Kapean viivaleveyden lasereiden kehityksessä tähän päivään asti laserin takaisinkytkentämekanismien kehitys on ollut synonyymi laserresonaattorirakenteiden kehitykselle. Alla esitellään erilaisia kapean viivanleveyden lasertekniikoiden konfiguraatioita laserresonaattoreiden kehityksen järjestyksessä.
Yksittäisen pääontelon laserit voidaan jakaa rakenteellisesti lineaarisiin onteloihin ja rengasonteloihin sekä kaviteetin pituuden mukaan lyhytonteloisiin ja pitkän kaviteetin rakenteisiin. Lyhyen ontelon lasereissa on suuri pitkittäismuotoväli, joka on edullisempi yhden pitkittäismoodin (SLM) toiminnan saavuttamiseksi, mutta kärsii laajasta sisäisestä ontelon viivanleveydestä ja vaikeudesta vaimentaa kohinaa. Pitkän ontelon rakenteilla on luonnostaan kapeat viivanleveysominaisuudet ja ne mahdollistavat erilaisten optisten laitteiden integroinnin joustavilla konfiguraatioilla; Niiden tekninen haaste on kuitenkin SLM-toiminnan saavuttaminen liian pienen pitkittäismuotovälin vuoksi.
Klassisena laserin pääonteloiden kokoonpanona lineaarisella ontelolla on etuja, kuten yksinkertainen rakenne, korkea hyötysuhde ja helppo käsittely. Historiallisesti ensimmäinen todellinen lasersäde luotiin käyttämällä F-P lineaarista ontelorakennetta. Myöhemmin tieteen ja tekniikan kehityksen myötä F-P-rakenne on otettu laajalti käyttöön puolijohdelasereissa, kuitulasereissa ja puolijohdelasereissa.
Rengasontelo on klassisen lineaarisen ontelon muunnelma, joka voittaa lineaaristen onteloiden avaruudellisia reikiä polttavan haitan korvaamalla seisovan aallon kentät liikkuvilla aalloilla optisten signaalien syklisen vahvistuksen saavuttamiseksi. Kuituoptisten laitteiden kehityksen vauhdittamat kuitulaserit, joissa on joustavia kokokuiturakenteita, ovat saaneet laajaa huomiota, ja niistä on tullut nopeimmin kasvava laserluokka viimeisen kahden vuosikymmenen aikana.
Non-planar ring oscillator (NPRO) laserit edustavat erityistä liikkuvan aallon laserkonfiguraatiota. Tyypillisesti tällaisten lasereiden pääontelo koostuu monoliittisesta kiteestä, joka säätelee laserin polarisaatiotilaa kiteen päätypinnan heijastuksen ja ulkoisen magneettikentän avulla yksisuuntaisen lasertoiminnan toteuttamiseksi. Tämä muotoilu vähentää huomattavasti laserresonaattorin lämpökuormitusta, tarjoaa poikkeuksellisen vakaan aallonpituuden ja tehon, ja siinä on kapeat viivanleveysominaisuudet.
Onkalon liian lyhyen pituuden ja suuren luontaisen häviön kaltaisten tekijöiden rajoittamina F-P lineaarisen onkalon yhden kaviteetin laserkonfiguraatiot, jotka perustuvat onkalon sisäiseen palautteeseen, kärsivät rajoitetusta fotonien vuorovaikutusajasta ja vaikeuksista eliminoida spontaani emissio vahvistusväliaineesta. Tämän ongelman ratkaisemiseksi tutkijat ehdottivat yksittäistä ulkoisen ontelon palautekonfiguraatiota. Ulkoisen ontelon tehtävänä on pidentää fotonien vuorovaikutusaikaa ja syöttää suodatettuja fotoneja takaisin pääonteloon, mikä optimoi laserin suorituskyvyn ja tiivistää viivanleveyttä. Varhaiset yksinkertaiset spatiaaliseen optiikkaan perustuvat ulkoisen kaviteetin rakenteet, kuten Littrow- ja Littman-konfiguraatiot, hyödyntävät säleikön spektridispersiokykyä puhdistettujen lasersignaalien injektoimiseksi uudelleen laserin pääonteloon kohdistaen pääonteloon taajuutta vetämällä viivaleveyden kompressointia. Tämä yksittäinen ulkoinen ontelorakenne laajennettiin myöhemmin kuitulasereihin ja puolijohdelasereihin.
Yksittäisen ulkoisen ontelon takaisinkytkentälaserkokoonpanojen tekninen haaste on ulkoisen ontelon ja pääontelon välisen vaiheen sovittaminen. Tutkimukset ovat osoittaneet, että ulkoisen onkalon takaisinkytkentäsignaalin spatiaalinen vaihe on kriittinen määritettäessä laserin kynnysarvoa, taajuutta ja suhteellista lähtötehoa, ja laserin pituussuuntaiset tilat ovat erittäin herkkiä takaisinkytkentäsignaalin intensiteetille ja vaiheelle.
DBR-laserkokoonpano
Laserjärjestelmien vakauden parantamiseksi ja aallonpituusselektiivisten laitteiden integroimiseksi pääontelorakenteeseen kehitettiin DBR-konfiguraatio. F-P-resonaattoriin perustuva DBR-resonaattori korvaa F-P-rakenteen peilit jaksollisilla passiivisilla Bragg-rakenteilla optisen palautteen saamiseksi. Bragg-rakenteen jaksollisen kampasuodatusvaikutuksen ansiosta laserhäiriötiloissa DBR:n pääontelolla on luonnostaan suodatusominaisuudet. Yhdessä lyhyen ontelorakenteen tarjoaman suuren pitkittäismuotovälin kanssa SLM-toiminta saavutetaan helposti. Vaikka jaksollinen Bragg-rakenne suunniteltiin alun perin yksinomaan aallonpituuden valintaa varten, ontelorakenteen näkökulmasta se edustaa myös yksiontelorakenteen kehitystä, jossa on lisääntynyt määrä takaisinkytkentäpintoja.
Vahvistusväliaineen mukaan luokiteltuja DBR-lasereita ovat puolijohdelaserit ja kuitulaserit. Puolijohdelasereilla on luonnollinen etu valmistuksen yhteensopivuuden suhteen puolijohdemateriaalien ja mikronanokäsittelyteknologioiden kanssa. Monia puolijohteiden valmistusprosesseja, kuten sekundaarinen epitaksi, kemiallinen höyrypinnoitus, askelfotolitografia, nanoimprintti, elektronisuihkuetsaus ja ionietsaus, voidaan soveltaa suoraan puolijohdelaserien tutkimukseen ja valmistukseen.
DBR-kuitulaserit syntyivät myöhemmin kuin DBR-puolijohdelaserit, ja niitä rajoitti pääasiassa kuituaaltoputkikäsittelyn ja korkean pitoisuuden moniseosteknologian kehitys. Tällä hetkellä yleisiin kuituaaltoputkien valmistustekniikoihin kuuluu happivikafaasinaamiointi ja femtosekunnin laserkäsittely, kun taas korkean pitoisuuden kuidun dopingtekniikat kattavat muunnetun kemiallisen höyrypinnoituksen (MCVD) ja pintaplasmakemiallisen höyrypinnoituksen (SCVD).
Toinen Bragg-hiloihin perustuva resonaattorirakenne on DFB-konfiguraatio. DFB-laserin pääontelo integroi Braggin rakenteen aktiivisen alueen kanssa ja lisää vaiheensiirtoalueen rakenteen keskelle aallonpituuden valintaa varten. Kuten kuvasta 3(b) näkyy, tämä konfiguraatio sisältää korkeamman integroinnin ja rakenteellisen yhtenäisyyden, ja se lieventää ongelmia, kuten vakavaa aallonpituuden ryömintää ja moodihyppelyä DBR-rakenteissa, mikä tekee siitä vakaimman ja käytännöllisimmän laserkonfiguraation nykyisessä vaiheessa.
DFB-laserien tekninen haaste on ritilärakenteiden valmistus. DBR-puolijohdelasereissa on kaksi päämenetelmää hilan valmistukseen: sekundaarinen epitaksi ja pintaetsaus. Regrown grating feedback (RGF)-DFB-puolijohdelaserit käyttävät sekundaarista epitaksia ja fotolitografiaa kasvattaakseen joukon alhaisen taitekertoimen omaavia hiloja aktiivisella alueella. Tämä menetelmä säilyttää aktiivisen kerroksen rakenteen pienellä häviöllä, mikä helpottaa korkean Q-resonaattoreiden valmistusta. Pintahila (SG)-DFB-puolijohdelaserit sisältävät hilakerroksen etsauksen suoraan aktiivisen alueen pinnalle. Tämä lähestymistapa on monimutkaisempi ja vaatii tarkan säädön aktiivisen alueen materiaalin ja doping-ionien mukaan, ja siinä on suurempi häviö, mutta se tarjoaa kuitenkin vahvemman optisen rajoituksen ja paremman tilan vaimennuskyvyn.
Kuten DBR-kuitulaserit, DFB-kuitulaserit luottavat kuituaaltoputkien käsittelyn ja korkean pitoisuuden seostettuihin kuitutekniikoihin. DBR-kuitulasereihin verrattuna DFB-kuitulaserit asettavat suurempia haasteita ritilän valmistuksessa harvinaisten maametallien ionien aallonpituuden absorptio-ominaisuuksien vuoksi.
Lyhyen kaviteetin pääontelolasereilla, kuten DFB:llä ja DBR:llä, on rajallinen ontelon sisäinen fotonien vuorovaikutusaika, mikä tekee syvän viivanleveyden pakkaamisesta vaikeaa. Viivanleveyden edelleen tiivistämiseksi ja kohinan vaimentamiseksi tällaiset lyhyen kaviteetin pääontelokokoonpanot yhdistetään usein ulkoisten ontelorakenteiden kanssa suorituskyvyn optimoimiseksi. Yleisiä ulko-ontelorakenteita ovat spatiaaliset ulkoontelot, kuituulkoiset ontelot ja aaltoputkien ulkoiset ontelot. Ennen kuituoptisten laitteiden ja aaltoputkirakenteiden kehittämistä ulkoiset ontelot koostuivat pääasiassa tilaoptiikasta yhdistettynä erillisiin optisiin komponentteihin. Näistä hilapohjaiset spatiaaliset ulkoisen onkalon takaisinkytkentärakenteet omaksuvat pääasiassa Littrow'n ja Littmanin mallit, jotka koostuvat tyypillisesti laservahvistusontelosta, kytkentälinsseistä ja diffraktiohilasta. Hila takaisinkytkentäelementtinä mahdollistaa aallonpituuden virityksen, tilan valinnan ja linjanleveyden pakkaamisen.
Lisäksi spatiaaliset ulkoisen onkalon takaisinkytkentärakenteet voivat sisältää erilaisia optisia suodatuslaitteita, kuten F-P-etaloneja, akusto-optisia/sähköoptisia viritettäviä suodattimia ja interferometrejä. Näillä suodatinlaitteilla on luonnostaan tilanvalintaominaisuudet ja ne voivat korvata ritilöitä; tietyt korkean Q F-P etalonit jopa ylittävät heijastavat hilat spektrin kaventuessa ja viivaleveyden pakkauksessa.
Kuituoptisen laitetekniikan edistymisen myötä tilaoptisten rakenteiden korvaaminen erittäin integroiduilla, kestävillä kuituaaltoputkilla tai kuitulaitteilla on tehokas strategia laserjärjestelmän vakauden parantamiseksi. Kuitujen ulkoiset ontelot rakennetaan yleensä yhdistämällä kuitulaitteita muodostamaan kokonaan kuiturakenne, joka tarjoaa korkean integraation, helpon huollon ja vahvan häiriönkestävyyden. Kuitujen ulkoisen onkalon takaisinkytkentärakenteet voivat olla yksinkertaisia kuitusilmukkapalautteita tai kokokuituisia resonaattoreita, FBG:itä, kuitu-F-P-onteloita ja WGM-resonaattoreita.
Kapealinjaiset laserit, joissa on integroidut aaltoputken ulkoisen onkalon takaisinkytkentärakenteet, ovat herättäneet laajaa huomiota pienemmän pakkauskoon ja vakaamman suorituskyvyn ansiosta. Pohjimmiltaan aaltoputkien ulko-ontelon takaisinkytkentä noudattaa samoja teknisiä periaatteita kuin kuitujen ulko-ontelopalaute, mutta puolijohdemateriaalien ja mikronanoprosessointitekniikoiden monimuotoisuus mahdollistaa kompaktimman ja vakaamman laserjärjestelmän, mikä lisää aaltoputkien ulko-ontelon takaisinkytkentää kapeaa viivanleveyttä lasereiden käytännöllisyyttä. Yleisesti käytettyjä puolijohdelasermateriaaleja ovat Si-, Si3N4- ja III-V-yhdisteet.
Optoelektroninen oskillaatiolaserkonfiguraatio on erityinen takaisinkytkentälaserarkkitehtuuri, jossa takaisinkytkentäsignaali on tyypillisesti sähköinen signaali tai samanaikainen optoelektroninen takaisinkytkentä. Varhaisin lasereihin sovellettu optoelektroninen takaisinkytkentätekniikka oli PDH-taajuuden stabilointitekniikka, joka käyttää negatiivista sähköistä palautetta onkalon pituuden säätämiseen ja lasertaajuuden lukitsemiseen referenssispektreihin, kuten korkean Q-resonaattorimoodiin ja kylmäatomin absorptiolinjoihin. Negatiivisen palautevirityksen avulla laserresonaattori voi sovittaa laserin toimintatilan reaaliajassa, mikä vähentää taajuuden epävakautta luokkaan 10-117. Sähköinen takaisinkytkentä kärsii kuitenkin merkittävistä rajoituksista, mukaan lukien hidas vastenopeus ja liian monimutkaiset servojärjestelmät, jotka sisältävät laajan piirin. Nämä tekijät johtavat suuriin teknisiin vaikeuksiin, tiukkaan ohjaustarkkuuteen ja korkeaan laserjärjestelmien kustannuksiin. Lisäksi järjestelmän vahva riippuvuus referenssilähteistä rajoittaa laseraallonpituuden tiukasti tiettyihin taajuuspisteisiin, mikä rajoittaa entisestään sen käytännön soveltuvuutta.
Copyright @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Kiina kuituoptiset moduulit, kuitukytkettyjen lasereiden valmistajat, laserkomponenttien toimittajat Kaikki oikeudet pidätetään.
