లేజర్‌లలో లైన్‌విడ్త్ యొక్క నిర్వచనం

లేజర్ యొక్క లైన్‌విడ్త్, ప్రత్యేకించి సింగిల్-ఫ్రీక్వెన్సీ లేజర్, దాని స్పెక్ట్రం యొక్క వెడల్పును సూచిస్తుంది (సాధారణంగా పూర్తి వెడల్పు సగం గరిష్టంగా, FWHM). మరింత ఖచ్చితంగా, ఇది రేడియేటెడ్ ఎలక్ట్రిక్ ఫీల్డ్ పవర్ స్పెక్ట్రల్ డెన్సిటీ యొక్క వెడల్పు, ఫ్రీక్వెన్సీ, వేవ్‌నంబర్ లేదా తరంగదైర్ఘ్యం పరంగా వ్యక్తీకరించబడుతుంది. లేజర్ యొక్క లైన్‌విడ్త్ తాత్కాలిక పొందికకు దగ్గరి సంబంధం కలిగి ఉంటుంది మరియు పొందిక సమయం మరియు పొందిక పొడవు ద్వారా వర్గీకరించబడుతుంది. దశ అపరిమిత మార్పుకు గురైతే, దశ శబ్దం లైన్‌విడ్త్‌కు దోహదం చేస్తుంది; ఉచిత ఓసిలేటర్ల విషయంలో ఇది జరుగుతుంది. (చాలా చిన్న దశ విరామానికి పరిమితమైన దశ హెచ్చుతగ్గులు సున్నా లైన్‌విడ్త్ మరియు కొన్ని నాయిస్ సైడ్‌బ్యాండ్‌లను ఉత్పత్తి చేస్తాయి.) ప్రతిధ్వనించే కుహరం పొడవులో మార్పులు కూడా లైన్‌విడ్త్‌కు దోహదం చేస్తాయి మరియు కొలత సమయంపై ఆధారపడేలా చేస్తాయి. ఇది లైన్‌విడ్త్ మాత్రమే లేదా కావాల్సిన స్పెక్ట్రల్ ఆకారం (లైన్‌ఫార్మ్) కూడా లేజర్ స్పెక్ట్రం గురించి పూర్తి సమాచారాన్ని అందించలేదని సూచిస్తుంది.

II. లేజర్ లైన్‌విడ్త్ కొలత

లేజర్ లైన్‌విడ్త్‌ను కొలవడానికి అనేక సాంకేతికతలను ఉపయోగించవచ్చు:

1. లైన్‌విడ్త్ సాపేక్షంగా పెద్దగా ఉన్నప్పుడు (> 10 GHz, బహుళ లేజర్ రెసొనెంట్ కావిటీస్‌లో బహుళ మోడ్‌లు డోలనం అయినప్పుడు), డిఫ్రాక్షన్ గ్రేటింగ్‌ని ఉపయోగించే సాంప్రదాయ స్పెక్ట్రోమీటర్‌ని ఉపయోగించి దీనిని కొలవవచ్చు. అయితే, ఈ పద్ధతిని ఉపయోగించి అధిక ఫ్రీక్వెన్సీ రిజల్యూషన్ పొందడం కష్టం.

4. అనేక వందల హెర్ట్జ్‌ల లైన్‌విడ్త్‌ల కోసం, సాంప్రదాయ స్వీయ-హెటెరోడైన్ పద్ధతులు అసాధ్యమైనవి ఎందుకంటే వాటికి పెద్ద ఆలస్యం పొడవు అవసరం. ఈ పొడవును విస్తరించడానికి సైక్లిక్ ఫైబర్ లూప్ మరియు అంతర్నిర్మిత ఫైబర్ యాంప్లిఫైయర్‌ను ఉపయోగించవచ్చు.

3. సింగిల్-ఫ్రీక్వెన్సీ లేజర్‌లు సాధారణంగా స్వీయ-హెటెరోడైన్ పద్ధతిని ఉపయోగిస్తాయి, ఇది ఆఫ్‌సెట్ మరియు ఆలస్యం తర్వాత లేజర్ అవుట్‌పుట్ మరియు దాని స్వంత ఫ్రీక్వెన్సీ మధ్య బీట్‌ను రికార్డ్ చేస్తుంది.

4. అనేక వందల హెర్ట్జ్‌ల లైన్‌విడ్త్‌ల కోసం, సాంప్రదాయ స్వీయ-హెటెరోడైన్ పద్ధతులు అసాధ్యమైనవి ఎందుకంటే వాటికి పెద్ద ఆలస్యం పొడవు అవసరం. ఈ పొడవును విస్తరించడానికి సైక్లిక్ ఫైబర్ లూప్ మరియు అంతర్నిర్మిత ఫైబర్ యాంప్లిఫైయర్‌ను ఉపయోగించవచ్చు.

5. రెండు స్వతంత్ర లేజర్‌ల బీట్‌లను రికార్డ్ చేయడం ద్వారా చాలా ఎక్కువ రిజల్యూషన్‌ను సాధించవచ్చు, ఇక్కడ రిఫరెన్స్ లేజర్ యొక్క శబ్దం టెస్ట్ లేజర్ కంటే చాలా తక్కువగా ఉంటుంది లేదా వాటి పనితీరు లక్షణాలు సమానంగా ఉంటాయి. దశ-లాక్ చేయబడిన లూప్ లేదా గణిత రికార్డుల ఆధారంగా తక్షణ ఫ్రీక్వెన్సీ వ్యత్యాసం యొక్క గణనను ఉపయోగించవచ్చు. ఈ పద్ధతి చాలా సరళమైనది మరియు స్థిరమైనది, కానీ మరొక లేజర్ అవసరం (పరీక్ష లేజర్ యొక్క ఫ్రీక్వెన్సీకి సమీపంలో పనిచేస్తుంది). కొలిచిన లైన్‌విడ్త్‌కు విస్తృత స్పెక్ట్రల్ పరిధి అవసరమైతే, ఫ్రీక్వెన్సీ దువ్వెన చాలా సౌకర్యవంతంగా ఉంటుంది.

ఆప్టికల్ ఫ్రీక్వెన్సీ కొలతలకు తరచుగా ఏదో ఒక సమయంలో నిర్దిష్ట ఫ్రీక్వెన్సీ (లేదా సమయం) సూచన అవసరం. ఇరుకైన-లైన్‌విడ్త్ లేజర్‌ల కోసం, తగినంత ఖచ్చితమైన సూచనను అందించడానికి ఒక రిఫరెన్స్ బీమ్ మాత్రమే అవసరం. స్వీయ-హెటెరోడైన్ పద్ధతులు పరీక్ష సెటప్‌కు తగినంత ఎక్కువ సమయం ఆలస్యాన్ని వర్తింపజేయడం ద్వారా ఫ్రీక్వెన్సీ సూచనను పొందుతాయి, ప్రారంభ పుంజం మరియు దాని స్వంత ఆలస్యమైన పుంజం మధ్య తాత్కాలిక పొందికను ఆదర్శంగా నివారిస్తుంది. అందువల్ల, పొడవైన ఆప్టికల్ ఫైబర్‌లను సాధారణంగా ఉపయోగిస్తారు. అయినప్పటికీ, స్థిరమైన హెచ్చుతగ్గులు మరియు శబ్ద ప్రభావాల కారణంగా, పొడవైన ఫైబర్‌లు అదనపు దశ శబ్దాన్ని పరిచయం చేస్తాయి.

1/f ఫ్రీక్వెన్సీ నాయిస్ ఉన్నప్పుడు, లైన్‌విడ్త్ మాత్రమే దశ లోపాన్ని పూర్తిగా వివరించదు. దశ లేదా తక్షణ ఫ్రీక్వెన్సీ హెచ్చుతగ్గుల యొక్క ఫోరియర్ స్పెక్ట్రమ్‌ను కొలవడం మరియు పవర్ స్పెక్ట్రల్ డెన్సిటీని ఉపయోగించి దానిని వర్గీకరించడం మెరుగైన విధానం; శబ్దం పనితీరు సూచికలను సూచించవచ్చు. 1/f శబ్దం (లేదా ఇతర తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ శబ్దం యొక్క శబ్దం స్పెక్ట్రం) కొన్ని కొలత సమస్యలను కలిగిస్తుంది.

III. లేజర్ లైన్‌విడ్త్‌ను తగ్గించడం

లేజర్ లైన్‌విడ్త్ నేరుగా లేజర్ రకానికి సంబంధించినది. లేజర్ డిజైన్‌ను ఆప్టిమైజ్ చేయడం మరియు బాహ్య శబ్ద ప్రభావాలను అణచివేయడం ద్వారా దీనిని తగ్గించవచ్చు. క్వాంటం నాయిస్ లేదా క్లాసికల్ నాయిస్ ప్రబలంగా ఉందో లేదో నిర్ణయించడం మొదటి దశ, ఇది తదుపరి కొలతలను ప్రభావితం చేస్తుంది.

ఇంట్రాకావిటీ శక్తి ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, ప్రతిధ్వనించే కుహరం నష్టం తక్కువగా ఉంటుంది మరియు ప్రతిధ్వనించే కుహరం రౌండ్-ట్రిప్ సమయం ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, లేజర్ యొక్క క్వాంటం శబ్దం (ప్రధానంగా ఆకస్మిక ఉద్గార శబ్దం) చిన్న ప్రభావాన్ని కలిగి ఉంటుంది. క్లాసికల్ శబ్దం యాంత్రిక హెచ్చుతగ్గుల వల్ల సంభవించవచ్చు, ఇది కాంపాక్ట్, షార్ట్ లేజర్ రెసొనేటర్‌ని ఉపయోగించడం ద్వారా తగ్గించబడుతుంది. అయినప్పటికీ, పొడవు హెచ్చుతగ్గులు కొన్నిసార్లు తక్కువ రెసొనేటర్లలో కూడా బలమైన ప్రభావాన్ని చూపుతాయి. సరైన మెకానికల్ డిజైన్ లేజర్ రెసొనేటర్ మరియు బాహ్య రేడియేషన్ల మధ్య కలపడాన్ని తగ్గిస్తుంది మరియు థర్మల్ డ్రిఫ్ట్ ప్రభావాలను కూడా తగ్గిస్తుంది. పంప్ పవర్ హెచ్చుతగ్గుల వల్ల కలిగే లాభం మాధ్యమంలో ఉష్ణ హెచ్చుతగ్గులు కూడా ఉన్నాయి. మెరుగైన శబ్దం పనితీరు కోసం, ఇతర క్రియాశీల స్థిరీకరణ పరికరాలు అవసరమవుతాయి, అయితే ప్రారంభంలో, ఆచరణాత్మక నిష్క్రియ పద్ధతులు ప్రాధాన్యతనిస్తాయి. సింగిల్-ఫ్రీక్వెన్సీ సాలిడ్-స్టేట్ లేజర్‌లు మరియు ఫైబర్ లేజర్‌ల లైన్‌విడ్త్‌లు 1-2 Hz పరిధిలో ఉంటాయి, కొన్నిసార్లు 1 kHz కంటే తక్కువ కూడా ఉంటాయి. క్రియాశీల స్థిరీకరణ పద్ధతులు 1 kHz కంటే తక్కువ లైన్‌విడ్త్‌లను సాధించగలవు. లేజర్ డయోడ్‌ల లైన్‌విడ్త్‌లు సాధారణంగా MHz పరిధిలో ఉంటాయి, అయితే వాటిని kHzకి తగ్గించవచ్చు, ఉదాహరణకు, ఎక్స్‌టర్నల్ కేవిటీ డయోడ్ లేజర్‌లలో, ప్రత్యేకించి ఆప్టికల్ ఫీడ్‌బ్యాక్ మరియు హై-ప్రెసిషన్ రిఫరెన్స్ కావిటీలు ఉంటాయి.

IV. ఇరుకైన లైన్‌విడ్త్‌ల నుండి ఉత్పన్నమయ్యే సమస్యలు

కొన్ని సందర్భాల్లో, లేజర్ మూలం నుండి చాలా ఇరుకైన బీమ్‌విడ్త్ అవసరం లేదు:

3. సింగిల్-ఫ్రీక్వెన్సీ లేజర్‌లు సాధారణంగా స్వీయ-హెటెరోడైన్ పద్ధతిని ఉపయోగిస్తాయి, ఇది ఆఫ్‌సెట్ మరియు ఆలస్యం తర్వాత లేజర్ అవుట్‌పుట్ మరియు దాని స్వంత ఫ్రీక్వెన్సీ మధ్య బీట్‌ను రికార్డ్ చేస్తుంది.

2. యాక్టివ్ లేదా పాసివ్ ఆప్టికల్ ఫైబర్‌లలో కాంతి వ్యాపించినప్పుడు, ఇరుకైన లైన్‌విడ్త్‌లు ప్రేరేపించబడిన బ్రిల్లౌయిన్ స్కాటరింగ్ కారణంగా సమస్యలను కలిగిస్తాయి. అటువంటి సందర్భాలలో, లైన్‌విడ్త్‌ను పెంచడం అవసరం, ఉదాహరణకు, ప్రస్తుత మాడ్యులేషన్‌ని ఉపయోగించి లేజర్ డయోడ్ లేదా ఆప్టికల్ మాడ్యులేటర్ యొక్క తాత్కాలిక ఫ్రీక్వెన్సీని వేగంగా తగ్గించడం ద్వారా. లైన్‌విడ్త్ ఆప్టికల్ పరివర్తనాల వెడల్పును వివరించడానికి కూడా ఉపయోగించబడుతుంది (ఉదా., లేజర్ పరివర్తనాలు లేదా కొన్ని శోషణ లక్షణాలు). స్థిరమైన ఒకే పరమాణువు లేదా అయాన్ యొక్క పరివర్తనలలో, లైన్‌విడ్త్ ఎగువ శక్తి స్థితి యొక్క జీవితకాలానికి సంబంధించినది (మరింత ఖచ్చితంగా, ఎగువ మరియు దిగువ శక్తి స్థితుల మధ్య జీవితకాలం), మరియు దీనిని సహజ లైన్‌విడ్త్ అంటారు. అణువులు లేదా అయాన్ల చలనం (డాప్లర్ విస్తరణ చూడండి) లేదా పరస్పర చర్య లైన్‌విడ్త్‌ను విస్తృతం చేయగలదు, ఉదాహరణకు వాయువులలో ఒత్తిడి విస్తరణ లేదా ఘన మాధ్యమంలో ఫోనాన్ పరస్పర చర్యలు. వేర్వేరు పరమాణువులు లేదా అయాన్లు విభిన్నంగా ప్రభావితమైతే, ఏకరీతి కాని విస్తరణ సంభవించవచ్చు.