W rozwoju laserów o wąskiej szerokości linii do dnia dzisiejszego ewolucja mechanizmów sprzężenia zwrotnego lasera jest równoznaczna z ewolucją struktur rezonatorów laserowych. Poniżej przedstawiono różne konfiguracje technologii laserów o wąskiej szerokości linii, zgodnie z kolejnością ewolucji rezonatorów laserowych.
Lasery z pojedynczą wnęką główną można strukturalnie podzielić na wnęki liniowe i wnęki pierścieniowe, a także według długości wnęki na struktury z krótką i długą wnęką. Lasery o krótkich wnękach charakteryzują się dużym odstępem między modami podłużnymi, co jest bardziej korzystne dla uzyskania operacji w pojedynczym trybie podłużnym (SLM), ale charakteryzują się dużą wewnętrzną szerokością linii wnęki i trudnościami w tłumieniu hałasu. Struktury o długich wnękach z natury charakteryzują się wąską szerokością linii i umożliwiają integrację różnorodnych urządzeń optycznych z elastycznymi konfiguracjami; jednakże ich wyzwanie techniczne polega na osiągnięciu działania SLM ze względu na zbyt mały odstęp między modami podłużnymi.
Jako klasyczna konfiguracja głównych wnęk lasera, wnęka liniowa ma zalety, takie jak prosta konstrukcja, wysoka wydajność i łatwa manipulacja. Historycznie rzecz biorąc, pierwszą prawdziwą wiązkę lasera wygenerowano przy użyciu liniowej struktury wnęki F-P. Wraz z późniejszym postępem nauki i technologii struktura F-P została szeroko przyjęta w laserach półprzewodnikowych, laserach światłowodowych i laserach na ciele stałym.
Wnęka pierścieniowa jest modyfikacją klasycznej wnęki liniowej, eliminującą wadę wnęk liniowych polegającą na przestrzennym wypalaniu dziur poprzez zastąpienie pól fali stojącej falami bieżącymi, aby uzyskać cykliczne wzmocnienie sygnałów optycznych. Napędzane rozwojem urządzeń światłowodowych, lasery światłowodowe o elastycznych strukturach wykonanych w całości z włókien wzbudziły duże zainteresowanie i stały się najszybciej rozwijającą się kategorią laserów w ciągu ostatnich dwóch dekad.
Lasery z oscylatorem pierścieniowym nieplanarnym (NPRO) reprezentują specjalną konfigurację lasera o fali bieżącej. Zazwyczaj główna wnęka takich laserów składa się z monolitycznego kryształu, który reguluje stan polaryzacji lasera poprzez odbicie od czoła kryształu i zewnętrzne pole magnetyczne, aby zapewnić jednokierunkowe działanie lasera. Taka konstrukcja znacznie zmniejsza obciążenie termiczne rezonatora laserowego, zapewnia wyjątkową stabilność długości fali i mocy oraz charakteryzuje się wąską szerokością linii.
Ograniczone czynnikami, takimi jak zbyt mała długość wnęki i wysokie straty wewnętrzne, konfiguracje lasera z pojedynczą wnęką liniową F-P, oparte na sprzężeniu zwrotnym wewnątrz wnęki, charakteryzują się ograniczonym czasem interakcji fotonów i trudnościami w eliminowaniu spontanicznej emisji z ośrodka wzmacniającego. Aby rozwiązać ten problem, badacze zaproponowali konfigurację ze sprzężeniem zwrotnym z pojedynczą wnęką zewnętrzną. Zewnętrzna wnęka wydłuża czas interakcji fotonów i dostarcza przefiltrowane fotony z powrotem do głównej wnęki, optymalizując w ten sposób wydajność lasera i kompresując szerokość linii. Wczesne proste struktury z wnęką zewnętrzną oparte na optyce przestrzennej, takie jak konfiguracje Littrowa i Littmana, wykorzystują zdolność dyspersji widmowej siatek do ponownego wstrzykiwania oczyszczonych sygnałów laserowych do głównej wnęki lasera, wywierając częstotliwość ciągnącą na główną wnękę w celu uzyskania kompresji szerokości linii. Ta pojedyncza struktura z wnęką zewnętrzną została później rozszerzona na lasery światłowodowe i lasery półprzewodnikowe.
Wyzwanie techniczne związane z konfiguracjami lasera ze sprzężeniem zwrotnym z pojedynczą wnęką zewnętrzną polega na dopasowaniu fazowym pomiędzy wnęką zewnętrzną a wnęką główną. Badania wykazały, że faza przestrzenna sygnału sprzężenia zwrotnego z wnęki zewnętrznej ma kluczowe znaczenie dla określenia progu, częstotliwości i względnej mocy wyjściowej lasera, a mody podłużne lasera są bardzo wrażliwe na intensywność i fazę sygnału sprzężenia zwrotnego.
Konfiguracja lasera DBR
Aby zwiększyć stabilność systemów laserowych i zintegrować urządzenia selektywne pod względem długości fali z główną strukturą wnęki, opracowano konfigurację DBR. Zaprojektowany w oparciu o rezonator F-P, rezonator DBR zastępuje zwierciadła struktury F-P okresowymi pasywnymi strukturami Bragga, aby zapewnić optyczne sprzężenie zwrotne. Ze względu na okresowy efekt filtrowania grzebieniowego struktury Bragga na tryby interferencji lasera, główna wnęka DBR z natury posiada właściwości filtrujące. W połączeniu z dużymi odstępami między modami wzdłużnymi, jakie zapewnia konstrukcja o krótkich wnękach, można łatwo osiągnąć działanie SLM. Chociaż okresowa struktura Bragga została pierwotnie zaprojektowana wyłącznie do wyboru długości fali, z punktu widzenia struktury wnęki reprezentuje ona również ewolucję struktury pojedynczej wnęki ze zwiększoną liczbą powierzchni sprzężenia zwrotnego.
Lasery DBR, sklasyfikowane według ośrodka wzmocnienia, obejmują lasery półprzewodnikowe i lasery światłowodowe. Lasery półprzewodnikowe mają naturalną przewagę w zakresie zgodności produkcyjnej z materiałami półprzewodnikowymi i technologiami przetwarzania mikro-nano. Wiele procesów produkcji półprzewodników, takich jak epitaksja wtórna, chemiczne osadzanie z fazy gazowej, fotolitografia schodkowa, nanoimprinting, trawienie wiązką elektronów i trawienie jonowe, można bezpośrednio zastosować w badaniach i produkcji laserów półprzewodnikowych.
Lasery światłowodowe DBR pojawiły się później niż lasery półprzewodnikowe DBR, co było ograniczone głównie przez rozwój przetwarzania falowodów światłowodowych i technologii wielodomieszkowania o wysokim stężeniu. Obecnie powszechne techniki wytwarzania falowodów światłowodowych obejmują maskowanie fazowe z defektem tlenowym i obróbkę laserem femtosekundowym, natomiast technologie domieszkowania włókien o wysokim stężeniu obejmują modyfikowane chemiczne osadzanie z fazy gazowej (MCVD) i chemiczne osadzanie z fazy gazowej w plazmie powierzchniowej (SCVD).
Kolejną konstrukcją rezonatora opartą na siatkach Bragga jest konfiguracja DFB. Główna wnęka lasera DFB integruje strukturę Bragga z obszarem aktywnym i wprowadza obszar przesunięcia fazowego w środku struktury w celu wyboru długości fali. Jak pokazano na ryc. 3 (b), konfiguracja ta charakteryzuje się wyższym stopniem integracji i jedności strukturalnej oraz łagodzi problemy, takie jak znaczny dryft długości fali i przeskakiwanie trybów w strukturach DBR, co czyni ją najbardziej stabilną i praktyczną konfiguracją lasera na obecnym etapie.
Wyzwanie techniczne laserów DFB polega na wytwarzaniu struktur siatkowych. Istnieją dwie podstawowe metody wytwarzania siatek w laserach półprzewodnikowych DBR: epitaksja wtórna i trawienie powierzchniowe. Lasery półprzewodnikowe z odrastającą siatką (RGF)-DFB wykorzystują epitaksję wtórną i fotolitografię do wyhodowania zestawu siatek o niskim współczynniku załamania światła w obszarze aktywnym. Metoda ta pozwala zachować strukturę warstwy aktywnej przy niskich stratach, ułatwiając wytwarzanie rezonatorów o wysokiej Q. Lasery półprzewodnikowe z siatką powierzchniową (SG)-DFB polegają na bezpośrednim wytrawieniu warstwy siatki na powierzchni obszaru aktywnego. Podejście to jest bardziej złożone i wymaga precyzyjnego dostosowania w zależności od materiału obszaru aktywnego i jonów domieszkujących i wykazuje większe straty, a jednocześnie zapewnia silniejsze zamknięcie optyczne i wyższą zdolność tłumienia modów.
Podobnie jak lasery światłowodowe DBR, lasery światłowodowe DFB opierają się na postępie w przetwarzaniu falowodów światłowodowych i technologiach włókien domieszkowanych o wysokim stężeniu. W porównaniu z laserami światłowodowymi DBR, lasery światłowodowe DFB stwarzają większe wyzwania w wytwarzaniu siatek ze względu na charakterystykę absorpcji długości fali jonów metali ziem rzadkich.
Lasery z główną wnęką o krótkiej wnęce, takie jak DFB i DBR, mają ograniczony czas interakcji fotonów wewnątrz wnęki, co utrudnia kompresję głębokiej linii. Aby jeszcze bardziej skompresować szerokość linii i stłumić szumy, takie konfiguracje z krótką wnęką i główną wnęką są często łączone ze strukturami z wnęką zewnętrzną w celu optymalizacji wydajności. Typowe struktury z wnęką zewnętrzną obejmują przestrzenne wnęki zewnętrzne, zewnętrzne wnęki światłowodowe i zewnętrzne wnęki falowodowe. Przed opracowaniem urządzeń światłowodowych i struktur falowodowych wnęki zewnętrzne składały się głównie z optyki przestrzennej połączonej z dyskretnymi elementami optycznymi. Wśród nich przestrzenne struktury sprzężenia zwrotnego z zewnętrzną wnęką oparte na siatkach wykorzystują głównie projekty Littrowa i Littmana, zwykle składające się z wnęki wzmocnienia lasera, soczewek sprzęgających i siatki dyfrakcyjnej. Siatka, jako element sprzężenia zwrotnego, umożliwia dostrojenie długości fali, wybór trybu i kompresję szerokości linii.
Ponadto przestrzenne struktury sprzężenia zwrotnego z wnęką zewnętrzną mogą zawierać szereg optycznych urządzeń filtrujących, takich jak etalony FP, przestrajalne filtry akustooptyczne/elektrooptyczne i interferometry. Te urządzenia filtrujące z natury posiadają możliwości wyboru trybu i mogą zastąpić siatki; niektóre etalony FP o wysokiej Q przewyższają nawet siatki odblaskowe pod względem zwężenia widma i kompresji szerokości linii.
Wraz z rozwojem technologii urządzeń światłowodowych zastąpienie przestrzennych struktur optycznych wysoce zintegrowanymi, solidnymi falowodami lub urządzeniami światłowodowymi stanowi skuteczną strategię poprawy stabilności systemu laserowego. Zewnętrzne wnęki światłowodowe są zwykle konstruowane poprzez łączenie urządzeń światłowodowych w celu utworzenia struktury składającej się wyłącznie z włókien, oferującej wysoką integrację, łatwość konserwacji i dużą odporność na zakłócenia. Struktury sprzężenia zwrotnego z zewnętrzną wnęką światłowodową mogą być prostym sprzężeniem zwrotnym z pętlą światłowodową lub rezonatorami wykonanymi w całości z włókien, FBG, wnękami światłowodowymi FP i rezonatorami WGM.
Lasery o wąskiej szerokości linii ze zintegrowanymi falowodowymi strukturami sprzężenia zwrotnego z zewnętrzną wnęką przyciągają powszechną uwagę ze względu na mniejszy rozmiar opakowania i bardziej stabilną pracę. Zasadniczo sprzężenie zwrotne falowodu z zewnętrzną wnęką opiera się na tych samych zasadach technicznych, co sprzężenie zwrotne z zewnętrzną wnęką światłowodu, ale różnorodność materiałów półprzewodnikowych i technologii przetwarzania mikro-nano umożliwia bardziej kompaktowe i stabilne systemy laserowe, zwiększając praktyczność falowodowych laserów o wąskiej szerokości linii ze sprzężeniem zwrotnym z zewnętrzną wnęką. Powszechnie stosowane materiały do laserów półprzewodnikowych obejmują związki Si, Si₃N₄ i III-V.
Konfiguracja optoelektronicznego lasera oscylacyjnego to specjalna architektura lasera ze sprzężeniem zwrotnym, w której sygnał sprzężenia zwrotnego jest zazwyczaj sygnałem elektrycznym lub jednoczesnym optoelektronicznym sprzężeniem zwrotnym. Najwcześniejszą technologią optoelektronicznego sprzężenia zwrotnego zastosowaną w laserach była technika stabilizacji częstotliwości PDH, która wykorzystuje elektryczne ujemne sprzężenie zwrotne do regulacji długości wnęki i blokowania częstotliwości lasera zgodnie z widmami odniesienia, takimi jak tryby rezonatora o wysokiej Q i linie absorpcyjne zimnych atomów. Dzięki dostrojeniu z ujemnym sprzężeniem zwrotnym rezonator laserowy może dopasować stan pracy lasera w czasie rzeczywistym, redukując niestabilność częstotliwości do rzędu 10⁻¹⁷. Jednakże elektryczne sprzężenie zwrotne ma istotne ograniczenia, w tym niską szybkość reakcji i zbyt złożone układy serwo obejmujące rozbudowane obwody. Czynniki te powodują duże trudności techniczne, rygorystyczną precyzję sterowania i wysokie koszty systemów laserowych. Co więcej, silna zależność systemu od źródeł odniesienia ściśle ogranicza długość fali lasera do określonych punktów częstotliwości, co jeszcze bardziej ogranicza jego praktyczne zastosowanie.
Prawa autorskie @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Chiny Moduły światłowodowe, producenci laserów ze sprzężeniem światłowodowym, dostawcy komponentów laserowych Wszelkie prawa zastrzeżone.
