I utviklingen av lasere med smal linjebredde til i dag, har utviklingen av lasertilbakemeldingsmekanismer vært synonymt med utviklingen av laserresonatorstrukturer. Nedenfor er forskjellige konfigurasjoner av laserteknologier med smal linjebredde introdusert i rekkefølgen etter utviklingen av laserresonatorer.
Enkelt-hovedhulromslasere kan strukturelt deles inn i lineære hulrom og ringhulrom, og etter hulromslengde, i strukturer med kort hulrom og lang hulrom. Lasere med kort hulrom har en stor langsgående modusavstand, noe som er mer fordelaktig for å oppnå enkelt longitudinell modus (SLM), men lider av en bred indre hulromslinjebredde og vanskeligheter med å undertrykke støy. Strukturer med lange kaviteter har iboende smale linjebreddekarakteristikk og tillater integrering av forskjellige optiske enheter med fleksible konfigurasjoner; deres tekniske utfordring ligger imidlertid i å oppnå SLM-operasjon på grunn av den altfor lille avstanden i langsgående modus.
Som en klassisk konfigurasjon av laserhovedhulrom, har det lineære hulrommet fordeler som en enkel struktur, høy effektivitet og enkel manipulering. Historisk sett ble den første ekte laserstrålen generert ved hjelp av en F-P lineær hulromstruktur. Med påfølgende fremskritt innen vitenskap og teknologi, har F-P-strukturen blitt bredt tatt i bruk i halvlederlasere, fiberlasere og solid-state lasere.
Ringhulen er en modifikasjon av det klassiske lineære hulrommet, og overvinner den romlige hullbrennende ulempen ved lineære hulrom ved å erstatte stående bølgefelt med vandrebølger for å oppnå syklisk forsterkning av optiske signaler. Drevet av utviklingen av fiberoptiske enheter, har fiberlasere med fleksible helfiberstrukturer fått stor oppmerksomhet og har blitt den raskest voksende kategorien lasere de siste to tiårene.
Ikke-plane ringoscillator-lasere (NPRO) representerer en spesiell laserkonfigurasjon for vandrebølger. Vanligvis består hovedhulrommet til slike lasere av en monolittisk krystall, som regulerer laserpolarisasjonstilstanden via krystallenderefleksjon og et eksternt magnetfelt for å realisere enveis laseroperasjon. Denne designen reduserer den termiske belastningen til laserresonatoren betydelig, gir eksepsjonell stabilitet i bølgelengde og kraft, og har smale linjebreddekarakteristikk.
Begrenset av faktorer som overdrevent kort hulromslengde og høyt iboende tap, lider F-P lineære hulroms-laserkonfigurasjoner basert på intra-hulrom-tilbakemelding av begrenset fotoninteraksjonstid og vanskeligheter med å eliminere spontan emisjon fra forsterkningsmediet. For å løse dette problemet foreslo forskere tilbakemeldingskonfigurasjonen med enkelt eksternt hulrom. Det eksterne hulrommet fungerer for å forlenge fotoninteraksjonstiden og mate filtrerte fotoner tilbake til hovedhulrommet, og derved optimere laserytelsen og komprimere linjebredden. Tidlige enkle strukturer med eksternt hulrom basert på romlig optikk, som Littrow- og Littman-konfigurasjonene, utnytter den spektrale spredningsevnen til gitter for å reinjisere rensede lasersignaler inn i laserens hovedhulrom, og utøver frekvenstrekk på hovedhulrommet for å oppnå linjebreddekompresjon. Denne strukturen med enkelt eksternt hulrom ble senere utvidet til fiberlasere og halvlederlasere.
Den tekniske utfordringen med tilbakemeldingslaserkonfigurasjoner med enkelt eksternt hulrom ligger i fasetilpasning mellom det eksterne hulrommet og hovedhulrommet. Studier har vist at den romlige fasen til tilbakemeldingssignalet i eksternt hulrom er kritisk for å bestemme laserterskelen, frekvensen og den relative utgangseffekten, og langsgående lasermoduser er svært følsomme for intensiteten og fasen til tilbakemeldingssignalet.
DBR-laserkonfigurasjon
For å forbedre stabiliteten til lasersystemer og integrere bølgelengdeselektive enheter i hovedhulrommets struktur, ble DBR-konfigurasjonen utviklet. Designet basert på F-P-resonatoren, erstatter DBR-resonatoren speilene til F-P-strukturen med periodiske passive Bragg-strukturer for å gi optisk tilbakemelding. På grunn av den periodiske kamfiltreringseffekten til Bragg-strukturen på laserinterferensmoduser, har DBR-hovedhulrommet iboende filtreringsegenskaper. Kombinert med den store langsgående modusavstanden som tilbys av strukturen med kort hulrom, oppnås SLM-operasjon lett. Selv om den periodiske Bragg-strukturen opprinnelig ble designet utelukkende for valg av bølgelengde, representerer den fra et hulromsstrukturperspektiv også en utvikling av enkelthulromstrukturen med et økt antall tilbakekoblingsflater.
Klassifisert etter forsterkningsmedium inkluderer DBR-lasere halvlederlasere og fiberlasere. Halvlederlasere har en naturlig fordel i fabrikasjonskompatibilitet med halvledermaterialer og mikro-nano prosesseringsteknologier. Mange halvlederproduksjonsprosesser, som sekundær epitaksi, kjemisk dampavsetning, trinnfotolitografi, nanoimprinting, elektronstråleetsing og ionesning, kan brukes direkte til forskning og fremstilling av halvlederlasere.
DBR-fiberlasere dukket opp senere enn DBR-halvlederlasere, hovedsakelig begrenset av utviklingen av fiberbølgelederbehandling og høykonsentrasjonsteknologi for multidoping. For tiden inkluderer vanlige fiberbølgelederfremstillingsteknikker oksygendefekt fasemaskering og femtosekund laserbehandling, mens høykonsentrasjonsfiberdopingteknologier omfatter modifisert kjemisk dampavsetning (MCVD) og overflateplasma kjemisk dampavsetning (SCVD).
En annen resonatorstruktur basert på Bragg-gitter er DFB-konfigurasjonen. DFB-laserhovedhulrommet integrerer Bragg-strukturen med det aktive området og introduserer en faseforskyvningsregion i sentrum av strukturen for valg av bølgelengde. Som vist i fig. 3(b), har denne konfigurasjonen en høyere grad av integrasjon og strukturell enhet, og reduserer problemer som alvorlig bølgelengdedrift og modushopping i DBR-strukturer, noe som gjør den til den mest stabile og praktiske laserkonfigurasjonen på det nåværende stadiet.
Den tekniske utfordringen til DFB-lasere ligger i fremstillingen av gitterstrukturer. Det er to primære metoder for gitterfabrikasjon i DBR-halvlederlasere: sekundær epitaksi og overflateetsing. Regrown grating feedback (RGF)-DFB-halvlederlasere bruker sekundær epitaksi og fotolitografi for å dyrke et sett med gitre med lav brytningsindeks i det aktive området. Denne metoden bevarer den aktive lagstrukturen med lavt tap, noe som letter fremstillingen av høy-Q-resonatorer. Overflategitter (SG)-DFB halvlederlasere involverer direkte etsing av et gitterlag på overflaten av det aktive området. Denne tilnærmingen er mer kompleks, og krever presis justering i henhold til materialet i det aktive området og dopingioner, og viser høyere tap, men gir likevel sterkere optisk innesperring og høyere modusundertrykkelsesevne.
I likhet med DBR-fiberlasere, er DFB-fiberlasere avhengige av fremskritt innen fiberbølgelederbehandling og høykonsentrasjonsdopet fiberteknologi. Sammenlignet med DBR-fiberlasere, utgjør DFB-fiberlasere større utfordringer ved fremstilling av gitter på grunn av bølgelengdeabsorpsjonsegenskapene til sjeldne jordarts-ioner.
Kort-kavitet hoved-kavitet lasere som DFB og DBR har begrenset intra-kavitet foton interaksjonstid, noe som gjør dyp linjebredde kompresjon vanskelig. For ytterligere å komprimere linjebredden og undertrykke støy, kombineres slike konfigurasjoner av hovedhulrom med kort hulrom ofte med strukturer med ytre hulrom for ytelsesoptimalisering. Vanlige eksterne hulromsstrukturer inkluderer romlige eksterne hulrom, eksterne hulrom av fiber og eksterne hulrom i bølgeleder. Før utviklingen av fiberoptiske enheter og bølgelederstrukturer, var eksterne hulrom hovedsakelig sammensatt av romlig optikk kombinert med diskrete optiske komponenter. Blant disse bruker gitterbaserte tilbakemeldingsstrukturer for romlig eksternt hulrom hovedsakelig Littrow- og Littman-designene, typisk bestående av et laserforsterkningshulrom, koblingslinser og et diffraksjonsgitter. Gitteret, som tilbakemeldingselement, muliggjør bølgelengdeinnstilling, modusvalg og linjebreddekomprimering.
I tillegg kan romlige eksternt hulrom-tilbakemeldingsstrukturer inkludere en rekke optiske filtreringsenheter, slik som F-P etaloner, akusto-optiske/elektro-optiske avstembare filtre og interferometre. Disse filtreringsenhetene har iboende funksjoner for modusvalg og kan erstatte gitter; visse høy-Q F-P etaloner overgår til og med reflekterende gitter i spektral innsnevring og linjebreddekompresjon.
Med utviklingen av fiberoptisk enhetsteknologi, representerer erstatning av romlige optiske strukturer med svært integrerte, robuste fiberbølgeledere eller fiberenheter en effektiv strategi for å forbedre lasersystemets stabilitet. Ytre hulrom i fiber er vanligvis konstruert ved å skjøte fiberenheter for å danne en helfiberstruktur, som tilbyr høy integrasjon, enkelt vedlikehold og sterk immunitet mot forstyrrelser. Fiber-tilbakemeldingsstrukturer med eksternt hulrom kan være enkel fibersløyfe-tilbakemelding, eller helfiberresonatorer, FBG-er, fiber-F-P-hulrom og WGM-resonatorer.
Lasere med smal linjebredde med integrert bølgeleder eksternt hulrom tilbakemeldingsstrukturer har vakt stor oppmerksomhet på grunn av deres mindre pakkestørrelse og mer stabile ytelse. I hovedsak følger bølgeleder ekstern hulrom-tilbakemelding de samme tekniske prinsippene som fiber ekstern hulrom-tilbakemelding, men mangfoldet av halvledermaterialer og mikro-nano prosesseringsteknologier muliggjør mer kompakte og stabile lasersystemer, noe som forbedrer det praktiske ved bølgeleder eksternt hulrom-tilbakemelding med smal linjebredde. Vanlig brukte halvlederlasermaterialer inkluderer Si-, Si3N4- og III-V-forbindelser.
Den optoelektroniske oscillasjonslaserkonfigurasjonen er en spesiell tilbakemeldingslaserarkitektur, der tilbakemeldingssignalet typisk er et elektrisk signal eller samtidig optoelektronisk tilbakemelding. Den tidligste optoelektroniske tilbakemeldingsteknologien brukt på lasere var PDH-frekvensstabiliseringsteknikken, som bruker elektrisk negativ tilbakemelding for å justere hulromslengden og låse laserfrekvensen til referansespektra, for eksempel høy-Q-resonatormoduser og absorpsjonslinjer med kalde atomer. Gjennom negativ tilbakemeldingsinnstilling kan laserresonatoren matche laserens driftstilstand i sanntid, og redusere frekvensustabiliteten til størrelsesorden 10⁻¹⁷. Imidlertid lider elektrisk tilbakemelding av betydelige begrensninger, inkludert lav responshastighet og altfor komplekse servosystemer som involverer omfattende kretser. Disse faktorene resulterer i høye tekniske vanskeligheter, streng kontrollpresisjon og høye kostnader for lasersystemer. Videre begrenser systemets sterke avhengighet av referansekilder strengt laserbølgelengden til spesifikke frekvenspunkter, noe som ytterligere begrenser dens praktiske anvendelighet.
Copyright @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Kina Fiberoptiske moduler, fiberkoblede laserprodusenter, laserkomponentleverandører Alle rettigheter reservert.
