При разработването на лазери с тясна ширина на линията до наши дни, еволюцията на лазерните механизми за обратна връзка е синоним на еволюцията на лазерните резонаторни структури. По-долу са въведени различни конфигурации на лазерни технологии с тясна ширина на линията в реда на еволюцията на лазерните резонатори.
Лазерите с единичен основен резонатор могат структурно да бъдат разделени на линейни и пръстеновидни кухини, а по дължина на кухината - на структури с къса кухина и дълга кухина. Лазерите с къса кухина се отличават с голямо надлъжно разстояние между режимите, което е по-изгодно за постигане на работа в единичен надлъжен режим (SLM), но страдат от широка присъща ширина на линията на кухината и трудност при потискане на шума. Структурите с дълга кухина по своята същност показват характеристики с тясна ширина на линията и позволяват интегрирането на различни оптични устройства с гъвкави конфигурации; тяхното техническо предизвикателство обаче е в постигането на SLM работа поради прекалено малкото надлъжно разстояние между режимите.
Като класическа конфигурация на лазерни главни кухини, линейната кухина може да се похвали с предимства като проста структура, висока ефективност и лесна манипулация. Исторически погледнато, първият истински лазерен лъч е генериран с помощта на структура с линейна кухина F-P. С последващия напредък в науката и технологиите F-P структурата е широко възприета в полупроводникови лазери, лазери с влакна и лазери в твърдо състояние.
Пръстенообразната кухина е модификация на класическата линейна кухина, преодолявайки недостатъка на пространственото изгаряне на дупки на линейните кухини чрез замяна на полетата на стоящи вълни с пътуващи вълни, за да се постигне циклично усилване на оптичните сигнали. Водени от развитието на фиброоптични устройства, фибролазерите с гъвкави изцяло фиброструктури привлякоха голямо внимание и се превърнаха в най-бързо развиващата се категория лазери през последните две десетилетия.
Лазерите с непланарни пръстеновидни осцилатори (NPRO) представляват специална конфигурация на лазер с пътуваща вълна. Обикновено основната кухина на такива лазери се състои от монолитен кристал, който регулира състоянието на лазерна поляризация чрез отражение в крайната повърхност на кристала и външно магнитно поле за реализиране на еднопосочна лазерна работа. Този дизайн значително намалява топлинното натоварване на лазерния резонатор, осигурява изключителна стабилност на дължината на вълната и мощността и се отличава с характеристики с тясна ширина на линията.
Ограничени от фактори като прекалено къса дължина на кухината и висока присъща загуба, F-P лазерните конфигурации с линейна кухина с една кухина, базирани на обратна връзка вътре в кухината, страдат от ограничено време за взаимодействие на фотони и трудности при елиминиране на спонтанното излъчване от усилващата среда. За да се справят с този проблем, изследователите предложиха конфигурацията за обратна връзка с една външна кухина. Външната кухина функционира, за да удължи времето за взаимодействие на фотоните и да захрани филтрираните фотони обратно в основната кухина, като по този начин оптимизира работата на лазера и компресира широчината на линията. Ранните прости структури с външна кухина, базирани на пространствена оптика, като конфигурациите на Littrow и Littman, използват способността за спектрална дисперсия на решетките за повторно инжектиране на пречистени лазерни сигнали в основната кухина на лазера, упражнявайки честотно издърпване на основната кухина, за да се постигне компресия на ширината на линията. Тази единична структура с външна кухина по-късно беше разширена до лазери с влакна и полупроводници.
Техническото предизвикателство на лазерните конфигурации с обратна връзка с единична външна кухина се крие във фазовото съвпадение между външната кухина и основната кухина. Проучванията показват, че пространствената фаза на сигнала за обратна връзка с външната кухина е критична за определяне на прага на лазера, честотата и относителната изходна мощност, а надлъжните режими на лазера са силно чувствителни към интензитета и фазата на сигнала за обратна връзка.
DBR лазерна конфигурация
За да се подобри стабилността на лазерните системи и да се интегрират селективни по дължината на вълната устройства в основната структура на кухината, беше разработена DBR конфигурация. Проектиран на базата на F-P резонатор, DBR резонаторът замества огледалата на F-P структурата с периодични пасивни Bragg структури, за да осигури оптична обратна връзка. Благодарение на периодичния гребен филтриращ ефект на Bragg структурата върху режимите на лазерна интерференция, основната кухина на DBR по своята същност притежава филтриращи характеристики. В комбинация с голямото надлъжно разстояние между модовете, осигурено от структурата с къса кухина, работата на SLM се постига лесно. Въпреки че периодичната Bragg структура първоначално е проектирана единствено за избор на дължина на вълната, от гледна точка на структурата на кухината, тя също така представлява еволюция на структурата с една кухина с увеличен брой повърхности за обратна връзка.
Класифицирани по среда на усилване, DBR лазерите включват полупроводникови лазери и лазери с влакна. Полупроводниковите лазери имат естествено предимство при производствената съвместимост с полупроводникови материали и микро-нанотехнологии за обработка. Много процеси за производство на полупроводници, като вторична епитаксия, химическо отлагане на пари, стъпкова фотолитография, наноотпечатване, ецване с електронен лъч и йонно ецване, могат да бъдат директно приложени към изследването и производството на полупроводникови лазери.
DBR влакнестите лазери се появиха по-късно от DBR полупроводниковите лазери, главно ограничени от развитието на обработка на влакна с вълновод и технологии с много допинг с висока концентрация. Понастоящем обичайните техники за производство на вълноводни влакна включват фазово маскиране на кислороден дефект и фемтосекундна лазерна обработка, докато технологиите за допиране на влакна с висока концентрация включват модифицирано химическо отлагане на пари (MCVD) и повърхностно плазмено химическо отлагане на пари (SCVD).
Друга резонаторна структура, базирана на Bragg решетки, е конфигурацията на DFB. Основната кухина на DFB лазера интегрира Bragg структурата с активната област и въвежда област с фазово изместване в центъра на структурата за избор на дължина на вълната. Както е показано на Фиг. 3 (b), тази конфигурация се характеризира с по-висока степен на интеграция и структурно единство и смекчава проблеми като тежък дрейф на дължината на вълната и прескачане на режима в DBR структурите, което го прави най-стабилната и практична лазерна конфигурация на настоящия етап.
Техническото предизвикателство на DFB лазерите се крие в производството на решетъчни структури. Има два основни метода за производство на решетка в DBR полупроводникови лазери: вторична епитаксия и повърхностно ецване. Полупроводниковите лазери с обратна връзка с обратна решетка (RGF)-DFB използват вторична епитаксия и фотолитография, за да отглеждат набор от решетки с нисък индекс на пречупване в активната област. Този метод запазва структурата на активния слой с ниски загуби, улеснявайки производството на резонатори с висок Q. Полупроводниковите лазери с повърхностна решетка (SG)-DFB включват директно ецване на решетъчен слой върху повърхността на активната област. Този подход е по-сложен, изисква прецизно регулиране според материала на активната област и легиращите йони и показва по-високи загуби, но предлага по-силно оптично ограничаване и по-висока способност за потискане на режима.
Подобно на DBR влакнестите лазери, DFB влакнестите лазери разчитат на напредъка в обработката на влакнести вълноводи и влакнести технологии с висока концентрация. В сравнение с DBR влакнестите лазери, DFB влакнестите лазери представляват по-големи предизвикателства при производството на решетка поради характеристиките на поглъщане на дължината на вълната на редкоземните йони.
Лазерите с основна кухина с къса кухина като DFB и DBR имат ограничено време за взаимодействие на фотони в кухината, което затруднява дълбокото компресиране на ширината на линията. За допълнително компресиране на широчината на линията и потискане на шума, такива конфигурации с основна кухина с къса кухина често се комбинират със структури с външна кухина за оптимизиране на производителността. Общите структури с външна кухина включват пространствени външни кухини, външни кухини с влакна и вълноводни външни кухини. Преди разработването на оптични устройства и вълноводни структури, външните кухини са съставени предимно от пространствена оптика, комбинирана с дискретни оптични компоненти. Сред тях структурите за обратна връзка с пространствена външна кухина, базирани на решетка, възприемат главно дизайните на Littrow и Littman, обикновено състоящи се от кухина с лазерно усилване, свързващи лещи и дифракционна решетка. Решетката, като елемент за обратна връзка, позволява настройка на дължината на вълната, избор на режим и компресиране на ширината на линията.
В допълнение, пространствените структури за обратна връзка с външна кухина могат да включват набор от оптични филтриращи устройства, като F-P еталони, акустооптични/електрооптични регулируеми филтри и интерферометри. Тези филтриращи устройства по своята същност притежават възможности за избор на режим и могат да заменят решетките; някои F-P еталони с висок Q дори превъзхождат отразяващите решетки при спектрално стесняване и компресиране на ширината на линията.
С напредъка на технологията на оптичните устройства, замяната на пространствени оптични структури със силно интегрирани, здрави влакнести вълноводи или влакнести устройства представлява ефективна стратегия за подобряване на стабилността на лазерната система. Външните кухини с влакна обикновено се изграждат чрез снаждане на влакнести устройства, за да се образува изцяло влакнеста структура, предлагаща висока степен на интеграция, лесна поддръжка и силен имунитет срещу смущения. Структурите за обратна връзка с външна кухина на влакна могат да бъдат обикновена обратна връзка с влакнеста верига или изцяло влакнести резонатори, FBG, влакнести F-P кухини и WGM резонатори.
Лазерите с тясна ширина на линията с интегрирани вълноводни структури за обратна връзка с външна кухина привлякоха широко внимание поради по-малкия си размер на опаковката и по-стабилна работа. По същество обратната връзка с вълноводна външна кухина следва същите технически принципи като обратната връзка с външна кухина на влакна, но разнообразието от полупроводникови материали и микро-нанотехнологии за обработка позволяват по-компактни и стабилни лазерни системи, подобрявайки практичността на лазерите с тясна ширина на линията с обратна връзка с вълноводна външна кухина. Често използваните полупроводникови лазерни материали включват Si, Si₃N4 и съединения III-V.
Оптоелектронната осцилационна лазерна конфигурация е специална лазерна архитектура с обратна връзка, където сигналът за обратна връзка обикновено е електрически сигнал или едновременна оптоелектронна обратна връзка. Най-ранната технология за оптоелектронна обратна връзка, приложена към лазерите, беше техниката за стабилизиране на честотата PDH, която използва електрическа отрицателна обратна връзка за регулиране на дължината на кухината и заключване на честотата на лазера към референтните спектри, като режими на резонатор с висок Q и абсорбционни линии на студен атом. Чрез настройка на отрицателна обратна връзка лазерният резонатор може да съответства на работното състояние на лазера в реално време, намалявайки честотната нестабилност до порядъка на 10⁻¹⁷. Електрическата обратна връзка обаче страда от значителни ограничения, включително ниска скорост на реакция и прекалено сложни серво системи, включващи обширни вериги. Тези фактори водят до висока техническа трудност, строга прецизност на контрола и високи разходи за лазерни системи. Освен това, силната зависимост на системата от референтни източници стриктно ограничава дължината на лазерната вълна до специфични честотни точки, което допълнително ограничава практическата му приложимост.
Авторско право @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Китай Оптични модули, производители на оптични модули, свързани с влакна лазери, доставчици на лазерни компоненти Всички права запазени.
