ကျဉ်းမြောင်းသော မျဉ်းကြောင်းအကျယ် လေဆာနည်းပညာ အပိုင်းတစ်

ဒီနေ့မှာတော့ အလွန်အမင်းကျဉ်းမြောင်းတဲ့ မျဉ်းကြောင်းအကျယ်လေဆာအတွက် “monochromatic” လေဆာကို မိတ်ဆက်ပေးပါမယ်။ ၎င်းပေါ်ထွက်လာခြင်းက လေဆာရဲ့ အသုံးချမှုနယ်ပယ်များစွာမှာ ကွာဟချက်တွေကို ဖြည့်ဆည်းပေးပြီး မကြာသေးမီနှစ်များအတွင်း gravitational wave detection၊ liDAR၊ distributed sensing၊ high-speed coherent optical communication နဲ့ အခြားနယ်ပယ်တွေမှာ ကျယ်ကျယ်ပြန့်ပြန့်အသုံးပြုလာခဲ့ပြီး ဒါဟာ လေဆာပါဝါကို တိုးတက်အောင်လုပ်ရုံနဲ့ မပြီးမြောက်နိုင်တဲ့ “မစ်ရှင်” တစ်ခုပါပဲ။

ကျဉ်းမြောင်းသော မျဉ်းကြောင်းအကျယ်ရှိသော လေဆာဆိုတာ ဘာလဲ။

“လိုင်းအကျယ်” ဟူသော အသုံးအနှုန်းသည် frequency domain ရှိ laser ၏ spectral line width ကို ရည်ညွှန်းပြီး ၎င်းကို ပုံမှန်အားဖြင့် half-peak full width of the spectrum (FWHM) ဖြင့် တွက်ချက်လေ့ရှိသည်။ linewidth ကို အဓိကအားဖြင့် excited atoms သို့မဟုတ် ions များ၏ spontaneous radiation၊ phase noise၊ resonator ၏ mechanical vibration၊ temperature jitter နှင့် အခြား external factors များက သက်ရောက်မှုရှိသည်။ line width တန်ဖိုး နည်းလေ spectrum ၏ purity မြင့်လေဖြစ်ပြီး laser ၏ monochromaticity ပိုကောင်းလေဖြစ်သည်။ ထိုကဲ့သို့သော ဝိသေသလက္ခဏာများရှိသော laser များတွင် phase သို့မဟုတ် frequency noise အနည်းငယ်သာရှိပြီး relative intensity noise အနည်းငယ်သာရှိသည်။ တစ်ချိန်တည်းမှာပင် laser ၏ linear width တန်ဖိုး နည်းလေ coherence ပိုမိုအားကောင်းလေဖြစ်ပြီး ၎င်းသည် အလွန်ရှည်လျားသော coherence length အဖြစ် ပေါ်လွင်သည်။

ကျဉ်းမြောင်းသော မျဉ်းကြောင်းအကျယ် လေဆာကို အကောင်အထည်ဖော်ခြင်းနှင့် အသုံးချခြင်း

လေဆာ၏ အလုပ်လုပ်သော အရာ၏ inherent gain linewidth ဖြင့် ကန့်သတ်ထားသောကြောင့် ရိုးရာ oscillator ကိုယ်တိုင်ကို အားကိုးခြင်းဖြင့် narrow linewidth laser ၏ output ကို တိုက်ရိုက်ရရှိရန် မဖြစ်နိုင်သလောက်ပင်။ narrow linewidth laser ၏ လုပ်ဆောင်ချက်ကို အကောင်အထည်ဖော်ရန်အတွက် filter များ၊ grating နှင့် အခြားကိရိယာများကို အသုံးပြု၍ gain spectrum ရှိ longitudinal modulus ကို ကန့်သတ်ရန် သို့မဟုတ် ရွေးချယ်ရန်၊ longitudinal mode များအကြား net gain ကွာခြားချက်ကို တိုးမြှင့်ရန်၊ ထို့ကြောင့် laser resonator တွင် longitudinal mode oscillation အနည်းငယ် သို့မဟုတ် တစ်ခုသာ ရှိရန် လိုအပ်ပါသည်။ ဤလုပ်ငန်းစဉ်တွင်၊ laser output အပေါ် noise ၏ လွှမ်းမိုးမှုကို ထိန်းချုပ်ရန်နှင့် ပြင်ပပတ်ဝန်းကျင်၏ တုန်ခါမှုနှင့် အပူချိန်ပြောင်းလဲမှုများကြောင့် ဖြစ်ပေါ်လာသော spectral lines များ ကျယ်ပြန့်မှုကို လျှော့ချရန် မကြာခဏ လိုအပ်ပါသည်။ တစ်ချိန်တည်းမှာပင်၊ noise ၏ အရင်းအမြစ်ကို နားလည်ရန်နှင့် laser ၏ ဒီဇိုင်းကို အကောင်းဆုံးဖြစ်အောင် လုပ်ဆောင်ရန် phase သို့မဟုတ် frequency noise spectral density ကို ခွဲခြမ်းစိတ်ဖြာခြင်းနှင့်လည်း ပေါင်းစပ်နိုင်ပြီး narrow linewidth laser ၏ တည်ငြိမ်သော output ကို ရရှိစေပါသည်။

လေဆာအမျိုးအစား အများအပြား၏ ကျဉ်းမြောင်းသော မျဉ်းကြောင်းအကျယ် လုပ်ဆောင်ချက်ကို အကောင်အထည်ဖော်ပုံကို ကြည့်ကြပါစို့။

(၁)တစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်း လေဆာ

တစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်းလေဆာများသည် အရွယ်အစားသေးငယ်ခြင်း၊ စွမ်းဆောင်ရည်မြင့်မားခြင်း၊ သက်တမ်းရှည်ခြင်းနှင့် စီးပွားရေးအရ အကျိုးကျေးဇူးများကဲ့သို့သော အားသာချက်များရှိသည်။

ရိုးရာတွင်အသုံးပြုသော Fabry-Perot (FP) optical resonatorတစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်းလေဆာများယေဘုယျအားဖြင့် multi-longitudinal mode တွင် oscillates ဖြစ်ပြီး output line width သည် အတော်လေး ကျယ်ဝန်းသောကြောင့် ကျဉ်းမြောင်းသော line width ၏ output ရရှိရန် optical feedback ကို တိုးမြှင့်ရန် လိုအပ်ပါသည်။

Distributed feedback (DFB) နှင့် Distributed Bragg reflection (DBR) တို့သည် ပုံမှန် internal optical feedback semiconductor laser နှစ်ခုဖြစ်သည်။ grating pitch သေးငယ်ပြီး wavelength selectivity ကောင်းမွန်သောကြောင့် single-frequency ကျဉ်းမြောင်းသော linewidth output ကို တည်ငြိမ်စွာရရှိရန် လွယ်ကူသည်။ structure နှစ်ခုကြား အဓိကကွာခြားချက်မှာ grating ၏ position ဖြစ်သည်- DFB structure သည် Bragg grating ၏ periodic structure ကို resonator တစ်လျှောက်တွင် ဖြန့်ဝေလေ့ရှိပြီး DBR ၏ resonator သည် reflection grating structure နှင့် end surface တွင် ပေါင်းစပ်ထားသော gain region တို့ဖြင့် ဖွဲ့စည်းထားသည်။ ထို့အပြင်၊ DFB laser များသည် refractive index contrast နိမ့်ပြီး reflectivity နိမ့်သော embedded grating များကို အသုံးပြုသည်။ DBR laser များသည် refractive index contrast မြင့်မားပြီး reflectivity မြင့်မားသော surface grating များကို အသုံးပြုသည်။ structure နှစ်ခုစလုံးတွင် free spectral range ကြီးမားပြီး DBR laser တွင် tuning range ထက် ပိုမိုကျယ်ပြန့်သော nanometers အနည်းငယ်အတွင်း mode jump မပါဘဲ wavelength tuning ကို လုပ်ဆောင်နိုင်သည်။DFB လေဆာထို့အပြင်၊ semiconductor laser chip ၏ ထွက်သွားသောအလင်းကို feedback လုပ်ပြီး frequency ရွေးချယ်ရန် external optical element များကိုအသုံးပြုသည့် external cavity optical feedback နည်းပညာသည် semiconductor laser ၏ ကျဉ်းမြောင်းသော linewidth လုပ်ဆောင်ချက်ကိုလည်း အကောင်အထည်ဖော်နိုင်သည်။

(၂) ဖိုက်ဘာလေဆာများ

ဖိုက်ဘာလေဆာများတွင် မြင့်မားသော pump conversion efficiency၊ ကောင်းမွန်သော beam quality နှင့် မြင့်မားသော coupling efficiency ရှိပြီး ၎င်းတို့သည် လေဆာနယ်ပယ်တွင် ရေပန်းစားသော သုတေသနခေါင်းစဉ်များဖြစ်သည်။ သတင်းအချက်အလက်ခေတ်တွင် ဖိုက်ဘာလေဆာများသည် ဈေးကွက်ရှိ လက်ရှိ optical fiber ဆက်သွယ်ရေးစနစ်များနှင့် ကောင်းမွန်သော တွဲဖက်အသုံးပြုနိုင်မှုရှိသည်။ ကျဉ်းမြောင်းသော မျဉ်းကြောင်းအကျယ်၊ ဆူညံသံနည်းပါးခြင်းနှင့် ကောင်းမွန်သော ညီညွတ်မှုတို့၏ အားသာချက်များရှိသော single-frequency fiber laser သည် ၎င်း၏ ဖွံ့ဖြိုးတိုးတက်မှု၏ အရေးကြီးသော ဦးတည်ချက်များထဲမှ တစ်ခုဖြစ်လာခဲ့သည်။

Single longitudinal mode operation သည် fiber laser ၏ အဓိကလုပ်ဆောင်ချက်ဖြစ်ပြီး မျဉ်းကြောင်းအကျယ်အထွက်ကို ကျဉ်းမြောင်းစေရန်အတွက်ဖြစ်သည်။ single frequency fiber laser ၏ resonator ၏ဖွဲ့စည်းပုံအရ DFB အမျိုးအစား၊ DBR အမျိုးအစားနှင့် ring အမျိုးအစားဟူ၍ ခွဲခြားနိုင်သည်။ ၎င်းတို့တွင် DFB နှင့် DBR single-frequency fiber laser များ၏ လုပ်ဆောင်ပုံနိယာမသည် DFB နှင့် DBR semiconductor laser များနှင့် ဆင်တူသည်။

ပုံ ၁ တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း DFB fiber laser သည် distributed Bragg grating ကို fiber ထဲသို့ရေးသားရန်ဖြစ်သည်။ oscillator ၏အလုပ်လုပ်သော wavelength ကို fiber period ၏သက်ရောက်မှုကြောင့် grating ၏ distributed feedback မှတစ်ဆင့် longitudinal mode ကိုရွေးချယ်နိုင်သည်။ DBR laser ၏ laser resonator ကို fiber Bragg grating တစ်စုံဖြင့်ဖွဲ့စည်းလေ့ရှိပြီး single longitudinal mode ကို narrow band နှင့် low reflectivity fiber Bragg grating များဖြင့်အဓိကရွေးချယ်သည်။ သို့သော်၎င်း၏ရှည်လျားသော resonator၊ ရှုပ်ထွေးသောဖွဲ့စည်းပုံနှင့်ထိရောက်သော frequency discrimination mechanism မရှိခြင်းကြောင့် ring-shaped cavity သည် mode hopping ဖြစ်လွယ်ပြီး constant longitudinal mode တွင်ကြာရှည်စွာတည်ငြိမ်စွာအလုပ်လုပ်ရန်ခက်ခဲသည်။

ပုံ ၁၊ တစ်ခုတည်းသောကြိမ်နှုန်း၏ ပုံမှန် linear structures နှစ်ခုဖိုက်ဘာလေဆာများ