I udviklingen af lasere med smal linjebredde til i dag har udviklingen af laserfeedbackmekanismer været synonym med udviklingen af laserresonatorstrukturer. Nedenfor introduceres forskellige konfigurationer af laserteknologier med smal linjebredde i rækkefølgen efter udviklingen af laserresonatorer.
Enkelthovedhulrumslasere kan strukturelt opdeles i lineære hulrum og ringhulrum og efter hulrumslængde i strukturer med kort hulrum og lange hulrum. Lasere med kort hulrum har en stor langsgående modusafstand, hvilket er mere fordelagtigt for at opnå single longitudinal modus (SLM) drift, men lider af en bred indre hulrumslinjebredde og vanskeligheder med at undertrykke støj. Strukturer med lange kaviteter udviser i sagens natur snævre linjebreddekarakteristika og tillader integration af forskellige optiske enheder med fleksible konfigurationer; deres tekniske udfordring ligger imidlertid i at opnå SLM-drift på grund af den alt for lille afstand mellem modus i længderetningen.
Som en klassisk konfiguration af laserhovedhulrum kan det lineære hulrum prale af fordele såsom en enkel struktur, høj effektivitet og nem manipulation. Historisk set blev den første sande laserstråle genereret ved hjælp af en F-P lineær hulrumsstruktur. Med efterfølgende fremskridt inden for videnskab og teknologi er F-P-strukturen blevet bredt anvendt i halvlederlasere, fiberlasere og solid-state lasere.
Ringhulrummet er en modifikation af det klassiske lineære hulrum, der overvinder den rumlige hulbrændende ulempe ved lineære hulrum ved at erstatte stående bølgefelter med vandrende bølger for at opnå cyklisk forstærkning af optiske signaler. Drevet af udviklingen af fiberoptiske enheder har fiberlasere med fleksible helfiberstrukturer fået stor opmærksomhed og er blevet den hurtigst voksende kategori af lasere i løbet af de sidste to årtier.
Ikke-plane ringoscillator-lasere (NPRO) repræsenterer en speciel vandrende bølgelaserkonfiguration. Typisk består hovedhulrummet af sådanne lasere af en monolitisk krystal, som regulerer laserpolarisationstilstanden via krystalendefladerefleksion og et eksternt magnetfelt for at realisere ensrettet laserdrift. Dette design reducerer i høj grad den termiske belastning af laserresonatoren, leverer enestående stabilitet i bølgelængde og effekt og har snævre linjebreddekarakteristika.
Begrænset af faktorer såsom overdrevent kort hulrumslængde og højt iboende tab lider F-P lineære hulrums-laserkonfigurationer baseret på intra-kavitet-feedback af begrænset fotoninteraktionstid og vanskeligheder med at eliminere spontan emission fra forstærkningsmediet. For at løse dette problem foreslog forskere en enkelt eksternt hulrumsfeedback-konfiguration. Det eksterne hulrum fungerer til at forlænge fotoninteraktionstiden og føre filtrerede fotoner tilbage i hovedhulrummet, hvorved laserydelsen optimeres og linjebredden komprimeres. Tidlige simple eksterne kavitetsstrukturer baseret på rumlig optik, såsom Littrow- og Littman-konfigurationerne, udnytter gitres spektrale spredningsevne til at reinjicere rensede lasersignaler ind i laserens hovedhulrum og udøver frekvenstræk på hovedhulrummet for at opnå linjebreddekompression. Denne enkelt eksterne kavitetsstruktur blev senere udvidet til fiberlasere og halvlederlasere.
Den tekniske udfordring ved feedbacklaserkonfigurationer med enkelt eksternt hulrum ligger i fasetilpasning mellem det ydre hulrum og hovedhulrummet. Undersøgelser har vist, at den rumlige fase af det eksterne kavitets-feedback-signal er kritisk for bestemmelse af lasertærsklen, frekvensen og den relative udgangseffekt, og laser longitudinelle tilstande er meget følsomme over for intensiteten og fasen af feedbacksignalet.
DBR Laser Konfiguration
For at forbedre stabiliteten af lasersystemer og integrere bølgelængde-selektive enheder i hovedkavitetsstrukturen blev DBR-konfigurationen udviklet. DBR-resonatoren er designet baseret på F-P-resonatoren og erstatter spejlene i F-P-strukturen med periodiske passive Bragg-strukturer for at give optisk feedback. På grund af den periodiske kamfiltreringseffekt af Bragg-strukturen på laserinterferenstilstande har DBR-hovedhulrummet i sagens natur filtreringsegenskaber. Kombineret med den store langsgående modusafstand, som den korte hulrumsstruktur giver, opnås SLM-drift let. Selvom den periodiske Bragg-struktur oprindeligt udelukkende blev designet til bølgelængdevalg, repræsenterer den fra et hulrumsstrukturperspektiv også en udvikling af enkelthulrumsstrukturen med et øget antal feedbackoverflader.
Klassificeret efter forstærkningsmedium omfatter DBR-lasere halvlederlasere og fiberlasere. Halvlederlasere har en naturlig fordel i fremstillingskompatibilitet med halvledermaterialer og mikro-nano-behandlingsteknologier. Mange halvlederfremstillingsprocesser, såsom sekundær epitaksi, kemisk dampaflejring, trinfotolitografi, nanoimprinting, elektronstråleætsning og ionætsning, kan anvendes direkte til forskning og fremstilling af halvlederlasere.
DBR-fiberlasere dukkede op senere end DBR-halvlederlasere, hovedsageligt begrænset af udviklingen af fiberbølgelederbehandling og højkoncentrerede multidopingteknologier. I øjeblikket omfatter almindelige fiberbølgelederfremstillingsteknikker iltdefekt fasemaskering og femtosekund laserbehandling, mens højkoncentrerede fiberdopingteknologier omfatter modificeret kemisk dampaflejring (MCVD) og overfladeplasma kemisk dampaflejring (SCVD).
En anden resonatorstruktur baseret på Bragg-gitre er DFB-konfigurationen. DFB-laserhovedhulrummet integrerer Bragg-strukturen med det aktive område og introducerer et faseforskydningsområde i midten af strukturen til valg af bølgelængde. Som vist i fig. 3(b) har denne konfiguration en højere grad af integration og strukturel enhed og afbøder problemer såsom alvorlig bølgelængdedrift og modehopping i DBR-strukturer, hvilket gør den til den mest stabile og praktiske laserkonfiguration på nuværende tidspunkt.
Den tekniske udfordring ved DFB-lasere ligger i fremstillingen af gitterstrukturer. Der er to primære metoder til fremstilling af gitter i DBR-halvlederlasere: sekundær epitaksi og overfladeætsning. Regrown grating feedback (RGF)-DFB-halvlederlasere anvender sekundær epitaksi og fotolitografi til at dyrke et sæt gitre med lavt brydningsindeks i det aktive område. Denne metode bevarer den aktive lagstruktur med lavt tab, hvilket letter fremstillingen af høj-Q-resonatorer. Overfladegitter (SG)-DFB halvlederlasere involverer direkte ætsning af et gitterlag på overfladen af det aktive område. Denne tilgang er mere kompleks og kræver præcis justering i henhold til det aktive områdes materiale og dopingioner og udviser højere tab, men tilbyder alligevel stærkere optisk indeslutning og højere tilstandsundertrykkelsesevne.
I lighed med DBR-fiberlasere er DFB-fiberlasere afhængige af fremskridt inden for fiberbølgelederbehandling og højkoncentrerede dopede fiberteknologier. Sammenlignet med DBR-fiberlasere udgør DFB-fiberlasere større udfordringer ved fremstilling af gitter på grund af bølgelængdeabsorptionsegenskaberne for sjældne jordarters ioner.
Kort-kavitet hoved-kavitet lasere såsom DFB og DBR har begrænset intra-kavitet foton interaktionstid, hvilket gør dyb linjebredde kompression vanskelig. For yderligere at komprimere linjebredden og undertrykke støj, kombineres sådanne korte hovedhulrumskonfigurationer ofte med eksterne hulrumsstrukturer til ydeevneoptimering. Almindelige ydre hulrumsstrukturer omfatter rumlige ydre hulrum, fiber ydre hulrum og bølgeleder ydre hulrum. Før udviklingen af fiberoptiske enheder og bølgelederstrukturer var eksterne hulrum overvejende sammensat af rumlig optik kombineret med diskrete optiske komponenter. Blandt disse anvender gitterbaserede rumlige feedbackstrukturer med ekstern kavitet hovedsageligt Littrow- og Littman-designerne, der typisk består af et laserforstærkningshulrum, koblingslinser og et diffraktionsgitter. Gitteret, som feedbackelementet, muliggør bølgelængdejustering, valg af tilstand og linjebreddekomprimering.
Derudover kan rumlige eksternt kavitetsfeedbackstrukturer inkorporere en række optiske filtreringsenheder, såsom F-P etaloner, akusto-optiske/elektro-optiske afstembare filtre og interferometre. Disse filtreringsenheder besidder i sagens natur mulighed for valg af tilstand og kan erstatte gitre; visse high-Q F-P etaloner udkonkurrerer endda reflekterende gitre i spektral indsnævring og linjebreddekompression.
Med fremskridt inden for fiberoptisk enhedsteknologi repræsenterer udskiftning af rumlige optiske strukturer med stærkt integrerede, robuste fiberbølgeledere eller fiberenheder en effektiv strategi til forbedring af lasersystemets stabilitet. Fiber ydre hulrum er normalt konstrueret ved at splejse fiberenheder for at danne en helfiberstruktur, der tilbyder høj integration, nem vedligeholdelse og stærk immunitet over for interferens. Fiber eksternt kavitets-feedbackstrukturer kan være simpel fibersløjfe-feedback eller helfiberresonatorer, FBG'er, fiber F-P-kaviteter og WGM-resonatorer.
Lasere med smal linjebredde med integreret bølgeleder eksternt hulrum feedback-strukturer har tiltrukket sig bred opmærksomhed på grund af deres mindre pakkestørrelse og mere stabile ydeevne. Grundlæggende følger waveguide eksternt kavitetsfeedback de samme tekniske principper som fiber eksternt kavitetsfeedback, men mangfoldigheden af halvledermaterialer og mikro-nano behandlingsteknologier muliggør mere kompakte og stabile lasersystemer, hvilket forbedrer det praktiske ved bølgeleder ekstern kavitetsfeedback med smal linjebredde. Almindeligt anvendte halvlederlasermaterialer omfatter Si-, Si3N4- og III-V-forbindelser.
Den optoelektroniske oscillationslaserkonfiguration er en speciel feedbacklaserarkitektur, hvor feedbacksignalet typisk er et elektrisk signal eller samtidig optoelektronisk feedback. Den tidligste optoelektroniske feedback-teknologi anvendt på lasere var PDH-frekvensstabiliseringsteknikken, som bruger elektrisk negativ feedback til at justere kavitetslængden og låse laserfrekvensen til referencespektre, såsom høj-Q-resonatortilstande og koldtatomabsorptionslinjer. Gennem negativ feedback-tuning kan laserresonatoren matche laserens driftstilstand i realtid, hvilket reducerer frekvensustabiliteten til størrelsesordenen 10⁻¹⁷. Imidlertid lider elektrisk feedback af betydelige begrænsninger, herunder langsom responshastighed og alt for komplekse servosystemer, der involverer omfattende kredsløb. Disse faktorer resulterer i høje tekniske vanskeligheder, stringent kontrolpræcision og høje omkostninger til lasersystemer. Desuden begrænser systemets stærke afhængighed af referencekilder strengt laserbølgelængden til specifikke frekvenspunkter, hvilket yderligere begrænser dets praktiske anvendelighed.
Copyright @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Kina fiberoptiske moduler, fiberkoblede laserproducenter, leverandører af laserkomponenter Alle rettigheder forbeholdes.
