Při vývoji laserů s úzkou šířkou čáry až do současnosti byl vývoj mechanismů laserové zpětné vazby synonymem pro vývoj struktur laserových rezonátorů. Níže jsou představeny různé konfigurace laserových technologií s úzkou šířkou čáry v pořadí vývoje laserových rezonátorů.
Lasery s jednou hlavní dutinou lze strukturálně rozdělit na lineární dutiny a prstencové dutiny a podle délky dutiny na krátkodutinové a dlouhodutinové struktury. Lasery s krátkou dutinou se vyznačují velkou vzdáleností podélných vidů, což je výhodnější pro dosažení provozu s jedním podélným režimem (SLM), ale trpí velkou šířkou vnitřní dutiny a potížemi při potlačování hluku. Struktury s dlouhou dutinou přirozeně vykazují charakteristiky úzké šířky čáry a umožňují integraci různých optických zařízení s flexibilními konfiguracemi; jejich technická výzva však spočívá v dosažení provozu SLM kvůli příliš malé vzdálenosti podélných režimů.
Jako klasická konfigurace hlavních laserových dutin se lineární dutina může pochlubit výhodami, jako je jednoduchá struktura, vysoká účinnost a snadná manipulace. Historicky první skutečný laserový paprsek byl generován pomocí struktury lineární dutiny F-P. S následným pokrokem ve vědě a technologii byla struktura F-P široce přijata v polovodičových laserech, vláknových laserech a pevnolátkových laserech.
Kruhová dutina je modifikací klasické lineární dutiny, která překonává nevýhodu lineárních dutin s prostorovým vypalováním otvorů tím, že nahrazuje pole stojatých vln postupnými vlnami, aby se dosáhlo cyklického zesilování optických signálů. Díky vývoji zařízení s optickými vlákny si vláknové lasery s flexibilní celovláknovou strukturou získaly rozsáhlou pozornost a v posledních dvou desetiletích se staly nejrychleji rostoucí kategorií laserů.
Lasery s neplanárním prstencovým oscilátorem (NPRO) představují speciální konfiguraci laseru s postupnou vlnou. Typicky se hlavní dutina takových laserů skládá z monolitického krystalu, který reguluje stav polarizace laseru prostřednictvím odrazu na konci krystalu a vnějšího magnetického pole pro realizaci jednosměrné laserové operace. Tato konstrukce výrazně snižuje tepelné zatížení laserového rezonátoru, poskytuje výjimečnou stabilitu vlnové délky a výkonu a vyznačuje se úzkými charakteristikami šířky čáry.
Omezené faktory, jako je nadměrně krátká délka dutiny a vysoká vnitřní ztráta, konfigurace laseru F-P s lineární dutinou s jednou dutinou založené na zpětné vazbě uvnitř dutiny trpí omezenou dobou interakce fotonů a obtížemi při eliminaci spontánní emise ze zesilovacího média. K vyřešení tohoto problému výzkumníci navrhli konfiguraci jediné externí zpětné vazby. Vnější dutina funguje tak, že prodlužuje dobu interakce fotonů a dodává filtrované fotony zpět do hlavní dutiny, čímž optimalizuje výkon laseru a komprimuje šířku čáry. Rané jednoduché struktury s vnější dutinou založené na prostorové optice, jako jsou konfigurace Littrow a Littman, využívají spektrální disperzní schopnost mřížek k opětovnému vstřikování vyčištěných laserových signálů do hlavní dutiny laseru, přičemž vyvíjejí frekvenční tah na hlavní dutinu, aby se dosáhlo komprese šířky čáry. Tato jediná struktura s vnější dutinou byla později rozšířena na vláknové lasery a polovodičové lasery.
Technická výzva konfigurací laseru se zpětnou vazbou s jedinou externí dutinou spočívá ve fázovém přizpůsobení mezi vnější dutinou a hlavní dutinou. Studie ukázaly, že prostorová fáze signálu zpětné vazby z vnější dutiny je kritická pro určení prahu laseru, frekvence a relativního výstupního výkonu a podélné režimy laseru jsou vysoce citlivé na intenzitu a fázi signálu zpětné vazby.
Konfigurace DBR laseru
Pro zvýšení stability laserových systémů a integraci vlnově selektivních zařízení do struktury hlavní dutiny byla vyvinuta konfigurace DBR. DBR rezonátor, navržený na základě F-P rezonátoru, nahrazuje zrcadla F-P struktury periodickými pasivními Braggovými strukturami, které poskytují optickou zpětnou vazbu. Díky periodickému hřebenovému filtračnímu efektu Braggovy struktury na režimy laserové interference má hlavní dutina DBR neodmyslitelně filtrační vlastnosti. V kombinaci s velkou vzdáleností podélných režimů, kterou poskytuje struktura s krátkou dutinou, lze snadno dosáhnout provozu SLM. Ačkoli periodická Braggova struktura byla původně navržena pouze pro výběr vlnových délek, z hlediska struktury dutiny představuje také evoluci struktury s jednou dutinou se zvýšeným počtem povrchů zpětné vazby.
Lasery DBR klasifikované podle média zisku zahrnují polovodičové lasery a vláknové lasery. Polovodičové lasery mají přirozenou výhodu ve výrobní kompatibilitě s polovodičovými materiály a technologiemi mikro-nano zpracování. Mnoho procesů výroby polovodičů, jako je sekundární epitaxe, chemická depozice z par, kroková fotolitografie, nanoimprinting, leptání elektronovým paprskem a iontové leptání, lze přímo aplikovat na výzkum a výrobu polovodičových laserů.
Vláknové lasery DBR se objevily později než polovodičové lasery DBR, což bylo omezeno především rozvojem zpracování vláknových vlnovodů a technologií multidopingu s vysokou koncentrací. V současné době běžné techniky výroby vlnovodů vláken zahrnují fázové maskování defektu kyslíku a zpracování femtosekundovým laserem, zatímco technologie dopování vláken s vysokou koncentrací zahrnují modifikovanou chemickou depozici z plynné fáze (MCVD) a povrchovou plazmovou chemickou depozici z plynné fáze (SCVD).
Další strukturou rezonátoru založenou na Braggových mřížkách je konfigurace DFB. Hlavní dutina DFB laseru integruje Braggovu strukturu s aktivní oblastí a zavádí oblast fázového posunu ve středu struktury pro výběr vlnové délky. Jak je znázorněno na obr. 3(b), tato konfigurace se vyznačuje vyšším stupněm integrace a strukturální jednoty a zmírňuje problémy, jako je silný drift vlnové délky a přeskakování módů ve strukturách DBR, což z ní činí nejstabilnější a nejpraktičtější konfiguraci laseru v současné fázi.
Technická výzva laserů DFB spočívá ve výrobě mřížkových struktur. Existují dvě primární metody pro výrobu mřížek v polovodičových laserech DBR: sekundární epitaxe a povrchové leptání. Polovodičové lasery RGF-DFB využívají sekundární epitaxi a fotolitografii k růstu sady mřížek s nízkým indexem lomu v aktivní oblasti. Tato metoda zachovává strukturu aktivní vrstvy s nízkou ztrátou, což usnadňuje výrobu vysoce Q rezonátorů. Polovodičové lasery s povrchovou mřížkou (SG)-DFB zahrnují přímé leptání vrstvy mřížky na povrch aktivní oblasti. Tento přístup je složitější, vyžaduje přesné nastavení podle materiálu aktivní oblasti a dopingových iontů a vykazuje vyšší ztráty, přesto nabízí silnější optické omezení a vyšší schopnost potlačení režimu.
Podobně jako vláknové lasery DBR se vláknové lasery DFB spoléhají na pokroky ve zpracování vláknových vlnovodů a technologií dopovaných vláken s vysokou koncentrací. Ve srovnání s vláknovými lasery DBR představují vláknové lasery DFB větší problémy při výrobě mřížek kvůli absorpčním charakteristikám vlnové délky iontů vzácných zemin.
Lasery s krátkou dutinou, jako jsou DFB a DBR, mají omezenou dobu interakce fotonů uvnitř dutiny, což ztěžuje hlubokou kompresi šířky čáry. Pro další kompresi šířky čáry a potlačení šumu se takové konfigurace s krátkou hlavní dutinou často kombinují se strukturami s vnější dutinou pro optimalizaci výkonu. Běžné struktury s vnějšími dutinami zahrnují prostorové vnější dutiny, vnější dutiny vláken a vnější dutiny vlnovodu. Před vývojem zařízení s optickými vlákny a vlnovodných struktur byly vnější dutiny složeny převážně z prostorové optiky kombinované s diskrétními optickými součástmi. Mezi nimi, mřížkové struktury založené na prostorové vnější dutině zpětné vazby převážně přebírají návrhy Littrow a Littman, typicky sestávající z dutiny pro zisk laseru, spojovacích čoček a difrakční mřížky. Mřížka jako prvek zpětné vazby umožňuje ladění vlnové délky, výběr režimu a kompresi šířky čáry.
Kromě toho mohou prostorové zpětnovazební struktury s vnější dutinou zahrnovat řadu optických filtračních zařízení, jako jsou etalony F-P, akusticko-optické/elektrooptické laditelné filtry a interferometry. Tato filtrační zařízení mají ze své podstaty možnosti volby režimu a mohou nahradit mřížky; některé etalony high-Q F-P dokonce překonávají odrazové mřížky ve spektrálním zúžení a kompresi šířky čar.
S pokrokem technologie optických zařízení představuje nahrazení prostorových optických struktur vysoce integrovanými, robustními vláknovými vlnovody nebo vláknovými zařízeními účinnou strategii pro zlepšení stability laserového systému. Vnější dutiny vláken jsou obvykle konstruovány spojením vláknových zařízení tak, aby vytvořily celovláknovou strukturu, která nabízí vysokou integraci, snadnou údržbu a silnou odolnost vůči rušení. Vláknové zpětnovazební struktury s vnější dutinou mohou být jednoduché zpětnovazební smyčky vláken nebo celovláknové rezonátory, FBG, vláknové F-P dutiny a WGM rezonátory.
Lasery s úzkou šířkou čáry s integrovanými strukturami se zpětnou vazbou z vnější dutiny vlnovodu přitahovaly širokou pozornost díky menší velikosti pouzdra a stabilnějšímu výkonu. Zpětná vazba z vnější dutiny vlnovodu se v podstatě řídí stejnými technickými principy jako zpětná vazba z vnější dutiny vlákna, ale rozmanitost polovodičových materiálů a technologie mikro-nano zpracování umožňují kompaktnější a stabilnější laserové systémy, což zvyšuje praktičnost laserů s úzkou šířkou zpětné vazby vlnovodu s vnější dutinou. Mezi běžně používané materiály pro polovodičové lasery patří sloučeniny Si, Si3N4 a III-V.
Optoelektronická oscilační laserová konfigurace je speciální architektura zpětnovazebního laseru, kde zpětnovazební signál je typicky elektrický signál nebo současná optoelektronická zpětná vazba. Nejstarší optoelektronickou zpětnovazební technologií použitou u laserů byla technika stabilizace frekvence PDH, která využívá elektrickou negativní zpětnou vazbu k úpravě délky dutiny a uzamknutí frekvence laseru k referenčním spektrům, jako jsou režimy rezonátoru s vysokým Q a absorpční čáry studených atomů. Prostřednictvím ladění negativní zpětné vazby může laserový rezonátor odpovídat provoznímu stavu laseru v reálném čase, čímž se snižuje frekvenční nestabilita na řádově 10⁻¹⁷. Elektrická zpětná vazba však trpí významnými omezeními, včetně pomalé rychlosti odezvy a příliš složitých servosystémů zahrnujících rozsáhlé obvody. Tyto faktory mají za následek vysokou technickou náročnost, přísnou přesnost ovládání a vysoké náklady na laserové systémy. Kromě toho silná závislost systému na referenčních zdrojích přísně omezuje vlnovou délku laseru na specifické frekvenční body, což dále omezuje jeho praktickou použitelnost.
Copyright @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Čína moduly optických vláken, výrobci laserů s vlákny, dodavatelé laserových komponent Všechna práva vyhrazena.
