¿Cómo medir el ancho de un pico espectral muy estrecho sin instrumentos costosos?

Para medir el ancho de la línea láser, puede construir un interferómetro de Michaelson con la longitud de una trayectoria de haz ajustable. Mida el contraste de la franja de interferencia en función de la diferencia de longitud del camino. El ancho de línea está inversamente relacionado con el rango de diferencia de longitud de ruta sobre el cual puede ver las franjas. Por lo tanto, un láser de frecuencia única producirá franjas en varios metros de diferencia de longitud de trayectoria, mientras que un láser HeNe barato producirá franjas visibles solo en unos 30 centímetros de diferencia de longitud de trayectoria. Ese rango de diferencia de longitud de trayectoria en el que se obtienen franjas de alto contraste se denomina longitud de coherencia. Los primeros láseres de diodo violeta tenían solo un milímetro de longitud de coherencia. Ahora es posible comprar láseres de diodo con muchos centímetros de longitud de coherencia.

Editar: a veces se afirma erróneamente que la longitud de coherencia es igual o depende de la longitud de la cavidad. Eso es en su mayoría una tontería. Una cavidad láser de cualquier longitud fija solo puede admitir ciertos modos de oscilación, el medio láser amplificará solo un rango finito de longitudes de onda y los espejos de la cavidad solo reflejarán un cierto rango de longitudes de onda de manera eficiente. Todos esos factores juntos limitan los modos de oscilación que contribuyen al haz de salida. Cuantos más modos haya en la salida, mayor será el ancho de línea del láser; y cuanto mayor sea el ancho de línea, menor será la longitud de coherencia. Si solo un modo de oscilación contribuye a la salida, el láser es de una sola frecuencia y tiene una longitud de coherencia muy larga: a menudo del orden de diez metros o más.

Una cosa más puede limitar el número de modos que contribuyen al haz de salida: un etalon en la cavidad. Un etalon es esencialmente una placa plana de vidrio. El etalón en sí transmitirá solo ciertas longitudes de onda de luz de manera eficiente, según el grosor de la placa y el ángulo en el que incide el haz. Cuando un etalon está en la cavidad del láser y sintonizado (inclinado) con precisión en uno de los modos "naturales" del láser, solo se amplificará ese modo y el láser emitirá una sola frecuencia con muchos metros de longitud de coherencia. En un láser de diodo con una cavidad de gran finura, la longitud de la cavidad puede ser tan corta que solo se admita un modo óptico. En este caso, el láser de diodo actúa como su propio etalon y emite un haz de una sola frecuencia.

A veces se afirma que la causa de la longitud de coherencia corta en un láser son los "cambios de fase aleatorios". Esto es un poco cierto, pero mayormente erróneo. Si fuera posible medir la fase instantánea de un rayo láser con longitud de coherencia finita, es cierto que la fase variaría rápidamente. Incluso parecería que la variación es aleatoria. Sin embargo, la variación de fase se debe a la presencia de múltiples componentes (modos) de longitud de onda/frecuencia superpuestos en el haz. En esencia, la variación de fase ocurriría en una combinación de frecuencias correspondientes a las diferencias de frecuencia entre los diferentes modos emitidos por el láser. Está lejos de ser aleatorio. Por supuesto, cualquier cosa que altere la estructura de modo del láser, como la variación de temperatura, cambiará lentamente el contenido de frecuencia del láser.

En pocas palabras: mida la longitud de coherencia de su láser, y eso le dará una idea del ancho de la línea. Consulte este sitio web para obtener la fórmula para calcular el ancho de línea a partir de la longitud de coherencia.