Warum können keine kommerziellen Laserprodukte eine Frequenzstabilität von <1 Hz<1 Hz< 1 \ \text{Hz} erreichen?

Ich studiere gerade das Lehrbuch Laser Systems Engineering von Keith Kasunic. Kapitel 1.2.1 Zeitliche Kohärenz sagt folgendes:

Sogar ein frequenzstabilisierter SLM-Laser hat eine Linienbreite – eine unvermeidbare Folge von zufälligen Phasenänderungen der spontanen Emission, die aus Quantenfluktuationen in den Energieniveaus des angeregten Zustands resultieren. Für solche Laser die ideale Einmoden-(Schawlow-Townes)-Linienbreite Δ v ST für eine Laserkavität Δ v R (nicht sein Etalon) wird durch Refs 9 und 12 als angegeben

(1.8) Δ v ST = π H v ⋅ ( 2 π Δ v R ) P       [Hz]
Wo P ist die Ausgangsleistung des gegebenen Axialmodus. Physikalisch hat die höhere Leistung einen größeren Anteil an verstärkten gleichphasigen Photonen im Vergleich zu den inkohärenten, phasenverschobenen Photonen aus der spontanen Emission, was reduziert Δ v R der axialen Moden des Lasers [auch Gl. (1.7)] bei gegebenem Reflexionsvermögen des Laserresonators R .

Gleichung (1.8) stellt die ultimative untere Grenze der Linienbreite dar, da kein kommerzielles Produkt in der Lage ist, dieses Niveau an Frequenzstabilität zu erreichen ( < 1   Hertz ) . In der Praxis haben einige SLM-Faserlaser eine kleinere Linienbreite als 10   kHz – begrenzt durch „technisches Rauschen“ (zB Schwankungen optischer und optomechanischer Parameter) und daraus resultierende Kohärenzlänge D C ≥ 15   km .

Für Details siehe den Wikipedia-Artikel zu Gl. (1.8) finden Sie hier .

Ich interessiere mich für dieses Teil:

Gleichung (1.8) stellt die ultimative untere Grenze der Linienbreite dar, da kein kommerzielles Produkt in der Lage ist, dieses Niveau an Frequenzstabilität zu erreichen ( < 1   Hertz ) . In der Praxis haben einige SLM-Faserlaser eine kleinere Linienbreite als 10   kHz – begrenzt durch „technisches Rauschen“ (zB Schwankungen optischer und optomechanischer Parameter) und daraus resultierende Kohärenzlänge D C ≥ 15   km .

Warum erreichen keine kommerziellen Produkte eine Frequenzstabilität von < 1   Hertz , und wie zeigt (1.8) dies?

Antworten (1)

Mittlerweile gibt es kommerzielle Lasersysteme mit einer Stabilität unter 1 Hz. [ 1 ] Dies ist jedoch immer noch sehr herausfordernd. Ihre Gleichung ( 1.8 ) ist die Schawlow-Townes-Linienbreite , die als grundlegende physikalische Untergrenze für die Laserlinienbreite verstanden werden kann. In Wirklichkeit dominieren andere Effekte. Ändert sich die optische Länge des Laserresonators z

  • Temperatur
  • mechanische Schwingungen
  • Änderungen in der Zusammensetzung des Gases im Resonator
seine Resonanzfrequenz und damit die Emissionsfrequenz ändert sich. Betrachten Sie einen Resonator mit einer Umlauflänge von L = 1 M mit einer Frequenz von emittiert F = 500 THz . Dann ändert sich die Länge Δ L wodurch sich die Resonanzfrequenz um ändert Δ F = 1 Hertz Ist
Δ L = L Δ F F = 2 fm .
Um eine solche Stabilität zu erreichen, muss man alle Schwankungen in der Umgebung sorgfältig eliminieren und das System gut isolieren. Zusätzlich muss die Resonatorlänge aktiv reguliert werden, beispielsweise durch einen auf einem Piezokristall montierten Spiegel . Als Frequenzreferenz verwendet man einen monolithischen, gut isolierten, ultrastabilen externen Resonator . Dieser ist stabiler als der Laserresonator, da er außer der Temperaturstabilisierung keine aktiven Elemente aufweist. Noch bessere Frequenzreferenzen können optische Übergänge in Atomen sein [ 2 ] , aber mir ist noch kein kommerzielles System bekannt.
Danke für die Antwort. Eines verwirrt mich noch: Wenn die Schawlow-Townes-Linienbreite die grundlegende physikalische Untergrenze für die Laserlinienbreite ist, wie können wir dann darunter kommen? 1   Hertz , was der Autor sagt, ist aufgrund der gleichen Gleichung physikalisch unmöglich? Ist die Gleichung tatsächlich irgendwie ungültig? Oder war eine der ursprünglichen Annahmen von Schawlow-Townes falsch (da, wie Ihr Artikel feststellt, die Gleichung noch vor der Demonstration des ersten Lasers entdeckt wurde )?
@ThePointer Soweit ich das Zitat verstehe, bedeutet dies, dass es kein kommerzielles Lasersystem mit einer Linienbreite darunter gab 1 Hertz zum Zeitpunkt des Schreibens. Dies ist jedoch kein typischer Wert für die Schawlow-Townes-Grenze. In dem in meiner Antwort beschriebenen Fall mit der L = 1 M Resonator unter der Annahme einer Finesse von 100 und einer Ausgangsleistung von P = 1 W die Schawlow-Townes-Grenze ist Δ F ST = 18.7 µHz .
Ahh ok; In diesem Fall habe ich die Aussage des Autors falsch interpretiert. Vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben, dies zu klären.
Warum können keine kommerziellen Laserprodukte eine Frequenzstabilität von <1 Hz<1 Hz< 1 \ \text{Hz} erreichen?
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