Pri razvoju laserjev z ozko širino črte do današnjega dne je bil razvoj laserskih povratnih mehanizmov sinonim za razvoj laserskih resonatorskih struktur. Spodaj so predstavljene različne konfiguracije laserskih tehnologij z ozko širino črte po vrstnem redu razvoja laserskih resonatorjev.
Laserje z enojno glavno votlino lahko strukturno razdelimo na linearne votline in obročaste votline, po dolžini votline pa na strukture s kratko votlino in dolgo votlino. Laserji s kratko votlino imajo velik vzdolžni razmik med načini, ki je ugodnejši za doseganje delovanja v enojnem vzdolžnem načinu (SLM), vendar trpijo zaradi široke širine črte intrinzične votline in težav pri dušenju hrupa. Strukture z dolgimi votlinami že same po sebi kažejo značilnosti ozke širine črte in omogočajo integracijo različnih optičnih naprav s prilagodljivimi konfiguracijami; njihov tehnični izziv pa je doseči delovanje SLM zaradi pretirano majhnega vzdolžnega razmika med načini.
Kot klasična konfiguracija laserskih glavnih votlin se linearna votlina ponaša s prednostmi, kot so preprosta struktura, visoka učinkovitost in enostavna manipulacija. Zgodovinsko gledano je bil prvi pravi laserski žarek ustvarjen z uporabo strukture linearne votline F-P. S poznejšim napredkom v znanosti in tehnologiji je bila struktura F-P široko sprejeta v polprevodniških laserjih, laserjih z vlakni in polprevodniškimi laserji.
Obročasta votlina je modifikacija klasične linearne votline, ki premaguje pomanjkljivost linearnih votlin zaradi prostorskega vžiganja lukenj z zamenjavo polj stoječih valov s potujočimi valovi, da se doseže ciklično ojačanje optičnih signalov. Zaradi razvoja naprav z optičnimi vlakni so laserji z vlakni s prilagodljivo strukturo iz vseh vlaken pritegnili veliko pozornosti in v zadnjih dveh desetletjih postali najhitreje rastoča kategorija laserjev.
Laserji z neplanarnim obročnim oscilatorjem (NPRO) predstavljajo posebno konfiguracijo laserja s potujočimi valovi. Običajno je glavna votlina takšnih laserjev sestavljena iz monolitnega kristala, ki uravnava stanje laserske polarizacije preko odboja na čelni strani kristala in zunanjega magnetnega polja za realizacijo enosmernega laserskega delovanja. Ta zasnova močno zmanjša toplotno obremenitev laserskega resonatorja, zagotavlja izjemno stabilnost valovne dolžine in moči ter ima značilnosti ozke širine črte.
Omejene zaradi dejavnikov, kot sta pretirano kratka dolžina votline in velika intrinzična izguba, imajo laserske konfiguracije F-P linearne votline z eno votlino, ki temeljijo na povratni informaciji znotraj votline, omejen čas interakcije fotonov in težave pri odpravljanju spontanih emisij iz pridobilnega medija. Da bi rešili to težavo, so raziskovalci predlagali povratno konfiguracijo ene same zunanje votline. Zunanja votlina deluje tako, da podaljša čas interakcije fotonov in dovaja filtrirane fotone nazaj v glavno votlino, s čimer optimizira delovanje laserja in stisne širino črte. Zgodnje enostavne strukture z zunanjo votlino, ki temeljijo na prostorski optiki, kot sta konfiguraciji Littrow in Littman, uporabljajo spektralno disperzijsko sposobnost rešetk za ponovno injiciranje očiščenih laserskih signalov v glavno votlino laserja, pri čemer izvajajo frekvenčno vlečenje glavne votline, da dosežejo kompresijo širine črte. Ta struktura z eno samo zunanjo votlino je bila kasneje razširjena na laserje z vlakni in polprevodniške laserje.
Tehnični izziv laserskih konfiguracij z enojno povratno zunanjo votlino je fazno ujemanje med zunanjo in glavno votlino. Študije so pokazale, da je prostorska faza povratnega signala zunanje votline ključna za določanje laserskega praga, frekvence in relativne izhodne moči, laserski longitudinalni načini pa so zelo občutljivi na intenzivnost in fazo povratnega signala.
Laserska konfiguracija DBR
Za izboljšanje stabilnosti laserskih sistemov in integracijo naprav za izbiro valovne dolžine v strukturo glavne votline je bila razvita konfiguracija DBR. Zasnovan na osnovi resonatorja F-P, resonator DBR nadomešča zrcala strukture F-P s periodičnimi pasivnimi Braggovimi strukturami za zagotavljanje optične povratne informacije. Zaradi periodičnega učinka glavnikastega filtriranja Braggove strukture na načine laserske interference ima glavna votlina DBR sama po sebi lastnosti filtriranja. V kombinaciji z velikim vzdolžnim razmikom med načini, ki ga omogoča struktura s kratko votlino, je delovanje SLM mogoče zlahka doseči. Čeprav je bila periodična Braggova struktura prvotno zasnovana izključno za izbiro valovne dolžine, z vidika strukture votline predstavlja tudi razvoj strukture z eno votlino s povečanim številom povratnih površin.
Laserji DBR, razvrščeni po mediju ojačanja, vključujejo polprevodniške laserje in laserje z vlakni. Polprevodniški laserji imajo naravno prednost pri združljivosti izdelave s polprevodniškimi materiali in tehnologijami mikro-nano obdelave. Številne postopke izdelave polprevodnikov, kot so sekundarna epitaksija, nanašanje s kemično paro, stopenjska fotolitografija, nanoodtiskovanje, jedkanje z elektronskim žarkom in ionsko jedkanje, je mogoče neposredno uporabiti pri raziskavah in izdelavi polprevodniških laserjev.
Laserji z vlakni DBR so se pojavili pozneje kot polprevodniški laserji DBR, v glavnem omejeni z razvojem obdelave valovodov z vlakni in tehnologij z visoko koncentracijo več dopingov. Trenutno običajne tehnike izdelave vlaken valovodov vključujejo fazno maskiranje kisikove napake in femtosekundno lasersko obdelavo, medtem ko visokokoncentrirane tehnologije za dopiranje vlaken vključujejo modificirano kemično naparjevanje (MCVD) in površinsko plazemsko kemično naparjevanje (SCVD).
Druga struktura resonatorja, ki temelji na Braggovih rešetkah, je konfiguracija DFB. Glavna votlina laserja DFB združuje Braggovo strukturo z aktivnim območjem in uvaja območje faznega premika v središču strukture za izbiro valovne dolžine. Kot je prikazano na sliki 3(b), ima ta konfiguracija višjo stopnjo integracije in strukturne enotnosti ter blaži težave, kot so hudo premikanje valovnih dolžin in skakanje načina v strukturah DBR, zaradi česar je najbolj stabilna in praktična laserska konfiguracija na sedanji stopnji.
Tehnični izziv DFB laserjev je izdelava rešetkastih struktur. Obstajata dve primarni metodi za izdelavo rešetk v polprevodniških laserjih DBR: sekundarna epitaksija in površinsko jedkanje. Polprevodniški laserji z zaraščeno rešetko (RGF)-DFB uporabljajo sekundarno epitaksijo in fotolitografijo za gojenje niza rešetk z nizkim lomnim indeksom v aktivnem območju. Ta metoda ohranja strukturo aktivne plasti z nizkimi izgubami, kar olajša izdelavo resonatorjev z visokim Q. Polprevodniški laserji površinske rešetke (SG)-DFB vključujejo neposredno jedkanje mrežne plasti na površini aktivnega območja. Ta pristop je bolj zapleten, zahteva natančno prilagoditev glede na material aktivne regije in dopirne ione ter kaže večje izgube, vendar ponuja močnejšo optično omejitev in večjo zmožnost zatiranja načina.
Podobno kot laserji z vlakni DBR se tudi laserji z vlakni DFB zanašajo na napredek v obdelavi vlaken z valovodom in tehnologije vlaken z visoko koncentracijo dopiranih vlaken. V primerjavi z laserji z vlakni DBR predstavljajo laserji z vlakni DFB večje izzive pri izdelavi rešetke zaradi absorpcijskih lastnosti ionov redkih zemeljskih dolžin.
Laserji z glavno votlino s kratko votlino, kot sta DFB in DBR, imajo omejen čas interakcije fotonov znotraj votline, kar otežuje globoko stiskanje širine črte. Za dodatno stiskanje širine črte in zadušitev hrupa so takšne konfiguracije glavne votline s kratko votlino pogosto kombinirane s strukturami z zunanjo votlino za optimizacijo delovanja. Običajne strukture zunanjih votlin vključujejo prostorske zunanje votline, zunanje votline z vlakni in zunanje votline valovoda. Pred razvojem naprav z optičnimi vlakni in valovodnih struktur so bile zunanje votline pretežno sestavljene iz prostorske optike v kombinaciji z diskretnimi optičnimi komponentami. Med temi prostorske povratne strukture z zunanjo votlino, ki temeljijo na rešetkah, večinoma sprejemajo zasnove Littrow in Littman, ki so običajno sestavljene iz votline z laserskim ojačanjem, spojnih leč in uklonske mreže. Rešetka kot povratni element omogoča nastavitev valovne dolžine, izbiro načina in stiskanje širine črte.
Poleg tega lahko prostorske povratne strukture zunanje votline vključujejo vrsto optičnih filtrirnih naprav, kot so F-P etaloni, akustično-optični/elektro-optični nastavljivi filtri in interferometri. Te filtrirne naprave imajo same po sebi zmožnosti izbire načina in lahko nadomestijo rešetke; nekateri F-P etaloni z visokim Q celo prekašajo odsevne rešetke pri spektralnem zoženju in stiskanju širine črte.
Z napredkom tehnologije naprav z optičnimi vlakni zamenjava prostorskih optičnih struktur z visoko integriranimi, robustnimi valovodi ali napravami z optičnimi vlakni predstavlja učinkovito strategijo za izboljšanje stabilnosti laserskega sistema. Zunanje votline za vlakna so običajno izdelane s spajanjem naprav z vlakni, da tvorijo strukturo iz vseh vlaken, ki nudi visoko integracijo, enostavno vzdrževanje in močno odpornost na motnje. Strukture povratne zveze z zunanjo votlino vlakna so lahko preprosta povratna zanka vlakna ali resonatorji z vsemi vlakni, FBG-ji, votline F-P z vlakni in resonatorji WGM.
Laserji z ozko širino črte z vgrajenimi povratnimi strukturami zunanje votline valovoda so pritegnili široko pozornost zaradi manjše velikosti paketa in stabilnejšega delovanja. V bistvu povratna informacija z zunanjo votlino valovoda sledi enakim tehničnim načelom kot povratna informacija z zunanjo votlino vlaken, vendar raznolikost polprevodniških materialov in mikro-nano procesnih tehnologij omogoča bolj kompaktne in stabilne laserske sisteme, kar povečuje praktičnost laserjev z ozko širino črte s povratno informacijo z zunanjo votlino valovoda. Običajno uporabljeni polprevodniški laserski materiali vključujejo spojine Si, Si₃N4 in spojine III-V.
Konfiguracija optoelektronskega nihajnega laserja je posebna arhitektura laserja s povratno informacijo, kjer je povratni signal običajno električni signal ali sočasna optoelektronska povratna informacija. Najzgodnejša optoelektronska povratna tehnologija, ki je bila uporabljena za laserje, je bila tehnika stabilizacije frekvence PDH, ki uporablja električno negativno povratno zvezo za prilagoditev dolžine votline in zaklepanje frekvence laserja na referenčne spektre, kot so načini resonatorja z visokim Q in absorpcijske črte hladnih atomov. Z uglaševanjem negativne povratne zveze se lahko laserski resonator v realnem času ujema z delovnim stanjem laserja, kar zmanjša nestabilnost frekvence na velikost reda 10⁻¹⁷. Vendar ima električna povratna informacija precejšnje omejitve, vključno s počasno hitrostjo odziva in preveč zapletenimi servo sistemi, ki vključujejo obsežno vezje. Posledica teh dejavnikov so visoke tehnične težave, stroga natančnost nadzora in visoki stroški laserskih sistemov. Poleg tega močna odvisnost sistema od referenčnih virov strogo omejuje valovno dolžino laserja na določene frekvenčne točke, kar dodatno omejuje njegovo praktično uporabnost.
Avtorska pravica @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Kitajska, moduli z optičnimi vlakni, proizvajalci laserjev s sklopi vlaken, dobavitelji laserskih komponent Vse pravice pridržane.
