În dezvoltarea laserelor cu lățime de linie îngustă până în prezent, evoluția mecanismelor de feedback cu laser a fost sinonimă cu evoluția structurilor rezonatoarelor laser. Mai jos sunt introduse diverse configurații ale tehnologiilor laser cu lățime de linie îngustă în ordinea evoluției rezonatoarelor laser.
Laserele cu o singură cavitate pot fi împărțite structural în cavități liniare și cavități inelare și, după lungimea cavității, în structuri cu cavitate scurtă și cavitate lungă. Laserele cu cavitate scurtă prezintă o distanță mare a modurilor longitudinale, care este mai avantajoasă pentru realizarea funcționării în modul longitudinal unic (SLM), dar suferă de o lățime de linie a cavității intrinseci largi și dificultăți în suprimarea zgomotului. Structurile cu cavitate lungă prezintă în mod inerent caracteristici de lățime de linie îngustă și permit integrarea diverselor dispozitive optice cu configurații flexibile; cu toate acestea, provocarea lor tehnică constă în realizarea funcționării SLM datorită distanței excesiv de mici ale modurilor longitudinale.
Ca o configurație clasică a cavităților principale laser, cavitatea liniară se mândrește cu avantaje precum o structură simplă, eficiență ridicată și manipulare ușoară. Din punct de vedere istoric, primul fascicul laser adevărat a fost generat folosind o structură de cavitate liniară F-P. Odată cu progresele ulterioare în știință și tehnologie, structura F-P a fost adoptată pe scară largă în laserele semiconductoare, laserele cu fibră și laserele cu stare solidă.
Cavitatea inelului este o modificare a cavității liniare clasice, depășind dezavantajul de ardere a găurilor spațiale al cavităților liniare prin înlocuirea câmpurilor de unde staționare cu unde care călătoresc pentru a obține amplificarea ciclică a semnalelor optice. Impulsat de dezvoltarea dispozitivelor cu fibră optică, laserele cu fibră cu structuri flexibile din toate fibrele au atras o atenție extinsă și au devenit categoria de lasere cu cea mai rapidă creștere în ultimele două decenii.
Laserele cu oscilator inelar non-planar (NPRO) reprezintă o configurație specială cu laser cu undă de călătorie. În mod obișnuit, cavitatea principală a unor astfel de lasere constă dintr-un cristal monolit, care reglează starea de polarizare a laserului prin reflexia cristalului la capătul feței și un câmp magnetic extern pentru a realiza funcționarea laser unidirecțională. Acest design reduce foarte mult sarcina termică a rezonatorului laser, oferă o stabilitate excepțională în lungime de undă și putere și are caracteristici de lățime de linie îngustă.
Constrânse de factori precum lungimea excesiv de scurtă a cavității și pierderea intrinsecă mare, configurațiile laser cu o singură cavitate liniară F-P bazate pe feedback intra-cavitate suferă de un timp limitat de interacțiune a fotonilor și dificultăți în eliminarea emisiei spontane din mediul de câștig. Pentru a aborda această problemă, cercetătorii au propus configurația de feedback cu o singură cavitate externă. Cavitatea externă funcționează pentru a prelungi timpul de interacțiune a fotonului și a alimenta fotonii filtrați înapoi în cavitatea principală, optimizând astfel performanța laserului și comprimând lățimea liniei. Structurile simple ale cavității externe, bazate pe optica spațială, cum ar fi configurațiile Littrow și Littman, utilizează capacitatea de dispersie spectrală a rețelelor pentru a reinjecta semnale laser purificate în cavitatea principală a laserului, exercitând frecvența de tragere asupra cavității principale pentru a obține compresia lățimii de linie. Această structură cu o singură cavitate externă a fost extinsă ulterior la lasere cu fibră și lasere semiconductoare.
Provocarea tehnică a configurațiilor laser cu feedback cu o singură cavitate externă constă în potrivirea de fază între cavitatea externă și cavitatea principală. Studiile au arătat că faza spațială a semnalului de feedback din cavitatea externă este critică pentru determinarea pragului laserului, a frecvenței și a puterii de ieșire relativă, iar modurile longitudinale laser sunt foarte sensibile la intensitatea și faza semnalului de feedback.
Configurare laser DBR
Pentru a spori stabilitatea sistemelor laser și pentru a integra dispozitive selective pentru lungimea de undă în structura cavității principale, a fost dezvoltată configurația DBR. Proiectat pe baza rezonatorului F-P, rezonatorul DBR înlocuiește oglinzile structurii F-P cu structuri Bragg periodice pasive pentru a oferi feedback optic. Datorită efectului periodic de filtrare cu pieptene al structurii Bragg asupra modurilor de interferență laser, cavitatea principală DBR posedă în mod inerent caracteristici de filtrare. Combinată cu distanța mare a modurilor longitudinale oferită de structura cu cavitate scurtă, funcționarea SLM este ușor de realizat. Deși structura periodică Bragg a fost concepută inițial exclusiv pentru selecția lungimii de undă, din perspectiva structurii cavității, ea reprezintă și o evoluție a structurii cu o singură cavitate cu un număr crescut de suprafețe de feedback.
Clasificate după mediu de câștig, laserele DBR includ lasere cu semiconductor și lasere cu fibră. Laserele semiconductoare au un avantaj natural în compatibilitatea de fabricație cu materialele semiconductoare și tehnologiile de procesare micro-nano. Multe procese de fabricare a semiconductorilor, cum ar fi epitaxia secundară, depunerea chimică în vapori, fotolitografia în trepte, nanoimprimarea, gravarea cu fascicul de electroni și gravarea ionică, pot fi aplicate direct cercetării și fabricării laserelor semiconductoare.
Laserele cu fibră DBR au apărut mai târziu decât laserele cu semiconductor DBR, limitate în principal de dezvoltarea procesării ghidurilor de undă din fibre și a tehnologiilor multi-doping de concentrație mare. În prezent, tehnicile obișnuite de fabricare a ghidurilor de undă de fibre includ mascarea de fază a defectelor de oxigen și procesarea laser cu femtosecunde, în timp ce tehnologiile de dopaj cu fibre de concentrație ridicată cuprind depunerea de vapori chimici modificați (MCVD) și depunerea de vapori chimici de suprafață cu plasmă (SCVD).
O altă structură rezonatoare bazată pe rețele Bragg este configurația DFB. Cavitatea principală laser DFB integrează structura Bragg cu regiunea activă și introduce o regiune de defazare în centrul structurii pentru selectarea lungimii de undă. Așa cum se arată în Fig. 3(b), această configurație prezintă un grad mai mare de integrare și unitate structurală și atenuează probleme precum deriva severă a lungimii de undă și saltul de mod în structurile DBR, făcând-o cea mai stabilă și practică configurație laser în stadiul actual.
Provocarea tehnică a laserelor DFB constă în fabricarea structurilor de grătare. Există două metode principale pentru fabricarea rețelelor în laserele semiconductoare DBR: epitaxia secundară și gravarea suprafeței. Laserele semiconductoare DFB cu feedback cu rețea regenerată (RGF) folosesc epitaxie secundară și fotolitografie pentru a crește un set de rețele cu indice de refracție scăzut în regiunea activă. Această metodă păstrează structura stratului activ cu pierderi reduse, facilitând fabricarea rezonatoarelor cu Q mare. Laserele semiconductoare cu rețea de suprafață (SG)-DFB implică gravarea directă a unui strat de rețea pe suprafața regiunii active. Această abordare este mai complexă, necesitând o ajustare precisă în funcție de materialul regiunii active și de ionii dopanți și prezintă pierderi mai mari, dar oferă totuși o limitare optică mai puternică și o capacitate mai mare de suprimare a modului.
Similar cu laserele cu fibră DBR, laserele cu fibră DFB se bazează pe progresele în procesarea ghidului de undă al fibrei și pe tehnologiile de fibră dopată de mare concentrație. În comparație cu laserele cu fibră DBR, laserele cu fibră DFB prezintă provocări mai mari în fabricarea rețelelor datorită caracteristicilor de absorbție a lungimii de undă ale ionilor de pământuri rare.
Laserele cu cavitate principală cu cavitate scurtă, cum ar fi DFB și DBR, au timp limitat de interacțiune a fotonilor intra-cavități, ceea ce face dificilă compresia lățimii de linie profundă. Pentru a comprima și mai mult lățimea liniei și a suprima zgomotul, astfel de configurații de cavitate principală cu cavitate scurtă sunt adesea combinate cu structuri cu cavitate externă pentru optimizarea performanței. Structurile comune ale cavității externe includ cavitățile externe spațiale, cavitățile externe ale fibrelor și cavitățile externe ale ghidului de undă. Înainte de dezvoltarea dispozitivelor cu fibră optică și a structurilor ghidurilor de undă, cavitățile externe erau compuse predominant din optică spațială combinată cu componente optice discrete. Printre acestea, structurile spațiale de feedback din cavitatea externă bazate pe rețele adoptă în principal modelele Littrow și Littman, constând de obicei dintr-o cavitate de câștig laser, lentile de cuplare și un rețea de difracție. Rețeaua, ca element de feedback, permite reglarea lungimii de undă, selectarea modului și compresia lățimii de linie.
În plus, structurile spațiale de feedback din cavitatea externă pot încorpora o gamă largă de dispozitive de filtrare optică, cum ar fi etalonii F-P, filtre reglabile acusto-optice/electro-optice și interferometre. Aceste dispozitive de filtrare posedă în mod inerent capabilități de selecție a modului și pot înlocui grătarele; anumiți etaloni F-P de înaltă Q depășesc chiar și rețelele reflectorizante în îngustarea spectrală și compresia lățimii de linie.
Odată cu progresul tehnologiei dispozitivelor cu fibră optică, înlocuirea structurilor optice spațiale cu ghiduri de undă din fibră puternic integrate și robuste sau dispozitive din fibră reprezintă o strategie eficientă pentru îmbunătățirea stabilității sistemului laser. Cavitățile externe ale fibrei sunt de obicei construite prin îmbinare a dispozitivelor cu fibre pentru a forma o structură din fibre, oferind o integrare ridicată, ușurință de întreținere și imunitate puternică la interferențe. Structurile de feedback din cavitatea externă ale fibrei pot fi simple feedback în buclă de fibră sau rezonatoare din fibre, FBG, cavități F-P din fibră și rezonatoare WGM.
Laserele cu lățime de linie îngustă cu structuri integrate de feedback din cavitatea externă a ghidului de undă au atras atenția pe scară largă datorită dimensiunii lor mai mici a pachetului și performanței mai stabile. În esență, feedback-ul din cavitatea externă a ghidului de undă urmează aceleași principii tehnice ca și feedback-ul din cavitatea externă a fibrei, dar diversitatea materialelor semiconductoare și a tehnologiilor de procesare micro-nano permit sisteme laser mai compacte și mai stabile, sporind caracterul practic al laserelor cu lățime de linie îngustă cu feedback cu ghid de undă. Materialele laser semiconductoare utilizate în mod obișnuit includ compuși Si, Si₃N₄ și III-V.
Configurația laser cu oscilație optoelectronică este o arhitectură laser cu feedback special, în care semnalul de feedback este de obicei un semnal electric sau un feedback optoelectronic simultan. Cea mai veche tehnologie de feedback optoelectronic aplicată laserelor a fost tehnica de stabilizare a frecvenței PDH, care folosește feedback electric negativ pentru a regla lungimea cavității și pentru a bloca frecvența laserului la spectre de referință, cum ar fi modurile de rezonanță cu Q mare și liniile de absorbție a atomului rece. Prin reglarea cu feedback negativ, rezonatorul laser poate potrivi starea de funcționare a laserului în timp real, reducând instabilitatea frecvenței la ordinul a 10⁻¹⁷. Cu toate acestea, feedback-ul electric suferă de limitări semnificative, inclusiv viteză lentă de răspuns și sisteme servo prea complexe care implică circuite extinse. Acești factori au ca rezultat o dificultate tehnică ridicată, o precizie strictă de control și costuri ridicate pentru sistemele laser. În plus, dependența puternică a sistemului de sursele de referință limitează strict lungimea de undă laser la anumite puncte de frecvență, limitând și mai mult aplicabilitatea sa practică.
Drepturi de autor @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Module de fibră optică din China, producători de lasere cuplate cu fibră, furnizori de componente laser Toate drepturile rezervate.
