레이저 선폭
Laser linewidth레이저 방출의 가장 독특한 특징 중 두 가지는 공간적 일관성과 스펙트럼의 일관성이다. 공간적 정합성은 레이저의 빔 산란과 관련이 있지만, 레이저 방사선의 선폭을 측정하여 스펙트럼 정합성을 평가한다.
이론
기록: 레이저 선폭의 첫 번째 유도
인간이 만든 최초의 일관성 있는 광원은 마저였다. MASER라는 약어는 "방사선의 자극적 방출에 의한 마이크로웨이브 증폭"을 의미한다. 더 정확히 말하면, 그것은 고든, 자이거, 타운즈가 1954년에 보여준 12.5mm 파장으로 작동하는 암모니아 마저였다.[1] 1년 후 같은 저자들이 암모니아를 마저 마저로 하는 합리적인 근사치를 만들어 이론적으로 장치의[2] 선폭을 도출했다.
특히 이들의 파생은 암모니아 분자를 양자 방출체로 기술하고 고전적인 전자기장(단, 정량화된 장이나 양자 변동은 없음)을 [2]가정하여 반폭 반폭(HWHM) 마서 선폭을[2] 발생시켰다.
denoted here by an asterisk and converted to the full-width-at-half-maximum (FWHM) linewidth . is Boltzmann's constant, is the temperature, is the output power, and and are the HWHM and FWHM linewidths of the underlying passive microwave resonator, respectively.
마이만이 레이저를 시연하기 2년 전인 1958년(초기에는 "광학 마저"[3]라고 불림), 샤로우와 타운즈는[4] 열에너지 k 을 교체하여 마스르 선폭을 광학체계에 전달하였다.광자 에너지 에 의한 여기서 은 Planck의 상수이고 은 레이저 광의 주파수로서 대략 다음과 같다.
레이저 선폭의 원래 Shawlow-Towns 근사치를 산출한다.[4]
또한 전자레인지에서 광학체제로의 이행은 정량화된 장이나 양자 변동을 가정하지 않고 완전히 반고전적인 것이었다.[4] 따라서 원래의 샤로우-타운 방정식은 전적으로 반분류 물리학에[2][4] 기초하며 보다 일반적인 레이저 선폭의 4배 근사치로,[5] 다음에서 도출될 것이다.
패시브 공명기 모드: Photon-decay 시간
우리는. 우리는 참조 상황, 즉 수동태 공진기 모드, 공명판의 능동 매질, 즉,를 소개하지 않는 투명합니다 정의하는 기하학적 길이ℓ{\displaystyle \ell}의 two-mirror 패브리 페로 resonator[6], 균질 굴절률 n{n\displaystyle}의 능동적인 레이저 매질로 채워져 추측하고 있다.ga또는 흡수되어
The round-trip time of light travelling in the resonator with speed , where is the speed of light in vacuum, and the free spectral range are given by[6][5]
관심 종방향 공명기 모드의 빛은 q번째 공명 주파수에서[6][5] 진동한다.
The exponential outcoupling decay time and the corresponding decay-rate constant are related to the intensity reflectances of the two resonator mirrors 에[6][5] 의해
지수 내인성 손실 시간 s 및 그에 상응하는 붕괴율 상수 / l 1rm {은(으)에 의한[5] 내인성 왕복 손실 R 와 이 있다.
그런 다음 수동 공명기의 지수 광자-decay 시간 c {\ {과 상응하는 붕괴율 1 / rm 이[5] 주어진다.
모든 세 지수 함수형 붕괴번 RT.{\displaystyle t_{\rm{RT} 있어 왕복 시간이 지남에 따라}평균.}다음에[5], 우리는}}, henc 그 ℓ{\displaystyle \ell}, n{n\displaystyle}, R1{\displaystyle R_{1}}, R2{\displaystyle R_{2}}및 LRT{\displaystyle L_{\rm{RT}으로 추정하고 있다.e 또한 l s {\\_{\ {c c{\_{\rm {은 관심 주파수 범위에 따라 크게 다르지 않다.
패시브 공명기 모드: 로렌츠 선폭, Q-요인, 일관성 시간 및 길이
광자-decay 시간 c 외에 수동 공명기 모드의 스펙트럼-고정성 특성은 다음과 같은 파라미터로 동등하게 표현할 수 있다. Shawlow-Townes 방정식에 나타나는 패시브 공명기 모드의 FWHM 로렌츠 선폭 는 푸리에 변환에 의한 지수 광자-데케이 시간 에서 유래되었다.[6][5]
Q-factor 은(는) 진동 주기당 된 W l t ed {\{\ {에 된 에너지 W s t t{lost로 정의된다.[5]
여기서 = e / 는 모드의 광자 수입니다. 모드로부터 방출되는 빛의 일관성 시간 과 (와) c {}}은으)에 의해[5] 주어진다.
활성 공진기 모드: 게인, 광자-데케이 시간, 로렌츠 선폭, Q-요인, 일관성 시간 및 길이
모집단 2 상한 및 하한 레이저 의 1{1}{\ N_ 공진관에서의 자극 및 흡수율 }}}}}}}}}을 각각 사용e 주파수 각각 공진 { {\L}에서 활성 레이저 매체의 단위 길이당 이득이 주어짐[5]
g을의 교류에서 광자의 가치가 아니고 0{\displaystyle g>0}, g<>를 사용하는 반면;0{\displaystyle g<0}이 공명 주파수에서 빛의 흡수 ν 나는{\displaystyle \nu_{나는}를 유도}또는 줄여서 가늘고 기다란 건물photon-decay 시간에τ 나는{\displaystyle \tau_{\rm{나는}결과}증폭을 유발하는}.tive resonat또는 모드 각각,[5]
능동 공진기 모드의 다른 4가지 스펙트럼-고착 특성은 수동 공진기 모드와 동일한 방법으로 얻는다. 로렌츠 선폭은 푸리에 변환에 의해 유도된다.[5]
> 의 값은 좁혀지는 반면, < 은(는) 흡수를 스펙트럼 선폭의 넓이로 이끈다. Q-요인은[5]
응결 시간 및 길이는[5]
스펙트럼-고착 계수
광자-decay 시간이 흡수에 의해 이득 또는 단축에 의해 길어지는 인자는 스펙트럼-고착 계수 [5]
그런 다음 5개의 스펙트럼-고착성 모두 동일한 스펙트럼-고착 계수 \Lambda 에 의해 스케일링된다[5]
래싱 공진기 모드: 기본 레이저 선폭
래싱 공진기 모드 내에서 광자의 숫자 이(가) 전파되면 자극 방출 및 광자-decay 속도는 각각 다음과 같다.[5]
그러면 스펙트럼-고착 계수가 된다[5].
래싱 공진기 모드의 광자-데케이 시간은[5]
기본적인[5] 레이저 선폭은
이 기본 선폭은 손실 대비 이득이 더 작거나 같거나 더 큰 상태에서 임계값보다 낮거나 같거나 높은 임의의 에너지 레벨 시스템을 가진 레이저와 cw 또는 과도 래싱 시스템에 유효하다.[5]
기본적인 레이저 선폭은 이득이 광자-decay 시간을 연장하는 반클래식 효과 때문이라는 것이 그 파생으로부터 명확해진다.[5]
연속파 레이저: 이득이 손해보다 적다.
래싱 공진기 모드에 대한 자발적 배출 속도는 다음과[5] 같다.
특히 R 은(는) 항상 양의 비율이며, 한 개의 원자 흥분은 래싱 모드에서 하나의 광자로 변환되기 때문이다.[7][5] 레이저 방사선의 근원이므로 "소음"[5]으로 오해해서는 안 된다. 단일 래싱 모드의 광자 속도 방정식[5] 읽기
CW 레이저는 래싱 모드에서 일시적으로 일정한 광자 수로 정의되므로 d / t =0 CW 레이저에서 자극 및 자발 방출 속도는 광자-decay 속도를 함께 보상한다. 결과적으로,[5]
자극 방출 속도는 광자-데케이 비율보다 작거나 구어적으로 "손실보다 이득이 적다"[5]고 한다. 이 사실은 수십 년 동안 알려져 왔고 반도체 레이저의 임계 행동을 계량화하는 데 이용되었다.[8][9][10][11] 심지어 레이저 문턱을 훨씬 상회하더라도 이득은 여전히 손실보다 약간 적다. 바로 이 작은 차이가 CW 레이저의 유한한 선폭을 유도하는 것이다.[5]
근본적으로 레이저가 자연방사능의 증폭기라는 것이 이 파생으로부터 분명해지고, cw 레이저 선폭은 이득이 손실보다 적다는 반클래식 효과 때문이다.[5] 또한 레이저 선폭에 대한 양자 광학 접근법에서도 [12]밀도-작동자 마스터 방정식에 근거하여 이득이 손실보다 작다는 것을 확인할 수 있다.[5]
샬로우 타운스 근사치
위에서 언급한 바와 같이, 원래의 샤로우 타운스 방정식은 기본 레이저 선폭의 4배 근사치라는 것은 역사적 유래로부터 명백하다. 위에서 도출한 기본 레이저 선폭 Δ L 부터 네 가지 근사를 적용하여 시작하십시오.-iv. 1은 원래의 Shawlow-Townes 방정식을 얻는다.
즉, 동일한 네 가지 근사치를 적용함으로써 i.–iv. 첫 번째 파생에 적용된 기본 레이저 선폭 Δ 에 대한 원래의 샤로우 타운 방정식을 구한다.[2][4][5]
따라서[5] 기본적인 레이저 선폭은
반면, 원래의 Shawlow-Townes 방정식은 이 기본적인 레이저 선폭의 4배 근사치로서 단지 역사적 관심사일 뿐이다.
추가 선폭 확대 및 축소 효과
1958년 출판된 이후, 원래의 샤로우 타운즈 방정식은 다양한 방식으로 확장되었다.[4] 이러한 확장 방정식은 종종 같은 이름인 "샤워로우 타운스 선폭"으로 거래되기 때문에 레이저 선폭에서 사용 가능한 문헌에 확실한 혼동을 일으키는데, 이는 각 작가들이 참조하는 샤워로우 타운스 방정식의 특정 연장이 무엇인지 종종 불분명하기 때문이다.
근사 i 중 하나 또는 여러 개를 제거하기 위한 몇 개의 반클래식 확장.위에서 언급한 바와 같이, 위에서 도출한 기본적인 레이저 선폭을 향한 발걸음을 내디딘다.
다음과 같은 확장이 기본 레이저 선폭에 추가될 수 있다.
- Haken뿐만 아니라 [13]Hembstead와 Lax는 양자 기계적으로 레이저 임계값에 가까운 두 배 정도로 좁아지는 추가 선폭을 예측했다.[14] 그러나 그러한 효과는 소수의 사례에서만 실험적으로 관찰되었다.
- Petermann은 지수 유도 반도체 도파관 레이저에 비해 게인 유도에서 이전에 실험적으로 관찰된 선폭 확대 효과를 반클래식적으로 도출했다.[15] Siegman은 나중에 이러한 영향이 가로모드의 비정형성 때문이라는 것을 보여주었다.[16][17] Woerdman과 동료들은 이 아이디어를 종방향 모드와[18] 양극화 모드로 확장했다.[19] 그 결과 레이저 선폭에 이른바 '피터만 K-인자'가 추가되기도 한다.
- 헨리는 위상 변화를 유도하는 전자-구멍-공기 흥분과 관련된 굴절 지수 변화에 따른 추가적인 선폭 확대를 양자기계적으로 예측했다.[20] 그 결과 레이저 선폭에 이른바 "헨리 -factor"가 추가되기도 한다.
레이저 선폭 측정
레이저의 일관성을 측정하기 위해 사용된 첫 번째 방법 중 하나는 간섭측정법이었다.[21] 레이저 선폭을 측정하는 대표적인 방법은 자기-헤테로디네 간섭측정법이다.[22][23] 다른 접근법은 분광법을 사용하는 것이다.[24]
연속 레이저
단일 통과 모드 He-Ne 레이저(632.8nm의 파장)의 레이저 선폭은 광학 범위를 좁히는 내부 라인이 없는 경우 1GHz의 순서가 될 수 있다. 희토류 유전체 기반 또는 반도체 기반 분산 피드백 레이저에는 1kHz의 순서로 전형적인 선폭이 있다.[25][26] 안정화된 저전력 연속파 레이저에서 나오는 레이저 선폭은 매우 좁고 1kHz 미만으로 도달할 수 있다.[27] 관측된 선폭은 기술적 소음(광학 펌프 전원 또는 펌프 전류의 일시적인 변동, 기계적 진동, 온도 변동에 따른 굴절 지수 및 길이 변화 등)으로 인해 기본 레이저 선폭보다 크다.
펄스 레이저
고출력, 고게인 펄스 레이저의 레이저 선폭은 광학 범위를 좁히는 내부 라인이 없는 경우 상당히 넓을 수 있으며 강력한 광대역 염료 레이저의 경우 몇 nm 폭에서[28] 최대 10nm까지 범위가 넓을 수 있다.[24]
라인 축소 광학으로 구성된 고출력 고게인 펄스 레이저 오실레이터에서 나오는 레이저 선폭은 레이저 공동의 기하학적, 분산적 기능의 기능이다.[29] 첫 번째 근사치에서 최적화된 캐비티에서 레이저 선폭은 방출의 빔 분산을 전체 내 확산의 역수로 곱한 것과 정비례한다.[29] 그것은
이것은 이 (가) 빔 분산이고 괄호 안의 용어(-1)가 전체 산포인 캐비티 선폭 방정식이라고 알려져 있다. 이 방정식은 원래 고전적인 광학에서 유래되었다.[30] 그러나 1992년 두아르트는 양자간 대기계 원리에서 이 방정식을 도출하여 양자 식과 전체 근거리 내 각도 산포를 연결했다.[31]
An optimized multiple-prism grating laser oscillator can deliver pulse emission in the kW regime at single-longitudinal-mode linewidths of ≈ 350 MHz (equivalent to ≈ 0.0004 nm at a laser wavelength of 590 nm).[32] 이러한 오실레이터로부터의 펄스 지속시간이 약 3ns이므로 레이저 선폭 성능은 하이젠베르크 불확실성 원리에 의해 허용되는 한계에 가깝다.[32]
참고 항목
참조
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