Pri vývoji laserov s úzkou šírkou čiary až do súčasnosti bol vývoj mechanizmov laserovej spätnej väzby synonymom vývoja štruktúr laserových rezonátorov. Nižšie sú uvedené rôzne konfigurácie laserových technológií s úzkou šírkou čiary v poradí vývoja laserových rezonátorov.
Lasery s jednou hlavnou dutinou možno štrukturálne rozdeliť na lineárne dutiny a prstencové dutiny a podľa dĺžky dutiny na štruktúry s krátkou dutinou a dlhou dutinou. Lasery s krátkou dutinou sa vyznačujú veľkým rozstupom pozdĺžnych režimov, čo je výhodnejšie na dosiahnutie prevádzky s jedným pozdĺžnym režimom (SLM), ale trpia veľkou šírkou vnútornej dutiny a ťažkosťami pri potláčaní hluku. Štruktúry s dlhými dutinami vo svojej podstate vykazujú charakteristiky úzkej šírky čiary a umožňujú integráciu rôznych optických zariadení s flexibilnými konfiguráciami; ich technická výzva však spočíva v dosiahnutí prevádzky SLM v dôsledku príliš malého rozstupu pozdĺžnych režimov.
Ako klasická konfigurácia hlavných dutín lasera sa lineárna dutina môže pochváliť výhodami, ako je jednoduchá štruktúra, vysoká účinnosť a ľahká manipulácia. Historicky prvý skutočný laserový lúč bol vygenerovaný pomocou štruktúry lineárnej dutiny F-P. S následným pokrokom vo vede a technike bola štruktúra F-P široko prijatá v polovodičových laseroch, vláknových laseroch a pevnolátkových laseroch.
Kruhová dutina je modifikáciou klasickej lineárnej dutiny, ktorá prekonáva nevýhodu priestorového vypaľovania dier lineárnych dutín nahradením polí stojatých vĺn postupnými vlnami, aby sa dosiahlo cyklické zosilnenie optických signálov. Vďaka vývoju zariadení s optickými vláknami si vláknové lasery s flexibilnými celovláknovými štruktúrami získali veľkú pozornosť a za posledné dve desaťročia sa stali najrýchlejšie rastúcou kategóriou laserov.
Lasery s neplanárnym prstencovým oscilátorom (NPRO) predstavujú špeciálnu konfiguráciu lasera s postupnou vlnou. Hlavná dutina takýchto laserov sa zvyčajne skladá z monolitického kryštálu, ktorý reguluje stav polarizácie lasera prostredníctvom odrazu na čelnej strane kryštálu a vonkajšieho magnetického poľa na realizáciu jednosmernej laserovej prevádzky. Táto konštrukcia výrazne znižuje tepelné zaťaženie laserového rezonátora, poskytuje výnimočnú stabilitu vlnovej dĺžky a výkonu a vyznačuje sa charakteristikami úzkej šírky čiary.
Obmedzené faktormi, ako je nadmerne krátka dĺžka dutiny a vysoká vnútorná strata, konfigurácie lasera F-P s lineárnou dutinou s jednou dutinou založené na spätnej väzbe vo vnútri dutiny trpia obmedzeným časom interakcie fotónov a ťažkosťami pri eliminácii spontánnej emisie zo zosilňovacieho média. Na vyriešenie tohto problému výskumníci navrhli jedinú konfiguráciu spätnej väzby vonkajšej dutiny. Vonkajšia dutina slúži na predĺženie času interakcie fotónov a privádzanie filtrovaných fotónov späť do hlavnej dutiny, čím sa optimalizuje výkon lasera a stláča sa šírka čiary. Skoré jednoduché štruktúry vonkajšej dutiny založené na priestorovej optike, ako sú konfigurácie Littrow a Littman, využívajú spektrálnu disperznú schopnosť mriežok na opätovné vstrekovanie vyčistených laserových signálov do hlavnej dutiny lasera, pričom vyvíjajú frekvenčné ťahanie na hlavnú dutinu, aby sa dosiahla kompresia šírky čiary. Táto jediná štruktúra s vonkajšou dutinou bola neskôr rozšírená na vláknové lasery a polovodičové lasery.
Technická výzva konfigurácií lasera so spätnou väzbou s jednou vonkajšou dutinou spočíva vo fázovom prispôsobení medzi vonkajšou dutinou a hlavnou dutinou. Štúdie ukázali, že priestorová fáza signálu spätnej väzby z vonkajšej dutiny je rozhodujúca pre určenie prahu lasera, frekvencie a relatívneho výstupného výkonu a pozdĺžne režimy lasera sú vysoko citlivé na intenzitu a fázu signálu spätnej väzby.
Konfigurácia lasera DBR
Na zvýšenie stability laserových systémov a integráciu zariadení selektívnych pre vlnovú dĺžku do štruktúry hlavnej dutiny bola vyvinutá konfigurácia DBR. Rezonátor DBR, navrhnutý na základe F-P rezonátora, nahrádza zrkadlá F-P štruktúry periodickými pasívnymi Braggovými štruktúrami, aby poskytoval optickú spätnú väzbu. Vďaka periodickému hrebeňovému filtračnému účinku Braggovej štruktúry na režimy laserovej interferencie má hlavná dutina DBR vo svojej podstate filtračné vlastnosti. V kombinácii s veľkým rozstupom pozdĺžnych režimov, ktorý poskytuje štruktúra s krátkou dutinou, je možné ľahko dosiahnuť prevádzku SLM. Hoci periodická Braggova štruktúra bola pôvodne navrhnutá výlučne na výber vlnových dĺžok, z perspektívy štruktúry dutín predstavuje tiež vývoj jednodutinovej štruktúry so zvýšeným počtom spätnoväzbových povrchov.
Lasery DBR klasifikované podľa média zisku zahŕňajú polovodičové lasery a vláknové lasery. Polovodičové lasery majú prirodzenú výhodu v kompatibilite výroby s polovodičovými materiálmi a technológiami mikro-nano spracovania. Mnoho procesov výroby polovodičov, ako je sekundárna epitaxia, chemická depozícia z pár, kroková fotolitografia, nanoimprinting, leptanie elektrónovým lúčom a iónové leptanie, možno priamo použiť na výskum a výrobu polovodičových laserov.
Vláknové lasery DBR sa objavili neskôr ako polovodičové lasery DBR, hlavne obmedzené vývojom spracovania vláknových vlnovodov a vysoko koncentrovanými multidopingovými technológiami. V súčasnosti bežné techniky výroby vlnovodov pre vlákna zahŕňajú fázové maskovanie defektov kyslíka a spracovanie femtosekundovým laserom, zatiaľ čo technológie dopovania vlákien s vysokou koncentráciou zahŕňajú modifikované chemické nanášanie z plynnej fázy (MCVD) a povrchovú plazmovú chemickú depozíciu z plynnej fázy (SCVD).
Ďalšou štruktúrou rezonátora založenou na Braggových mriežkach je konfigurácia DFB. Hlavná dutina DFB lasera integruje Braggovu štruktúru s aktívnou oblasťou a zavádza oblasť fázového posunu do stredu štruktúry na výber vlnovej dĺžky. Ako je znázornené na obr. 3(b), táto konfigurácia sa vyznačuje vyšším stupňom integrácie a štrukturálnej jednoty a zmierňuje problémy, ako je prudký posun vlnovej dĺžky a preskakovanie režimov v štruktúrach DBR, čo z nej robí najstabilnejšiu a najpraktickejšiu konfiguráciu lasera v súčasnej fáze.
Technická výzva laserov DFB spočíva vo výrobe mriežkových štruktúr. Existujú dve primárne metódy výroby mriežok v polovodičových laseroch DBR: sekundárna epitaxia a povrchové leptanie. Polovodičové lasery Regrown mriežka spätnej väzby (RGF)-DFB využívajú sekundárnu epitaxiu a fotolitografiu na rast sady mriežok s nízkym indexom lomu v aktívnej oblasti. Táto metóda zachováva štruktúru aktívnej vrstvy s nízkou stratou, čo uľahčuje výrobu rezonátorov s vysokým Q. Polovodičové lasery s povrchovou mriežkou (SG)-DFB zahŕňajú priame leptanie vrstvy mriežky na povrchu aktívnej oblasti. Tento prístup je zložitejší a vyžaduje presné nastavenie podľa materiálu aktívnej oblasti a dopingových iónov a vykazuje vyššiu stratu, ale ponúka silnejšie optické obmedzenie a vyššiu schopnosť potlačenia režimu.
Podobne ako vláknové lasery DBR, vláknové lasery DFB sa spoliehajú na pokroky v spracovaní vláknových vlnovodov a technológie dopovaných vlákien s vysokou koncentráciou. V porovnaní s vláknovými lasermi DBR predstavujú vláknové lasery DFB väčšie výzvy pri výrobe mriežok v dôsledku absorpčných charakteristík vlnovej dĺžky iónov vzácnych zemín.
Lasery s krátkou dutinou, ako sú DFB a DBR, majú obmedzený čas interakcie fotónov vo vnútri dutiny, čo sťažuje kompresiu hlbokej šírky čiary. Na ďalšie stlačenie šírky čiary a potlačenie šumu sa takéto konfigurácie hlavnej dutiny s krátkou dutinou často kombinujú so štruktúrami s vonkajšou dutinou na optimalizáciu výkonu. Bežné štruktúry vonkajších dutín zahŕňajú priestorové vonkajšie dutiny, vonkajšie dutiny vlákien a vonkajšie dutiny vlnovodu. Pred vývojom zariadení s optickými vláknami a vlnovodných štruktúr boli vonkajšie dutiny prevažne zložené z priestorovej optiky kombinovanej s diskrétnymi optickými komponentmi. Medzi nimi priestorové spätnoväzbové štruktúry s vonkajšou dutinou založené na mriežke prijímajú najmä návrhy Littrow a Littman, ktoré zvyčajne pozostávajú z dutiny laserového zisku, spojovacích šošoviek a difrakčnej mriežky. Mriežka ako prvok spätnej väzby umožňuje ladenie vlnovej dĺžky, výber režimu a kompresiu šírky čiary.
Okrem toho, priestorové štruktúry spätnej väzby s vonkajšou dutinou môžu zahŕňať celý rad optických filtračných zariadení, ako sú etalony F-P, akusticko-optické / elektrooptické laditeľné filtre a interferometre. Tieto filtračné zariadenia majú vo svojej podstate možnosti voľby režimu a môžu nahradiť mriežky; niektoré etalony high-Q F-P dokonca prekonávajú odrazové mriežky pri spektrálnom zúžení a kompresii šírky čiary.
S pokrokom v technológii zariadení s optickými vláknami predstavuje nahradenie priestorových optických štruktúr vysoko integrovanými, robustnými vláknovými vlnovodmi alebo vláknovými zariadeniami účinnú stratégiu na zlepšenie stability laserového systému. Vonkajšie dutiny vlákien sú zvyčajne konštruované spájaním vláknových zariadení tak, aby vytvorili celovláknovú štruktúru, ktorá ponúka vysokú integráciu, jednoduchú údržbu a silnú odolnosť voči rušeniu. Štruktúra spätnej väzby s vonkajšou dutinou vlákna môže byť jednoduchá spätná väzba vláknovej slučky alebo rezonátory so všetkými vláknami, FBG, dutiny F-P vlákien a rezonátory WGM.
Lasery s úzkou šírkou čiary s integrovanými štruktúrami spätnej väzby s vonkajšou dutinou vlnovodu pritiahli širokú pozornosť vďaka svojej menšej veľkosti balenia a stabilnejšiemu výkonu. Spätná väzba z vonkajšej dutiny vlnovodu sa v podstate riadi rovnakými technickými princípmi ako spätná väzba z vonkajšej dutiny vlákna, ale rozmanitosť polovodičových materiálov a technológie mikro-nano spracovania umožňujú kompaktnejšie a stabilnejšie laserové systémy, čím sa zvyšuje praktickosť laserov s úzkou šírkou spätnej väzby z vonkajšej dutiny vlnovodu. Bežne používané polovodičové laserové materiály zahŕňajú zlúčeniny Si, Si3N4 a III-V.
Konfigurácia optoelektronického oscilačného lasera je špeciálna architektúra spätnoväzbového lasera, kde spätnoväzbový signál je typicky elektrický signál alebo súčasná optoelektronická spätná väzba. Najstaršia technológia optoelektronickej spätnej väzby aplikovaná na lasery bola technika stabilizácie frekvencie PDH, ktorá využíva elektrickú negatívnu spätnú väzbu na úpravu dĺžky dutiny a uzamknutie frekvencie lasera na referenčné spektrá, ako sú režimy rezonátora s vysokým Q a absorpčné čiary studených atómov. Prostredníctvom negatívnej spätnej väzby môže laserový rezonátor zodpovedať prevádzkovému stavu lasera v reálnom čase, čím sa zníži nestabilita frekvencie na rádovo 10⁻¹⁷. Elektrická spätná väzba však trpí významnými obmedzeniami, vrátane nízkej rýchlosti odozvy a príliš zložitých servosystémov zahŕňajúcich rozsiahle obvody. Tieto faktory vedú k vysokej technickej náročnosti, prísnej presnosti riadenia a vysokým nákladom na laserové systémy. Okrem toho silná závislosť systému od referenčných zdrojov striktne obmedzuje vlnovú dĺžku lasera na špecifické frekvenčné body, čo ďalej obmedzuje jeho praktickú použiteľnosť.
Copyright @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Čína moduly optických vlákien, výrobcovia laserov spojených s vláknom, dodávatelia laserových komponentov Všetky práva vyhradené.
