คำจำกัดความของ Linewidth ในเลเซอร์

เส้นตรงของเลเซอร์ โดยเฉพาะเลเซอร์ความถี่เดียว หมายถึงความกว้างของสเปกตรัม (โดยทั่วไปคือความกว้างเต็มที่ครึ่งหนึ่งสูงสุด หรือ FWHM) แม่นยำยิ่งขึ้นคือความกว้างของความหนาแน่นสเปกตรัมของพลังงานสนามไฟฟ้าที่แผ่ออกมา ซึ่งแสดงเป็นความถี่ หมายเลขคลื่น หรือความยาวคลื่น เส้นตรงของเลเซอร์มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับการเชื่อมโยงกันชั่วคราว และมีลักษณะเฉพาะด้วยเวลาการเชื่อมโยงกันและความยาวการเชื่อมโยงกัน หากเฟสผ่านการเปลี่ยนแปลงที่ไม่มีขอบเขต สัญญาณรบกวนของเฟสจะส่งผลต่อความกว้างของเส้น; นี่เป็นกรณีของออสซิลเลเตอร์อิสระ (ความผันผวนของเฟสที่ถูกจำกัดให้อยู่ในช่วงเฟสที่เล็กมากทำให้เกิดความกว้างของเส้นเป็นศูนย์และมีแถบด้านข้างของสัญญาณรบกวนบางส่วน) การเปลี่ยนแปลงความยาวของช่องเรโซแนนซ์ยังส่งผลต่อความกว้างของเส้นและทำให้ขึ้นอยู่กับเวลาในการวัดด้วย สิ่งนี้บ่งชี้ว่าความกว้างของเส้นเพียงอย่างเดียว หรือแม้แต่รูปร่างสเปกตรัมที่ต้องการ (รูปแบบเส้นตรง) ไม่สามารถให้ข้อมูลที่ครบถ้วนเกี่ยวกับสเปกตรัมเลเซอร์ได้

ครั้งที่สอง การวัดความกว้างของเส้นเลเซอร์

สามารถใช้เทคนิคมากมายในการวัดความกว้างของเส้นเลเซอร์:

1. เมื่อความกว้างของเส้นค่อนข้างใหญ่ (>10 GHz เมื่อหลายโหมดแกว่งไปมาในช่องเรโซแนนซ์ของเลเซอร์หลายช่อง) ก็สามารถวัดได้โดยใช้สเปกโตรมิเตอร์แบบดั้งเดิมที่ใช้ตะแกรงการเลี้ยวเบน อย่างไรก็ตาม วิธีนี้เป็นเรื่องยากที่จะได้ความละเอียดความถี่สูง

2. อีกวิธีหนึ่งคือการใช้ตัวแยกแยะความถี่เพื่อแปลงความผันผวนของความถี่ให้เป็นความผันผวนของความรุนแรง ตัวแยกแยะอาจเป็นอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ที่ไม่สมดุลหรือช่องอ้างอิงที่มีความแม่นยำสูง วิธีการวัดนี้มีความละเอียดจำกัดเช่นกัน

3. โดยทั่วไปแล้วเลเซอร์ความถี่เดียวจะใช้วิธีเฮเทอโรไดน์ในตัวเอง ซึ่งจะบันทึกจังหวะระหว่างเอาท์พุตเลเซอร์และความถี่ของตัวเองหลังจากออฟเซ็ตและดีเลย์

4. สำหรับความกว้างของเส้นหลายร้อยเฮิรตซ์ เทคนิคการแยกตัวเองแบบเดิมนั้นใช้ไม่ได้ผลเนื่องจากต้องใช้ระยะเวลาหน่วงมาก สามารถใช้วงจรไฟเบอร์แบบวนและเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ในตัวเพื่อขยายความยาวนี้ได้

5. สามารถบรรลุความละเอียดสูงมากได้โดยการบันทึกจังหวะของเลเซอร์อิสระสองตัว โดยที่สัญญาณรบกวนของเลเซอร์อ้างอิงนั้นต่ำกว่าเลเซอร์ทดสอบมาก หรือข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพคล้ายกัน สามารถใช้การวนซ้ำแบบล็อคเฟสหรือการคำนวณความต่างความถี่ทันทีโดยอิงตามบันทึกทางคณิตศาสตร์ได้ วิธีนี้ง่ายและเสถียรมาก แต่ต้องใช้เลเซอร์อีกตัว (ทำงานใกล้กับความถี่ของเลเซอร์ทดสอบ) หากความกว้างของเส้นที่วัดได้ต้องใช้ช่วงสเปกตรัมกว้าง หวีความถี่จะสะดวกมาก

การวัดความถี่แสงมักต้องมีการอ้างอิงความถี่ (หรือเวลา) เฉพาะในบางจุด สำหรับเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นแคบ จำเป็นต้องใช้ลำแสงอ้างอิงเพียงอันเดียวเพื่อให้การอ้างอิงที่แม่นยำเพียงพอ เทคนิคเฮเทอโรไดน์ในตัวเองได้รับการอ้างอิงความถี่โดยใช้การหน่วงเวลาที่นานเพียงพอกับการตั้งค่าการทดสอบ โดยหลักการแล้วควรหลีกเลี่ยงการเชื่อมโยงทางเวลาระหว่างลำแสงเริ่มต้นและลำแสงหน่วงของมันเอง ดังนั้นจึงมักใช้ใยแก้วนำแสงแบบยาว อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความผันผวนและเอฟเฟกต์เสียงที่คงที่ เส้นใยยาวจึงทำให้เกิดสัญญาณรบกวนในเฟสเพิ่มเติม

เมื่อมีสัญญาณรบกวนความถี่ 1/f ความกว้างของเส้นเพียงอย่างเดียวไม่สามารถอธิบายข้อผิดพลาดของเฟสได้ครบถ้วน วิธีที่ดีกว่าคือการวัดสเปกตรัมฟูริเยร์ของเฟสหรือความผันผวนของความถี่ที่เกิดขึ้นทันที จากนั้นจึงกำหนดลักษณะเฉพาะโดยใช้ความหนาแน่นสเปกตรัมของกำลัง สามารถอ้างอิงตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพเสียงได้ สัญญาณรบกวน 1/f (หรือสเปกตรัมเสียงของสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำอื่นๆ) อาจทำให้เกิดปัญหาในการวัดบางอย่างได้

III. การลดความกว้างของเส้นเลเซอร์

ความกว้างของเส้นเลเซอร์เกี่ยวข้องโดยตรงกับประเภทเลเซอร์ สามารถย่อให้เล็กสุดได้โดยการปรับการออกแบบเลเซอร์ให้เหมาะสมและระงับอิทธิพลของเสียงรบกวนจากภายนอก ขั้นตอนแรกคือการพิจารณาว่าเสียงควอนตัมหรือเสียงคลาสสิกมีความโดดเด่นหรือไม่ เนื่องจากจะส่งผลต่อการวัดครั้งต่อไป

เมื่อพลังงานในโพรงอยู่ในระดับสูง การสูญเสียช่องเรโซแนนซ์จะต่ำ และเวลาการเดินทางไปกลับของโพรงเรโซแนนซ์จะยาวนาน สัญญาณรบกวนควอนตัม (เสียงการปล่อยก๊าซธรรมชาติส่วนใหญ่) ของเลเซอร์จะมีผลกระทบเล็กน้อย เสียงคลาสสิกอาจเกิดจากความผันผวนทางกล ซึ่งสามารถบรรเทาลงได้โดยใช้เครื่องสะท้อนเสียงเลเซอร์ขนาดสั้นขนาดกะทัดรัด อย่างไรก็ตาม ความผันผวนของความยาวบางครั้งอาจส่งผลกระทบรุนแรงกว่าในตัวสะท้อนเสียงที่สั้นกว่าด้วยซ้ำ การออกแบบทางกลที่เหมาะสมสามารถลดการมีเพศสัมพันธ์ระหว่างตัวสะท้อนรังสีเลเซอร์และการแผ่รังสีภายนอก และยังช่วยลดผลกระทบจากการเบี่ยงเบนจากความร้อนอีกด้วย ความผันผวนของความร้อนยังมีอยู่ในตัวกลางเกน ซึ่งเกิดจากความผันผวนของกำลังของปั๊ม เพื่อประสิทธิภาพเสียงที่ดีขึ้น จำเป็นต้องมีอุปกรณ์รักษาเสถียรภาพแบบแอคทีฟอื่นๆ แต่ในขั้นแรก ควรใช้วิธีเชิงโต้ตอบที่ใช้งานได้จริงจะดีกว่า ความกว้างของเส้นเลเซอร์โซลิดสเตตความถี่เดี่ยวและไฟเบอร์เลเซอร์อยู่ในช่วง 1-2 Hz บางครั้งอาจต่ำกว่า 1 kHz ด้วยซ้ำ วิธีการป้องกันภาพสั่นไหวแบบแอคทีฟสามารถบรรลุความกว้างของเส้นที่ต่ำกว่า 1 kHz ความกว้างของเส้นตรงของเลเซอร์ไดโอดโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง MHz แต่สามารถลดลงเหลือ kHz ได้ ตัวอย่างเช่น ในเลเซอร์ไดโอดแบบช่องภายนอก โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มีการตอบสนองทางแสงและช่องอ้างอิงที่มีความแม่นยำสูง

IV. ปัญหาที่เกิดจากเส้นตรงที่แคบ

ในบางกรณี ความกว้างของลำแสงที่แคบมากจากแหล่งกำเนิดเลเซอร์ก็ไม่จำเป็น:

1. เมื่อความยาวการเชื่อมโยงกันยาวนาน ผลกระทบของการเชื่อมโยงกัน (เนื่องจากการสะท้อนของปรสิตที่อ่อนแอ) อาจทำให้รูปร่างของลำแสงบิดเบี้ยวได้ 1. ในการแสดงการฉายภาพด้วยเลเซอร์ เอฟเฟกต์จุดอาจรบกวนคุณภาพของพื้นผิว

2. เมื่อแสงแพร่กระจายในไฟเบอร์ออปติกแบบแอคทีฟหรือพาสซีฟ เส้นตรงที่แคบอาจทำให้เกิดปัญหาเนื่องจากการกระเจิงของบริลลูอินที่ถูกกระตุ้น ในกรณีเช่นนี้ จำเป็นต้องเพิ่มความกว้างของเส้น ตัวอย่างเช่น โดยการกระจายความถี่ชั่วคราวของเลเซอร์ไดโอดหรือโมดูเลเตอร์แบบออปติคัลอย่างรวดเร็วโดยใช้การมอดูเลตกระแส เส้นตรงยังใช้เพื่ออธิบายความกว้างของการเปลี่ยนผ่านแสง (เช่น การเปลี่ยนผ่านด้วยเลเซอร์หรือคุณลักษณะการดูดกลืนแสงบางอย่าง) ในการเปลี่ยนผ่านของอะตอมหรือไอออนเดี่ยวที่อยู่นิ่ง ความกว้างของเส้นจะสัมพันธ์กับอายุการใช้งานของสถานะพลังงานด้านบน (หรือแม่นยำยิ่งขึ้นคืออายุการใช้งานระหว่างสถานะพลังงานด้านบนและด้านล่าง) และเรียกว่าความกว้างของเส้นธรรมชาติ การเคลื่อนที่ (ดูการขยายดอปเปลอร์) หรืออันตรกิริยาของอะตอมหรือไอออนสามารถขยายความกว้างของเส้นได้ เช่น การขยายความดันในก๊าซหรืออันตรกิริยาของโฟนอนในตัวกลางที่เป็นของแข็ง หากอะตอมหรือไอออนที่แตกต่างกันได้รับผลกระทบที่แตกต่างกัน อาจเกิดการขยายตัวที่ไม่สม่ำเสมอได้