تعريف عرض الخط في الليزر

يشير عرض خط الليزر، وخاصة الليزر أحادي التردد، إلى عرض طيفه (عادةً العرض الكامل بنصف الحد الأقصى، FWHM). بتعبير أدق، هو عرض الكثافة الطيفية لطاقة المجال الكهربائي المشع، معبرًا عنها بالتردد أو العدد الموجي أو الطول الموجي. يرتبط عرض خط الليزر ارتباطًا وثيقًا بالتماسك الزمني ويتميز بوقت التماسك وطول التماسك. إذا خضع الطور لإزاحة غير محدودة، فإن ضوضاء الطور تساهم في عرض الخط؛ هذا هو الحال مع المذبذبات الحرة. (تقلبات الطور المحصورة في فاصل طور صغير جدًا تنتج عرض خط صفر وبعض النطاقات الجانبية للضوضاء.) تساهم التحولات في طول تجويف الرنين أيضًا في عرض الخط وتجعله يعتمد على وقت القياس. ويشير هذا إلى أن عرض الخط وحده، أو حتى الشكل الطيفي المرغوب فيه (الشكل الخطي)، لا يمكنه توفير المعلومات الكاملة عن طيف الليزر.

ثانيا. قياس عرض الخط بالليزر

يمكن استخدام العديد من التقنيات لقياس عرض خط الليزر:

1. عندما يكون عرض الخط كبيرًا نسبيًا (> 10 جيجا هرتز، عندما تتأرجح أوضاع متعددة في تجاويف رنين ليزر متعددة)، يمكن قياسه باستخدام مطياف تقليدي يستخدم مقضب الحيود. ومع ذلك، من الصعب الحصول على دقة عالية التردد باستخدام هذه الطريقة.

2. هناك طريقة أخرى تتمثل في استخدام مُميِّز التردد لتحويل تقلبات التردد إلى تقلبات في الشدة. يمكن أن يكون المُميِّز عبارة عن مقياس تداخل غير متوازن أو تجويف مرجعي عالي الدقة. تتميز طريقة القياس هذه أيضًا بدقة محدودة.

3. عادةً ما يستخدم الليزر أحادي التردد طريقة التغاير الذاتي، والتي تسجل النبض بين مخرج الليزر وتردده الخاص بعد الإزاحة والتأخير.

4. بالنسبة لعروض الخطوط التي تصل إلى عدة مئات من الهرتز، تكون تقنيات التغاير الذاتي التقليدية غير عملية لأنها تتطلب مدة تأخير كبيرة. يمكن استخدام حلقة ألياف دورية ومضخم ألياف مدمج لتمديد هذا الطول.

5. يمكن تحقيق دقة عالية جدًا من خلال تسجيل نبضات جهازي ليزر مستقلين، حيث تكون ضجيج الليزر المرجعي أقل بكثير من ضجيج ليزر الاختبار، أو تكون مواصفات أدائهما متشابهة. يمكن استخدام حلقة مقفلة الطور أو حساب فرق التردد اللحظي بناءً على السجلات الرياضية. هذه الطريقة بسيطة جدًا ومستقرة، ولكنها تتطلب ليزرًا آخر (يعمل بالقرب من تردد ليزر الاختبار). إذا كان عرض الخط المقاس يتطلب نطاقًا طيفيًا واسعًا، فإن مشط التردد يكون مناسبًا جدًا.

عندما تكون قوة التجويف عالية، يكون فقدان تجويف الرنين منخفضًا، ويكون وقت رحلة ذهابًا وإيابًا لتجويف الرنين طويلًا، ويكون للضوضاء الكمومية (ضوضاء الانبعاث التلقائي بشكل أساسي) لليزر تأثير صغير. يمكن أن تحدث الضوضاء الكلاسيكية بسبب التقلبات الميكانيكية، والتي يمكن تخفيفها باستخدام مرنان ليزر قصير وصغير الحجم. ومع ذلك، قد يكون لتقلبات الطول في بعض الأحيان تأثير أقوى في الرنانات الأقصر. يمكن للتصميم الميكانيكي المناسب أن يقلل من الاقتران بين مرنان الليزر والإشعاعات الخارجية، كما يقلل أيضًا من تأثيرات الانجراف الحراري. توجد أيضًا تقلبات حرارية في وسط الكسب، ناتجة عن تقلبات طاقة المضخة. للحصول على أداء أفضل للضوضاء، هناك حاجة إلى أجهزة تثبيت نشطة أخرى، ولكن في البداية، يفضل استخدام الطرق السلبية العملية. تتراوح عروض خطوط ليزر الحالة الصلبة والليزر الليفي أحادي التردد في نطاق 1-2 هرتز، وأحيانًا أقل من 1 كيلو هرتز. يمكن لطرق التثبيت النشطة تحقيق عرض خطوط أقل من 1 كيلو هرتز. عادةً ما تكون عروض خطوط ثنائيات الليزر في نطاق ميغاهيرتز، ولكن يمكن تقليلها إلى كيلو هرتز، على سبيل المثال، في ليزر الصمام الثنائي ذو التجويف الخارجي، خاصة تلك التي تحتوي على ردود فعل بصرية وتجويفات مرجعية عالية الدقة.

عند وجود ضوضاء تردد 1/f، لا يمكن لعرض الخط وحده أن يصف خطأ الطور بشكل كامل. النهج الأفضل هو قياس طيف فورييه للطور أو تقلبات التردد اللحظية ثم توصيفه باستخدام الكثافة الطيفية للقدرة؛ يمكن الرجوع إلى مؤشرات أداء الضوضاء. يمكن أن تسبب الضوضاء 1/f (أو طيف الضوضاء للضوضاء المنخفضة التردد الأخرى) بعض مشاكل القياس.

ثالثا. تقليل عرض خط الليزر

يرتبط عرض خط الليزر مباشرة بنوع الليزر. ويمكن التقليل منه عن طريق تحسين تصميم الليزر وقمع تأثيرات الضوضاء الخارجية. الخطوة الأولى هي تحديد ما إذا كانت الضوضاء الكمومية أو الضوضاء الكلاسيكية هي المهيمنة، لأن هذا سيؤثر على القياسات اللاحقة.

عندما تكون قوة التجويف عالية، يكون فقدان تجويف الرنين منخفضًا، ويكون وقت رحلة ذهابًا وإيابًا لتجويف الرنين طويلًا، ويكون للضوضاء الكمومية (ضوضاء الانبعاث التلقائي بشكل أساسي) لليزر تأثير صغير. يمكن أن تحدث الضوضاء الكلاسيكية بسبب التقلبات الميكانيكية، والتي يمكن تخفيفها باستخدام مرنان ليزر قصير وصغير الحجم. ومع ذلك، قد يكون لتقلبات الطول في بعض الأحيان تأثير أقوى في الرنانات الأقصر. يمكن للتصميم الميكانيكي المناسب أن يقلل من الاقتران بين مرنان الليزر والإشعاعات الخارجية، كما يقلل أيضًا من تأثيرات الانجراف الحراري. توجد أيضًا تقلبات حرارية في وسط الكسب، ناتجة عن تقلبات طاقة المضخة. للحصول على أداء أفضل للضوضاء، هناك حاجة إلى أجهزة تثبيت نشطة أخرى، ولكن في البداية، يفضل استخدام الطرق السلبية العملية. تتراوح عروض خطوط ليزر الحالة الصلبة والليزر الليفي أحادي التردد في نطاق 1-2 هرتز، وأحيانًا أقل من 1 كيلو هرتز. يمكن لطرق التثبيت النشطة تحقيق عرض خطوط أقل من 1 كيلو هرتز. عادةً ما تكون عروض خطوط ثنائيات الليزر في نطاق ميغاهيرتز، ولكن يمكن تقليلها إلى كيلو هرتز، على سبيل المثال، في ليزر الصمام الثنائي ذو التجويف الخارجي، خاصة تلك التي تحتوي على ردود فعل بصرية وتجويفات مرجعية عالية الدقة.

رابعا. المشاكل الناشئة عن خطوط العرض الضيقة

في بعض الحالات، لا يكون عرض الحزمة الضيق جدًا من مصدر الليزر ضروريًا:

1. عندما يكون طول التماسك طويلا، فإن تأثيرات التماسك (بسبب الانعكاسات الطفيلية الضعيفة) يمكن أن تشوه شكل الشعاع. 1. في شاشات عرض الليزر، يمكن أن تتداخل تأثيرات البقع مع جودة السطح.

2. عندما ينتشر الضوء في الألياف الضوئية النشطة أو المنفعلة، يمكن أن تسبب عروض الخطوط الضيقة مشاكل بسبب تشتت Brillouin المحفز. في مثل هذه الحالات، من الضروري زيادة عرض الخط، على سبيل المثال، عن طريق ثبات التردد العابر لثنائي الليزر أو المغير البصري باستخدام التعديل الحالي. يُستخدم عرض الخط أيضًا لوصف عرض التحولات البصرية (على سبيل المثال، انتقالات الليزر أو بعض خصائص الامتصاص). في تحولات ذرة أو أيون مفرد ثابت، يرتبط عرض الخط بعمر حالة الطاقة العليا (بشكل أكثر دقة، العمر بين حالات الطاقة العلوية والسفلية)، ويسمى عرض الخط الطبيعي. الحركة (انظر توسيع دوبلر) أو تفاعل الذرات أو الأيونات يمكن أن توسع عرض الخط، مثل توسيع الضغط في الغازات أو تفاعلات الفونون في الوسائط الصلبة. إذا تأثرت الذرات أو الأيونات المختلفة بشكل مختلف، يمكن أن يحدث اتساع غير منتظم.