Laseri acordabili pentru comunicații optice

I. Introducere

Laserii sunt printre cele mai importante dispozitive optoelectronice utilizate in prezent, in stiinta, in tehnologie si industrie, datorita proprietatilor unice de monocromaticitate, directionalitate si coerenta ale radiatiei emise, rezultand densitati mari de energie si stari de polarizare usor de controlat. Radiatiile laser emise au lungimi de unda care acopera intreg domeniul spectral, pornind din domeniul infrarosu indepartat spre infrarosu apropiat, vizibil pana in ultraviolet, ultravioletul de vid si domeniul radiatiilor X.

O categorie aparte a laserilor o reprezinta cei acordabili, datorita posibilitatii de ajustare continuu sau discret, pe domenii spectrale mai mari sau mai mici, a lungimilor de unda ale radiatiilor emise. Pe langa laseri, care necesita un mediu activ (gazos, lichid sau solid) si implica inversia de populatie, ca sursa de radiatie acordabila se mai utilizeaza si Oscilatorul Optic Parametric (OPO), care nu implica inversia de populatie, dar necesita o sursa de pompaj de mare putere (laser). In functie de mediul activ si metoda constructiva, modul de excitare poate varia de la un laser la altul; la fel si modul de emisie in timp, care poate fi pulsat sau continuu.

Domeniul de acordabilitate reprezinta parametrul cel mai reprezentativ pentru laserii acordabili, iar dimensiunea acestuia determina gradul de utilizare a laserului in aplicatiile practice. De asemenea, in cele mai multe aplicatii este importanta si puterea optica a fasciculului emis, ceea ce presupune furnizarea unei puteri constante dealungul domeniului de acordare.

Laserii acordabili furnizeaza radiatii acordabile in domenii spectrale specifice. Astfel, unii laseri emit radiatie acordabila continuu pe un domeniu spectral larg, de ordinul sutelor de nm, in timp ce altii doar pe domenii de ordinul a catorva nanometri pana la zeci de nanometri sau pe lungimi de unda discrete, acordabilitatea realizandu-se pas-cu-pas.

Astfel, laserii cu corp solid, de exemplu laserul cu titan-safir sau laserii cu Cr:ZnSe si Cr:ZnS, permit acordarea de ordinul a sute de nanometri in domeniul spectral infrarosu apropiat si mediu. In cazul acestor laseri puterea emisa poate fi de ordinul sutelor de miliwatt sau chiar watt.

Laserii cu lichid (colorant) se pot acorda, pe un spectru larg, de ordinul sutelor de nm, in domeniile UV, vizibil si IR, prin utilizarea succesiva a diferiti coloranti in acelasi dispozitiv laser.

Unii laseri cu electroni liberi (FEL – free electron laser) pot acoperi un domeniu spectral de acordabilitate extrem de mare, si de cele mai multe ori, in regiuni spectrale extreme (2μm – 1mm).

Pentru benzi de acordabilitate mari (sute de nm) in domenii spectrale diferite se utilizeaza Oscilatorul Optic Parametric (OPO), care nu este un laser „pur”, dar cu toate acestea este inclus in categoria surselor laser acordabile.

Din categoria laserilor acordabili pe domenii mici, de ordinul a catorva nm pana la zeci de nm, fac parte diodele laser si unii laseri cu corp solid. Diodele laser, cel mai adesea, pot fi acordate dealungul a catorva nm, prin varierea temperaturii jonctiunii laser, sau pe domenii mai mari in spectrul vizibil si IR prin cuplarea cu o cavitate externa ce utilizeaza un element dispersiv (sistem dioda laser-cavitate extinsa). Unii laseri cu corp solid care au ca mediu activ un cristal dopat cu ioni de pamanturi rare sunt acordabili pe domenii spectrale de ordinul zecilor de nm, de regula in IR. De asemenea, laserii care au ca mediu activ o fibra optica dopata cu ioni de pamanturi rare, in general ytterbiu, pot fi acordati pe un o banda spectrala de ordinul zecilor de nanometri, cateodata pana la 100nm.

Din categoria laserilor acordabili pas cu pas fac parte cei mai multi laseri existenti comercial in acest moment, acordabilitatea pas cu pas fiind legata de proprietatea mediului activ de a emite numai pe cateva lungimi de unda discrete.

In general acordabilitatea laserilor este legata de existenta unor elemente dispersive incluse in cavitatea optica, care permit selectarea lungimii de unda dorite, si de proprietatea mediilor active de a emite la lungimi de unda, care sunt amplificate si selectate in functie de pozitiile elementelor dispersive.

Din punct de vedere al modului de functionare, laserii acordabili pot fi laseri cu emisie pulsata: laseri cu coloranti (200-1200nm ), laseri cu corp solid (660-986nm – Ti:Al2O3, 701-818nm – Cr:BeAl2O4) , OPO (450-710nm - Panther, Continuum 2000 , 0.41-2.7μm - BBO) si FEL (2 μm-1mm) ; sau laseri cu emisie continua: laseri cu coloranti (320-1200nm), laseri cu corp solid (710-870nm – Ti:Al2O3), laseri cu semiconductori (spectrul vizibil si IR).