Στην ανάπτυξη των λέιζερ στενού εύρους γραμμής μέχρι σήμερα, η εξέλιξη των μηχανισμών ανάδρασης λέιζερ ήταν συνώνυμη με την εξέλιξη των δομών αντηχείων λέιζερ. Παρακάτω, παρουσιάζονται διάφορες διαμορφώσεις τεχνολογιών λέιζερ στενού εύρους γραμμής με τη σειρά της εξέλιξης των συντονιστών λέιζερ.
Τα λέιζερ μονής κύριας κοιλότητας μπορούν δομικά να χωριστούν σε γραμμικές κοιλότητες και κοιλότητες δακτυλίου, και κατά μήκος κοιλότητας, σε δομές μικρής και μεγάλης κοιλότητας. Τα λέιζερ μικρής κοιλότητας διαθέτουν μεγάλη απόσταση διαμήκους τρόπου λειτουργίας, η οποία είναι πιο πλεονεκτική για την επίτευξη λειτουργίας μονής διαμήκους λειτουργίας (SLM), αλλά υποφέρουν από ένα ευρύ εγγενές πλάτος γραμμής κοιλότητας και δυσκολία στην καταστολή του θορύβου. Οι δομές μεγάλης κοιλότητας παρουσιάζουν εγγενώς χαρακτηριστικά στενού εύρους γραμμής και επιτρέπουν την ενσωμάτωση διαφορετικών οπτικών συσκευών με ευέλικτες διαμορφώσεις. Ωστόσο, η τεχνική τους πρόκληση έγκειται στην επίτευξη λειτουργίας SLM λόγω της υπερβολικά μικρής διαμήκους απόστασης λειτουργίας.
Ως κλασική διαμόρφωση των κύριων κοιλοτήτων λέιζερ, η γραμμική κοιλότητα διαθέτει πλεονεκτήματα όπως απλή δομή, υψηλή απόδοση και εύκολο χειρισμό. Ιστορικά, η πρώτη αληθινή δέσμη λέιζερ δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας μια δομή γραμμικής κοιλότητας F-P. Με τις επακόλουθες προόδους στην επιστήμη και την τεχνολογία, η δομή F-P έχει υιοθετηθεί ευρέως σε λέιζερ ημιαγωγών, λέιζερ ινών και λέιζερ στερεάς κατάστασης.
Η κοιλότητα του δακτυλίου είναι μια τροποποίηση της κλασικής γραμμικής κοιλότητας, ξεπερνώντας το μειονέκτημα της χωρικής καύσης οπών των γραμμικών κοιλοτήτων αντικαθιστώντας τα πεδία στάσιμων κυμάτων με κινούμενα κύματα για την επίτευξη κυκλικής ενίσχυσης των οπτικών σημάτων. Με γνώμονα την ανάπτυξη συσκευών οπτικών ινών, τα λέιζερ ινών με εύκαμπτες δομές όλων των ινών έχουν συγκεντρώσει εκτενή προσοχή και έχουν γίνει η ταχύτερα αναπτυσσόμενη κατηγορία λέιζερ τις τελευταίες δύο δεκαετίες.
Τα λέιζερ ταλαντωτή μη επίπεδου δακτυλίου (NPRO) αντιπροσωπεύουν μια ειδική διαμόρφωση λέιζερ ταξιδιωτικού κύματος. Τυπικά, η κύρια κοιλότητα τέτοιων λέιζερ αποτελείται από έναν μονολιθικό κρύσταλλο, ο οποίος ρυθμίζει την κατάσταση πόλωσης του λέιζερ μέσω της ανάκλασης της ακραίας όψης του κρυστάλλου και ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου για την πραγματοποίηση της λειτουργίας λέιζερ μονής κατεύθυνσης. Αυτός ο σχεδιασμός μειώνει σημαντικά το θερμικό φορτίο του αντηχείου λέιζερ, παρέχει εξαιρετική σταθερότητα σε μήκος κύματος και ισχύ και διαθέτει χαρακτηριστικά στενού εύρους γραμμής.
Περιοριζόμενοι από παράγοντες όπως το υπερβολικά μικρό μήκος κοιλότητας και η υψηλή εγγενής απώλεια, οι διαμορφώσεις λέιζερ γραμμικής κοιλότητας μονής κοιλότητας F-P που βασίζονται στην ανάδραση εντός της κοιλότητας υποφέρουν από περιορισμένο χρόνο αλληλεπίδρασης φωτονίων και δυσκολία στην εξάλειψη της αυθόρμητης εκπομπής από το μέσο απολαβής. Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, οι ερευνητές πρότειναν τη διαμόρφωση ανάδρασης ενιαίας εξωτερικής κοιλότητας. Η εξωτερική κοιλότητα λειτουργεί για να παρατείνει το χρόνο αλληλεπίδρασης φωτονίων και να τροφοδοτήσει τα φιλτραρισμένα φωτόνια πίσω στην κύρια κοιλότητα, βελτιστοποιώντας έτσι την απόδοση του λέιζερ και συμπιέζοντας το πλάτος γραμμής. Οι πρώιμες απλές δομές εξωτερικής κοιλότητας που βασίζονται σε χωρική οπτική, όπως οι διαμορφώσεις Littrow και Littman, χρησιμοποιούν την ικανότητα φασματικής διασποράς των σχάρων για να επανεισάγουν καθαρισμένα σήματα λέιζερ στην κύρια κοιλότητα του λέιζερ, ασκώντας συχνότητα έλξης στην κύρια κοιλότητα για να επιτευχθεί συμπίεση εύρους γραμμής. Αυτή η ενιαία δομή εξωτερικής κοιλότητας επεκτάθηκε αργότερα σε λέιζερ ινών και λέιζερ ημιαγωγών.
Η τεχνική πρόκληση των διαμορφώσεων λέιζερ ανάδρασης μονής εξωτερικής κοιλότητας έγκειται στην αντιστοίχιση φάσης μεταξύ της εξωτερικής κοιλότητας και της κύριας κοιλότητας. Μελέτες έχουν δείξει ότι η χωρική φάση του σήματος ανάδρασης εξωτερικής κοιλότητας είναι κρίσιμη για τον προσδιορισμό του κατωφλίου λέιζερ, της συχνότητας και της σχετικής ισχύος εξόδου, και οι διαμήκεις τρόποι λειτουργίας λέιζερ είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι στην ένταση και τη φάση του σήματος ανάδρασης.
Διαμόρφωση λέιζερ DBR
Για να βελτιωθεί η σταθερότητα των συστημάτων λέιζερ και να ενσωματωθούν συσκευές επιλογής μήκους κύματος στη δομή της κύριας κοιλότητας, αναπτύχθηκε η διαμόρφωση DBR. Σχεδιασμένο με βάση το αντηχείο F-P, το αντηχείο DBR αντικαθιστά τους καθρέφτες της δομής F-P με περιοδικές παθητικές δομές Bragg για να παρέχει οπτική ανάδραση. Λόγω της περιοδικής επίδρασης φιλτραρίσματος χτένας της δομής Bragg στις λειτουργίες παρεμβολής λέιζερ, η κύρια κοιλότητα DBR διαθέτει εγγενώς χαρακτηριστικά φιλτραρίσματος. Σε συνδυασμό με τη μεγάλη διαμήκη απόσταση λειτουργίας που παρέχεται από τη δομή μικρής κοιλότητας, η λειτουργία SLM επιτυγχάνεται εύκολα. Αν και η περιοδική δομή Bragg σχεδιάστηκε αρχικά αποκλειστικά για επιλογή μήκους κύματος, από την άποψη της δομής κοιλότητας, αντιπροσωπεύει επίσης μια εξέλιξη της δομής μιας κοιλότητας με αυξημένο αριθμό επιφανειών ανάδρασης.
Ταξινομημένα ανά μέσο απολαβής, τα λέιζερ DBR περιλαμβάνουν λέιζερ ημιαγωγών και λέιζερ ινών. Τα λέιζερ ημιαγωγών έχουν ένα φυσικό πλεονέκτημα στη συμβατότητα κατασκευής με υλικά ημιαγωγών και τεχνολογίες επεξεργασίας μικρο-νανο. Πολλές διεργασίες κατασκευής ημιαγωγών, όπως η δευτερογενής επιταξία, η χημική εναπόθεση ατμών, η σταδιακή φωτολιθογραφία, η νανοαποτύπωση, η χάραξη δέσμης ηλεκτρονίων και η χάραξη ιόντων, μπορούν να εφαρμοστούν απευθείας στην έρευνα και την κατασκευή λέιζερ ημιαγωγών.
Τα λέιζερ ινών DBR εμφανίστηκαν αργότερα από τα λέιζερ ημιαγωγών DBR, κυρίως περιορισμένα από την ανάπτυξη επεξεργασίας κυματοδηγών ινών και τεχνολογιών πολλαπλών ντόπινγκ υψηλής συγκέντρωσης. Επί του παρόντος, οι κοινές τεχνικές κατασκευής κυματοδηγών ινών περιλαμβάνουν κάλυψη φάσης ελαττώματος οξυγόνου και επεξεργασία λέιζερ femtosecond, ενώ οι τεχνολογίες ντόπινγκ ινών υψηλής συγκέντρωσης περιλαμβάνουν τροποποιημένη εναπόθεση χημικών ατμών (MCVD) και εναπόθεση χημικών ατμών επιφανειακής πλάσματος (SCVD).
Μια άλλη δομή αντηχείου που βασίζεται σε σχάρες Bragg είναι η διαμόρφωση DFB. Η κύρια κοιλότητα λέιζερ DFB ενσωματώνει τη δομή Bragg με την ενεργή περιοχή και εισάγει μια περιοχή μετατόπισης φάσης στο κέντρο της δομής για επιλογή μήκους κύματος. Όπως φαίνεται στο Σχ. 3(β), αυτή η διαμόρφωση διαθέτει υψηλότερο βαθμό ολοκλήρωσης και δομικής ενότητας και μετριάζει ζητήματα όπως η έντονη μετατόπιση μήκους κύματος και η αναπήδηση σε δομές DBR, καθιστώντας την την πιο σταθερή και πρακτική διαμόρφωση λέιζερ στο παρόν στάδιο.
Η τεχνική πρόκληση των λέιζερ DFB έγκειται στην κατασκευή δομών σχάρας. Υπάρχουν δύο κύριες μέθοδοι για την κατασκευή σχάρας στα λέιζερ ημιαγωγών DBR: η δευτερογενής επιταξία και η επιφανειακή χάραξη. Τα λέιζερ ημιαγωγών με ανάδραση με ανάδραση πλέγματος (RGF)-DFB χρησιμοποιούν δευτερεύουσα επιταξία και φωτολιθογραφία για την ανάπτυξη ενός σετ σχάρων χαμηλού δείκτη διάθλασης στην ενεργό περιοχή. Αυτή η μέθοδος διατηρεί τη δομή του ενεργού στρώματος με χαμηλή απώλεια, διευκολύνοντας την κατασκευή αντηχείων υψηλής Q. Τα λέιζερ ημιαγωγών επιφανειακής σχάρας (SG)-DFB περιλαμβάνουν απευθείας χάραξη ενός στρώματος τριψίματος στην επιφάνεια της ενεργού περιοχής. Αυτή η προσέγγιση είναι πιο περίπλοκη, απαιτεί ακριβή προσαρμογή σύμφωνα με το υλικό της ενεργού περιοχής και τα ιόντα ντόπινγκ και παρουσιάζει μεγαλύτερη απώλεια, ωστόσο προσφέρει ισχυρότερο οπτικό περιορισμό και υψηλότερη ικανότητα καταστολής λειτουργίας.
Παρόμοια με τα λέιζερ ινών DBR, τα λέιζερ ινών DFB βασίζονται στην πρόοδο στην επεξεργασία κυματοδηγών ινών και στις τεχνολογίες ντοπαρισμένων ινών υψηλής συγκέντρωσης. Σε σύγκριση με τα λέιζερ ινών DBR, τα λέιζερ ινών DFB θέτουν μεγαλύτερες προκλήσεις στην κατασκευή σχάρας λόγω των χαρακτηριστικών απορρόφησης μήκους κύματος των ιόντων σπανίων γαιών.
Τα λέιζερ κύριας κοιλότητας μικρής κοιλότητας, όπως το DFB και το DBR, έχουν περιορισμένο χρόνο αλληλεπίδρασης φωτονίων εντός της κοιλότητας, καθιστώντας δύσκολη τη συμπίεση σε βαθύ πλάτος γραμμής. Για την περαιτέρω συμπίεση του πλάτους γραμμής και την καταστολή του θορύβου, τέτοιες διαμορφώσεις κύριας κοιλότητας μικρής κοιλότητας συχνά συνδυάζονται με δομές εξωτερικής κοιλότητας για βελτιστοποίηση απόδοσης. Οι κοινές δομές εξωτερικής κοιλότητας περιλαμβάνουν χωρικές εξωτερικές κοιλότητες, εξωτερικές κοιλότητες ινών και εξωτερικές κοιλότητες κυματοδηγού. Πριν από την ανάπτυξη συσκευών οπτικών ινών και δομών κυματοδηγών, οι εξωτερικές κοιλότητες αποτελούνταν κυρίως από χωρική οπτική σε συνδυασμό με διακριτά οπτικά στοιχεία. Μεταξύ αυτών, οι δομές ανάδρασης χωρικής εξωτερικής κοιλότητας που βασίζονται σε πλέγμα υιοθετούν κυρίως τα σχέδια Littrow και Littman, που συνήθως αποτελούνται από μια κοιλότητα κέρδους λέιζερ, φακούς σύζευξης και ένα πλέγμα περίθλασης. Το πλέγμα, ως στοιχείο ανάδρασης, επιτρέπει τον συντονισμό μήκους κύματος, την επιλογή τρόπου λειτουργίας και τη συμπίεση εύρους γραμμής.
Επιπλέον, οι χωρικές δομές ανάδρασης εξωτερικής κοιλότητας μπορούν να ενσωματώσουν μια σειρά από συσκευές οπτικού φιλτραρίσματος, όπως F-P etalons, ακουστικο-οπτικά/ηλεκτροοπτικά συντονίσιμα φίλτρα και παρεμβολόμετρα. Αυτές οι συσκευές φιλτραρίσματος διαθέτουν εγγενώς δυνατότητες επιλογής τρόπου λειτουργίας και μπορούν να αντικαταστήσουν τις σχάρες. Ορισμένα ετάλόνια F-P υψηλού Q ξεπερνούν ακόμη και τις ανακλαστικές σχάρες σε φασματική στένωση και συμπίεση εύρους γραμμής.
Με την πρόοδο της τεχνολογίας συσκευών οπτικών ινών, η αντικατάσταση χωρικών οπτικών δομών με εξαιρετικά ενσωματωμένους, στιβαρούς κυματοδηγούς ή συσκευές ινών αντιπροσωπεύει μια αποτελεσματική στρατηγική για τη βελτίωση της σταθερότητας του συστήματος λέιζερ. Οι εξωτερικές κοιλότητες ινών κατασκευάζονται συνήθως με μάτισμα συσκευών ινών για να σχηματίσουν μια δομή που αποτελείται από ίνες, προσφέροντας υψηλή ενσωμάτωση, ευκολία συντήρησης και ισχυρή ανοσία στις παρεμβολές. Οι δομές ανάδρασης εξωτερικής κοιλότητας ινών μπορεί να είναι απλή ανάδραση βρόχου ίνας ή συντονιστές όλων των ινών, FBG, κοιλότητες F-P ινών και αντηχεία WGM.
Τα λέιζερ στενού εύρους γραμμής με ενσωματωμένες δομές ανάδρασης εξωτερικής κοιλότητας κυματοδηγού έχουν προσελκύσει ευρεία προσοχή λόγω του μικρότερου μεγέθους συσκευασίας και της πιο σταθερής απόδοσής τους. Ουσιαστικά, η ανάδραση εξωτερικής κοιλότητας κυματοδηγού ακολουθεί τις ίδιες τεχνικές αρχές με την ανάδραση εξωτερικής κοιλότητας ινών, αλλά η ποικιλία των υλικών ημιαγωγών και οι τεχνολογίες επεξεργασίας μικρο-νανο επιτρέπουν πιο συμπαγή και σταθερά συστήματα λέιζερ, ενισχύοντας την πρακτικότητα των λέιζερ στενού εύρους γραμμής ανάδρασης εξωτερικής κοιλότητας κυματοδηγών. Τα συνήθως χρησιμοποιούμενα υλικά λέιζερ ημιαγωγών περιλαμβάνουν ενώσεις Si, Si3N4 και III-V.
Η διαμόρφωση λέιζερ οπτοηλεκτρονικής ταλάντωσης είναι μια ειδική αρχιτεκτονική λέιζερ ανάδρασης, όπου το σήμα ανάδρασης είναι συνήθως ένα ηλεκτρικό σήμα ή ταυτόχρονη οπτοηλεκτρονική ανάδραση. Η παλαιότερη τεχνολογία οπτοηλεκτρονικής ανάδρασης που εφαρμόστηκε στα λέιζερ ήταν η τεχνική σταθεροποίησης συχνότητας PDH, η οποία χρησιμοποιεί ηλεκτρική αρνητική ανάδραση για να ρυθμίσει το μήκος της κοιλότητας και να κλειδώσει τη συχνότητα του λέιζερ σε φάσματα αναφοράς, όπως λειτουργίες συντονισμού υψηλής Q και γραμμές απορρόφησης ψυχρού ατόμου. Μέσω του συντονισμού αρνητικής ανάδρασης, το αντηχείο λέιζερ μπορεί να ταιριάζει με την κατάσταση λειτουργίας του λέιζερ σε πραγματικό χρόνο, μειώνοντας την αστάθεια συχνότητας της τάξης του 10-17. Ωστόσο, η ηλεκτρική ανάδραση υποφέρει από σημαντικούς περιορισμούς, συμπεριλαμβανομένης της αργής ταχύτητας απόκρισης και των υπερβολικά πολύπλοκων σερβο συστημάτων που περιλαμβάνουν εκτεταμένα κυκλώματα. Αυτοί οι παράγοντες οδηγούν σε υψηλή τεχνική δυσκολία, αυστηρή ακρίβεια ελέγχου και υψηλό κόστος για συστήματα λέιζερ. Επιπλέον, η ισχυρή εξάρτηση του συστήματος από πηγές αναφοράς περιορίζει αυστηρά το μήκος κύματος του λέιζερ σε συγκεκριμένα σημεία συχνότητας, περιορίζοντας περαιτέρω την πρακτική εφαρμογή του.
Πνευματικά δικαιώματα @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Κίνα Μονάδες οπτικών ινών, κατασκευαστές λέιζερ συζευγμένων ινών, προμηθευτές εξαρτημάτων λέιζερ Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος.
