I utvecklingen av lasrar med smal linjebredd fram till idag har utvecklingen av laseråterkopplingsmekanismer varit synonymt med utvecklingen av laserresonatorstrukturer. Nedan introduceras olika konfigurationer av laserteknologier med smal linjebredd i ordningen för utvecklingen av laserresonatorer.
Enkla huvudkavitetslasrar kan strukturellt delas in i linjära kaviteter och ringkaviteter, och efter kavitetslängd, i kortkavitets- och långkavitetsstrukturer. Lasrar med kort kavitet har ett stort longitudinellt lägesavstånd, vilket är mer fördelaktigt för att uppnå singel longitudinell moddrift (SLM), men lider av en bred inre kavitetslinjebredd och svårighet att undertrycka brus. Strukturer med långa kaviteter uppvisar i sig snäva linjebreddsegenskaper och tillåter integrering av olika optiska enheter med flexibla konfigurationer; deras tekniska utmaning ligger dock i att uppnå SLM-drift på grund av det överdrivet lilla avståndet i longitudinellt läge.
Som en klassisk konfiguration av laserhuvudkaviteter har den linjära kaviteten fördelar som en enkel struktur, hög effektivitet och enkel hantering. Historiskt sett genererades den första riktiga laserstrålen med hjälp av en F-P linjär kavitetsstruktur. Med efterföljande framsteg inom vetenskap och teknik har F-P-strukturen antagits allmänt i halvledarlasrar, fiberlasrar och halvledarlasrar.
Ringkaviteten är en modifiering av den klassiska linjära kaviteten, som övervinner den rumsliga hålbrännande nackdelen med linjära kaviteter genom att ersätta stående vågfält med vandringsvågor för att uppnå cyklisk förstärkning av optiska signaler. Drivna av utvecklingen av fiberoptiska enheter har fiberlasrar med flexibla helfiberstrukturer fått stor uppmärksamhet och har blivit den snabbast växande kategorin av lasrar under de senaste två decennierna.
Icke-planar ring oscillator (NPRO) lasrar representerar en speciell resande-våg laser konfiguration. Vanligtvis består huvudkaviteten hos sådana lasrar av en monolitisk kristall, som reglerar laserpolarisationstillståndet via kristalländytans reflektion och ett externt magnetfält för att realisera enkelriktad laseroperation. Denna design reducerar avsevärt den termiska belastningen av laserresonatorn, ger exceptionell stabilitet i våglängd och effekt, och har smala linjebreddsegenskaper.
Begränsad av faktorer som överdrivet kort kavitetslängd och hög inneboende förlust lider F-P linjär kavitetslaserkonfigurationer med enkelkavitet baserade på intrakavitetsåterkoppling av begränsad fotoninteraktionstid och svårighet att eliminera spontan emission från förstärkningsmediet. För att ta itu med detta problem föreslog forskare den enda externa kavitetsfeedbackskonfigurationen. Den externa kaviteten fungerar för att förlänga fotoninteraktionstiden och mata tillbaka filtrerade fotoner in i huvudkaviteten, och därigenom optimera laserprestanda och komprimera linjebredden. Tidiga enkla externa kavitetsstrukturer baserade på rumslig optik, såsom Littrow- och Littman-konfigurationerna, använder den spektrala spridningsförmågan hos gitter för att återinjicera renade lasersignaler i laserns huvudkavitet, och utövar frekvensdragning på huvudkaviteten för att uppnå linjebreddskomprimering. Denna enda externa kavitetsstruktur utökades senare till fiberlasrar och halvledarlasrar.
Den tekniska utmaningen med återkopplingslaserkonfigurationer med enstaka extern kavitet ligger i fasmatchning mellan den externa kaviteten och huvudkaviteten. Studier har visat att den rumsliga fasen för den externa kavitetsåterkopplingssignalen är kritisk för att bestämma lasertröskeln, frekvensen och den relativa uteffekten, och longitudinella laserlägen är mycket känsliga för återkopplingssignalens intensitet och fas.
DBR-laserkonfiguration
För att förbättra stabiliteten hos lasersystem och integrera våglängdsselektiva enheter i huvudkavitetsstrukturen utvecklades DBR-konfigurationen. Designad baserat på F-P-resonatorn, ersätter DBR-resonatorn speglarna i F-P-strukturen med periodiska passiva Bragg-strukturer för att ge optisk återkoppling. På grund av den periodiska kamfiltreringseffekten av Bragg-strukturen på laserinterferenslägen har DBR-huvudkaviteten i sig filtreringsegenskaper. I kombination med det stora longitudinella lägesavståndet som ges av strukturen med kort kavitet, uppnås SLM-drift lätt. Även om den periodiska Bragg-strukturen ursprungligen designades enbart för våglängdsval, ur ett kavitetsstrukturperspektiv, representerar den också en utveckling av enkelkavitetsstrukturen med ett ökat antal återkopplingsytor.
Klassificerade efter förstärkningsmedium inkluderar DBR-lasrar halvledarlasrar och fiberlasrar. Halvledarlasrar har en naturlig fördel i tillverkningskompatibilitet med halvledarmaterial och mikro-nano-processteknik. Många halvledartillverkningsprocesser, såsom sekundär epitaxi, kemisk ångavsättning, stegfotolitografi, nanoimprinting, elektronstråleetsning och jonetsning, kan direkt tillämpas på forskning och tillverkning av halvledarlasrar.
DBR-fiberlasrar uppstod senare än DBR-halvledarlasrar, främst begränsade av utvecklingen av fibervågledarbearbetning och högkoncentrationsteknik för multidopning. För närvarande inkluderar vanliga fibervågledartillverkningstekniker syredefekt fasmaskering och femtosekundlaserbearbetning, medan högkoncentrationsfiberdopningsteknologier omfattar modifierad kemisk ångavsättning (MCVD) och kemisk ångavsättning vid ytplasma (SCVD).
En annan resonatorstruktur baserad på Bragg-gitter är DFB-konfigurationen. DFB-laserhuvudkaviteten integrerar Bragg-strukturen med den aktiva regionen och introducerar en fasförskjutningsregion i strukturens centrum för våglängdsval. Som visas i fig. 3(b) har denna konfiguration en högre grad av integration och strukturell enhet, och mildrar problem såsom allvarlig våglängdsdrift och modhoppning i DBR-strukturer, vilket gör den till den mest stabila och praktiska laserkonfigurationen för närvarande.
Den tekniska utmaningen med DFB-lasrar ligger i tillverkningen av gitterstrukturer. Det finns två primära metoder för gallertillverkning i DBR-halvledarlasrar: sekundär epitaxi och ytetsning. Regrown grating feedback (RGF)-DFB-halvledarlasrar använder sekundär epitaxi och fotolitografi för att odla en uppsättning gitter med lågt brytningsindex i det aktiva området. Denna metod bevarar den aktiva skiktstrukturen med låg förlust, vilket underlättar tillverkningen av hög-Q-resonatorer. Ytgitter (SG)-DFB-halvledarlasrar involverar direkt etsning av ett gitterskikt på ytan av det aktiva området. Detta tillvägagångssätt är mer komplext, kräver exakt justering enligt det aktiva områdets material och dopningsjoner, och uppvisar högre förlust, men erbjuder ändå starkare optisk inneslutning och högre modundertryckningsförmåga.
I likhet med DBR-fiberlasrar, är DFB-fiberlasrar beroende av framsteg inom fibervågledarbearbetning och högkoncentrationsdopad fiberteknologi. Jämfört med DBR-fiberlasrar utgör DFB-fiberlasrar större utmaningar vid gallertillverkning på grund av våglängdsabsorptionsegenskaperna hos joner av sällsynta jordartsmetaller.
Lasrar med kort kavitet som DFB och DBR har begränsad interaktionstid för fotoner i kaviteten, vilket gör komprimering med djup linjebredd svår. För att ytterligare komprimera linjebredden och dämpa brus, kombineras sådana korta huvudkavitetskonfigurationer ofta med externa kavitetsstrukturer för prestandaoptimering. Vanliga externa kaviteter inkluderar rumsliga externa kaviteter, fiber externa kaviteter och vågledare externa kaviteter. Före utvecklingen av fiberoptiska enheter och vågledarstrukturer bestod externa kaviteter till övervägande del av rumslig optik kombinerad med diskreta optiska komponenter. Bland dessa antar gitterbaserade spatiala externa kavitets-återkopplingsstrukturer huvudsakligen Littrow- och Littman-designerna, typiskt bestående av en laserförstärkningskavitet, kopplingslinser och ett diffraktionsgitter. Gittret, som återkopplingselement, möjliggör våglängdsinställning, lägesval och linjebreddskomprimering.
Dessutom kan rumsliga externa kavitets-återkopplingsstrukturer innefatta en rad optiska filtreringsanordningar, såsom F-P etaloner, akustooptiska/elektrooptiska avstämbara filter och interferometrar. Dessa filtreringsanordningar har i sig funktionsvalsfunktioner och kan ersätta gitter; vissa high-Q F-P etaloner överträffar till och med reflekterande gitter i spektral avsmalning och linjebreddskompression.
Med framsteg inom fiberoptisk enhetsteknologi representerar ersättning av rumsliga optiska strukturer med högintegrerade, robusta fibervågledare eller fiberenheter en effektiv strategi för att förbättra lasersystemets stabilitet. Fiber externa kaviteter är vanligtvis konstruerade genom att skarva fiberenheter för att bilda en helfiberstruktur, som erbjuder hög integration, lätt underhåll och stark immunitet mot störningar. Återkopplingsstrukturer för extern kavitet av fiber kan vara enkel fiberloopåterkoppling, eller helfiberresonatorer, FBG:er, fiber F-P-kaviteter och WGM-resonatorer.
Lasrar med smal linjebredd med integrerade återkopplingsstrukturer för extern kavitet av vågledare har väckt stor uppmärksamhet på grund av deras mindre förpackningsstorlek och mer stabila prestanda. I huvudsak följer vågledarens externa kavitetsåterkoppling samma tekniska principer som fiberns externa kavitetsåterkoppling, men mångfalden av halvledarmaterial och mikro-nanobehandlingsteknologier möjliggör mer kompakta och stabila lasersystem, vilket förbättrar det praktiska med vågledare extern kavitetsåterkoppling med smal linjebredd. Vanligt använda halvledarlasermaterial inkluderar Si-, Si3N4- och III-V-föreningar.
Den optoelektroniska oscillationslaserkonfigurationen är en speciell återkopplingslaserarkitektur, där återkopplingssignalen vanligtvis är en elektrisk signal eller samtidig optoelektronisk återkoppling. Den tidigaste optoelektroniska återkopplingsteknologin som applicerades på lasrar var PDH-frekvensstabiliseringstekniken, som använder elektrisk negativ återkoppling för att justera kavitetslängden och låsa laserfrekvensen till referensspektra, såsom hög-Q-resonatorlägen och absorptionslinjer med kall atom. Genom negativ återkopplingsinställning kan laserresonatorn matcha laserns drifttillstånd i realtid, vilket minskar frekvensinstabiliteten till storleksordningen 10⁻¹⁷. Den elektriska återkopplingen lider dock av betydande begränsningar, inklusive långsam svarshastighet och alltför komplexa servosystem som involverar omfattande kretsar. Dessa faktorer resulterar i höga tekniska svårigheter, stringent kontrollprecision och höga kostnader för lasersystem. Dessutom begränsar systemets starka beroende av referenskällor laservåglängden strikt till specifika frekvenspunkter, vilket ytterligare begränsar dess praktiska användbarhet.
Copyright @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Kina fiberoptiska moduler, tillverkare av fiberkopplade laser, leverantörer av laserkomponenter. Alla rättigheter reserverade.
