थ को विस्तृत कर सकती है, जैसे गैसों में दबाव का बढ़ना या ठोस मीडिया में फोनन इंटरैक्शन। यदि अलग-अलग परमाणु या आयन अलग-अलग तरीके से प्रभावित होते हैं, तो असमान विस्तार हो सकता है।