Кратко — факторы, механизмы и влияние на спектроскопию:
1) Основные физические факторы, задающие ширину и модуляцию частоты
- Внутреннее расширение линии среды усиления (гомогенное vs. не‑гомогенное). Для гомогенно расширенной линии усиление при росте накачки ведёт к «gain‑narrowing», для не‑гомогенной — возможная многолинейная генерация и расширение спектра.
- Флуктуации фазы/амплитуды от спонтанного излучения (Schawlow–Townes‑ограничение): в общем виде ширина уменьшается с увеличением выходной мощности, формально
$\Delta {\nu }_{ST}\propto \frac{1}{P_{out}}$.
- Релаксационно‑резонансные колебания запасённой энергии (relaxation oscillations). Частота и амплитуда ростут с накачкой:
${\omega }_{RO}\approx \sqrt{\frac{1}{{\tau }_p{\tau }_s}(r-1)}$,
где ${\tau }_p$ — фотонное время жизни в резонаторе, ${\tau }_s$ — время релаксации инверсии, $r$ — относительная накачка ($P/P_{th}$).
- Нелинейные оптические эффекты при больших интенсивностях: самофазовая модуляция (SPM, Kerr), четырехволновое смешивание, усиление спонтанного излучения (ASE). Нелинная фаза
${\varphi }_{NL}(t)=\gamma LI(t),\gamma =\frac{2\pi n_2}{\lambda A_{eff}}$,
и мгновенная частотная модуляция примерно
$\Delta \omega (t)\approx -\frac{d{\varphi }_{NL}}{dt}$.
- Тепловые и механические эффекты от накачки: изменение показателя преломления и длины резонатора (термальное линзирование, деформация) приводит к дрейфу/широкому «шуму» частоты. Относительная частотная сдвиговая связь:
$\frac{\delta \nu }{{\nu }_0}=-\frac{\delta (nL)}{nL}$.
- Режимность резонатора и конкуренция мод: многомодовое излучение при сильной накачке расширяет спектр; селекция одной моды (узкополосный эталон, одночастотный режим) даёт узкую линию.
- Технический шум (пульсации накачки, питание, вибрации, температурные флуктуации) — часто доминирует над квантовым пределом при практических мощностях.
2) Как меняется при высокой накачке
- Квантово‑идеальный вклад (Schawlow–Townes) уменьшается → потенциально уже более узкая линия при росте мощности.
- Практически при высоких интенсивностях возрастают SPM и тепловые/механические шумы → частотная модуляция (chirp) и широкая многокомпонентная полоса. Режимные переходы и relaxation oscillations могут давать сильный пик шумовой плотности на ${\omega }_{RO}$.
- Баланс между «gain‑narrowing» и нелинейными/техническими эффектами определяет итоговую ширину: при аккуратной стабилизации можно получить сужение, без — расширение и нестабильность.
3) Влияние на спектроскопию высокой точности
- Требования: малый спектральный разброс, низкий фазовый шум и стабильная средняя частота. Широкий или хирающий лазер ограничивает разрешение и точность центровой частоты (усиливает систематические ошибки, ухудшает сигнал‑к‑шум).
- При высоких мощностях возможны преимущества (лучше SNR, меньший Schawlow‑вклад), но преимущественно выигрыши нивелируются увеличением фазового шума и нелинейных искажений. Для сверхточной спектроскопии обычно предпочитают:
- низкоинтенсивные одночастотные осцилляторы с последующим усилением (iat‑amplifiers с компенсацией хира и SPM),
- активную частотную стабилизацию к эталонному резонатору (PDH и т.д.),
- сокращение технического шума накачки и термостабилизацию,
- увеличение поперечного размера моды/понижение плотности мощности для уменьшения n2‑эффектов.
- Для требований на уровне Гц и ниже необходима комбинация одночастотной генерации, низкой плотности мощности в активном объёме или компенсации хирапа, и активной обратной связи на эталон.
4) Практические рекомендации (коротко)
- Для точной спектроскопии: использовать одночастотный режим, стабилизацию к ультра‑узкому оптическому эталону, снизить плотность интенсивности в активной среде (большой Aeff или усилитель вне резонатора), фильтровать ASE и подавлять многомодность, стабилизировать накачку и температуру, применять компенсацию фазовой модуляции (пре/пост‑хир коррекция).
Итог: при высокой накачке внутренний квантовый предел может улучшаться (меньше Schawlow‑вклад), но нелинейные эффекты, релаксационные колебания и технические шумы чаще приводят к увеличению ширины и модуляции частоты; для высокоточной спектроскопии это требует комплексных мер по селекции моды и активной стабилизации.