A keskeny vonalszélességű lézerek fejlesztése során napjainkig a lézeres visszacsatolási mechanizmusok fejlődése egyet jelent a lézerrezonátor struktúrák fejlődésével. Az alábbiakban a keskeny vonalszélességű lézertechnológiák különféle konfigurációit mutatjuk be a lézerrezonátorok fejlődésének sorrendjében.
Az egy főüreges lézerek szerkezetileg lineáris üregekre és gyűrűs üregekre, az üreg hossza szerint pedig rövid üregű és hosszú üregű struktúrákra oszthatók. A rövid üregű lézerek nagy longitudinális üzemmód-távolsággal rendelkeznek, ami előnyösebb az egyszeri longitudinális üzemmódú (SLM) működés eléréséhez, de a belső üreg széles vonalszélességétől és a zaj elnyomásának nehézségeitől szenved. A hosszú üreges szerkezetek eleve szűk vonalszélességgel rendelkeznek, és lehetővé teszik a különféle optikai eszközök integrálását rugalmas konfigurációkkal; technikai kihívásuk azonban az SLM működés elérésében rejlik, a túlságosan kis hosszirányú üzemmódtávolság miatt.
A lézeres főüregek klasszikus konfigurációjaként a lineáris üreg olyan előnyökkel büszkélkedhet, mint az egyszerű szerkezet, a nagy hatékonyság és a könnyű manipuláció. Történelmileg az első valódi lézersugarat F-P lineáris üreges szerkezettel hozták létre. A tudomány és a technológia későbbi fejlődésével az F-P szerkezetet széles körben alkalmazták a félvezető lézerekben, a szálas lézerekben és a szilárdtestlézerekben.
A gyűrűüreg a klasszikus lineáris üreg egy módosítása, amely a lineáris üregek térbeli lyukégető hátrányát küszöböli ki azáltal, hogy az állóhullám-mezőket utazó hullámokkal helyettesíti az optikai jelek ciklikus erősítésének elérése érdekében. A száloptikai eszközök fejlődésének köszönhetően a rugalmas, teljes szálas szerkezetű szálas lézerek nagy figyelmet kaptak, és az elmúlt két évtizedben a lézerek leggyorsabban növekvő kategóriájává váltak.
A nem planáris gyűrűoszcillátor (NPRO) lézerek egy speciális utazóhullámú lézerkonfigurációt képviselnek. Az ilyen lézerek fő ürege jellemzően egy monolit kristályból áll, amely a lézer polarizációs állapotát a kristály végfelületi reflexiójával és egy külső mágneses mezővel szabályozza az egyirányú lézerműködés megvalósítása érdekében. Ez a kialakítás nagymértékben csökkenti a lézerrezonátor termikus terhelését, kivételes stabilitást biztosít a hullámhosszban és a teljesítményben, valamint keskeny vonalszélességgel rendelkezik.
Az olyan tényezők által korlátozva, mint a túlságosan rövid üreghossz és a nagy belső veszteség, az üregen belüli visszacsatoláson alapuló, lineáris üreges együreges lézerkonfigurációk korlátozott fotonkölcsönhatási időtől és az erősítő közegből származó spontán emisszió kiküszöbölésének nehézségeitől szenvednek. A probléma megoldására a kutatók egyetlen külső üreges visszacsatoló konfigurációt javasoltak. A külső üreg meghosszabbítja a fotonok interakciós idejét, és visszavezeti a szűrt fotonokat a fő üregbe, ezáltal optimalizálja a lézer teljesítményét és tömöríti a vonalszélességet. A korai egyszerű, térbeli optikán alapuló külső üreges struktúrák, mint például a Littrow és Littman konfigurációk, a rácsok spektrális diszperziós képességét használják ki, hogy tisztított lézerjeleket fecskendezzenek vissza a lézer fő üregébe, frekvenciahúzással a főüregre a vonalszélesség-tömörítés érdekében. Ezt az egyetlen külső üreges szerkezetet később kiterjesztették a szálas lézerekre és a félvezető lézerekre is.
Az egyedi külső üreges visszacsatoló lézerkonfigurációk technikai kihívása a külső üreg és a fő üreg közötti fázisillesztésben rejlik. Tanulmányok kimutatták, hogy a külső üreges visszacsatolójel térbeli fázisa kritikus a lézerküszöb, a frekvencia és a relatív kimeneti teljesítmény meghatározásához, és a lézer longitudinális üzemmódjai nagyon érzékenyek a visszacsatoló jel intenzitására és fázisára.
DBR lézer konfiguráció
A lézerrendszerek stabilitásának növelése és a hullámhossz-szelektív eszközök beépítése a fő üregszerkezetbe a DBR konfigurációt fejlesztették ki. Az F-P rezonátorra épülő DBR rezonátor az F-P struktúra tükreit periodikus passzív Bragg struktúrákra cseréli, hogy optikai visszacsatolást biztosítson. A Bragg-struktúra lézeres interferencia módokra gyakorolt periodikus fésűszűrő hatása miatt a DBR főürege eredendően szűrő tulajdonságokkal rendelkezik. A rövid üreges szerkezet által biztosított nagy hosszirányú üzemmód-távolsággal kombinálva az SLM működés könnyen elérhető. Bár a periodikus Bragg-struktúrát eredetileg kizárólag a hullámhossz-választásra tervezték, az üreg-struktúra szemszögéből nézve az együreges struktúra fejlődését is reprezentálja, megnövekedett számú visszacsatoló felülettel.
Erősítési közeg szerint osztályozva a DBR lézerek közé tartoznak a félvezető lézerek és a szálas lézerek. A félvezető lézerek természetes előnnyel rendelkeznek a félvezető anyagokkal és a mikro-nano feldolgozási technológiákkal való kompatibilitás terén. Számos félvezető gyártási eljárás, mint például a másodlagos epitaxia, a kémiai gőzleválasztás, a lépéses fotolitográfia, a nanoimprinting, az elektronsugaras maratás és az ionmaratás, közvetlenül alkalmazható a félvezető lézerek kutatására és gyártására.
A DBR szálas lézerek később jelentek meg, mint a DBR félvezető lézerek, főként a szálas hullámvezető feldolgozás és a nagy koncentrációjú többadalékolási technológiák fejlődése miatt. Jelenleg az elterjedt szálhullámvezető gyártási technikák közé tartozik az oxigénhibás fázismaszkolás és a femtoszekundumos lézeres feldolgozás, míg a nagy koncentrációjú száladagolási technológiák a módosított kémiai gőzleválasztást (MCVD) és a felületi plazmakémiai gőzleválasztást (SCVD) foglalják magukban.
Egy másik Bragg-rácson alapuló rezonátorstruktúra a DFB konfiguráció. A DFB lézer fő ürege integrálja a Bragg struktúrát az aktív régióval, és egy fáziseltolási tartományt vezet be a szerkezet közepén a hullámhossz kiválasztásához. Amint az a 3(b) ábrán látható, ez a konfiguráció magasabb fokú integrációt és szerkezeti egységet mutat, és enyhíti az olyan problémákat, mint például a súlyos hullámhossz-drift és a módugrás a DBR-struktúrákban, így ez a legstabilabb és legpraktikusabb lézerkonfiguráció a jelenlegi szakaszban.
A DFB lézerek technikai kihívása a rácsszerkezetek gyártásában rejlik. A DBR félvezető lézerekben két elsődleges módszer létezik a rácsgyártásra: a másodlagos epitaxia és a felületi maratás. A visszacsatolt rács (RGF)-DFB félvezető lézerek másodlagos epitaxiát és fotolitográfiát alkalmaznak, hogy alacsony törésmutatójú rácsokat hoznak létre az aktív területen. Ez a módszer alacsony veszteséggel megőrzi az aktív rétegszerkezetet, megkönnyítve a nagy Q rezonátorok gyártását. A felületi rácsos (SG)-DFB félvezető lézerek során közvetlenül rácsréteget marnak az aktív tartomány felületére. Ez a megközelítés összetettebb, pontos beállítást igényel az aktív régió anyagának és az adalék ionoknak megfelelően, és nagyobb veszteséget mutat, ugyanakkor erősebb optikai behatárolást és nagyobb módú elnyomási képességet kínál.
A DBR szálas lézerekhez hasonlóan a DFB szálas lézerek is a szálas hullámvezető feldolgozás és a nagy koncentrációjú adalékolt szálas technológiák fejlődésére támaszkodnak. A DBR szálas lézerekkel összehasonlítva a DFB szálas lézerek nagyobb kihívást jelentenek a rácsgyártás során a ritkaföldfém-ionok hullámhossz-abszorpciós jellemzői miatt.
A rövid üregű főüreges lézerek, mint például a DFB és a DBR korlátozott, az üregen belüli fotonok interakciós idejével rendelkeznek, ami megnehezíti a mély vonalszélesség tömörítését. A vonalszélesség további tömörítése és a zaj elnyomása érdekében az ilyen rövid üregű főüreg-konfigurációkat gyakran kombinálják külső üreges struktúrákkal a teljesítmény optimalizálása érdekében. A gyakori külső üreges struktúrák közé tartoznak a térbeli külső üregek, a rostos külső üregek és a hullámvezető külső üregek. A száloptikai eszközök és hullámvezető szerkezetek kifejlesztése előtt a külső üregek túlnyomórészt téroptikából és különálló optikai komponensekből álltak. Ezek közül a rács alapú térbeli külső üreges visszacsatoló struktúrák főként a Littrow és Littman mintákat alkalmazzák, amelyek jellemzően lézererősítő üregből, csatolólencsékből és diffrakciós rácsból állnak. A rács, mint visszacsatoló elem, lehetővé teszi a hullámhossz hangolását, az üzemmód kiválasztását és a vonalszélesség tömörítését.
Ezenkívül a térbeli külső üreges visszacsatoló szerkezetek számos optikai szűrőeszközt tartalmazhatnak, például F-P etalonokat, akusztikus-optikai/elektro-optikai hangolható szűrőket és interferométereket. Ezek a szűrőeszközök természetüknél fogva rendelkeznek üzemmódválasztó képességekkel, és helyettesíthetik a rácsokat; bizonyos nagy Q F-P etalonok még a fényvisszaverő rácsokat is felülmúlják a spektrális szűkítésben és a vonalszélesség tömörítésben.
A száloptikai eszközök technológiájának fejlődésével a térbeli optikai struktúrák nagymértékben integrált, robusztus szálas hullámvezetőkkel vagy szálas eszközökkel való helyettesítése hatékony stratégiát jelent a lézerrendszer stabilitásának javítására. A rost külső üregeit általában szálas eszközök összeillesztésével alakítják ki, hogy teljes szálból álló szerkezetet alkossanak, amely magas integrációt, könnyű karbantartást és erős zavarvédelmet kínál. A szálas külső üreges visszacsatoló szerkezetek lehetnek egyszerű szálhurok visszacsatoló struktúrák, vagy teljes szálas rezonátorok, FBG-k, szálas F-P üregek és WGM rezonátorok.
Az integrált hullámvezető külső üreges visszacsatoló struktúrákkal rendelkező keskeny vonalszélességű lézerek kisebb csomagolási méretük és stabilabb teljesítményük miatt széles körben felkeltették a figyelmet. A hullámvezető külső üreges visszacsatolás lényegében ugyanazokat a műszaki elveket követi, mint a szál külső üreges visszacsatolása, de a félvezető anyagok és a mikro-nano feldolgozási technológiák sokfélesége kompaktabb és stabilabb lézerrendszereket tesz lehetővé, fokozva a hullámvezető külső üreges visszacsatolású keskeny vonalszélességű lézerek praktikusságát. Az általánosan használt félvezető lézeranyagok közé tartoznak a Si, Si3N4 és a III-V vegyületek.
Az optoelektronikus oszcillációs lézer konfiguráció egy speciális visszacsatoló lézer architektúra, ahol a visszacsatoló jel jellemzően elektromos jel vagy egyidejű optoelektronikus visszacsatolás. A lézereknél alkalmazott legkorábbi optoelektronikai visszacsatolási technológia a PDH frekvenciastabilizáló technika volt, amely elektromos negatív visszacsatolást használ az üreg hosszának beállítására és a lézerfrekvencia referenciaspektrumokhoz, például nagy Q rezonátor módokhoz és hidegatom-abszorpciós vonalakhoz való rögzítéséhez. A negatív visszacsatolású hangolás révén a lézerrezonátor valós időben képes megfelelni a lézer működési állapotának, így a frekvencia instabilitása 10-117 nagyságrendűre csökken. Az elektromos visszacsatolás azonban jelentős korlátoktól szenved, beleértve a lassú reakciósebességet és a túl bonyolult szervorendszereket, amelyek kiterjedt áramköröket foglalnak magukban. Ezek a tényezők nagy műszaki nehézségeket, szigorú szabályozási pontosságot és magas költségeket eredményeznek a lézerrendszerek esetében. Ezenkívül a rendszer erős függése a referenciaforrásoktól szigorúan korlátozza a lézer hullámhosszát meghatározott frekvenciapontokra, tovább korlátozva gyakorlati alkalmazhatóságát.
Copyright @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. – Kína száloptikai modulok, üvegszálas csatolású lézergyártók, lézerkomponensek beszállítói. Minden jog fenntartva.
