Kuriant siauros linijos pločio lazerius iki šių dienų, lazerio grįžtamojo ryšio mechanizmų raida buvo lazerinių rezonatorių struktūrų evoliucijos sinonimas. Žemiau pateikiamos įvairios siauros linijos pločio lazerinių technologijų konfigūracijos lazerinių rezonatorių raidos tvarka.
Vienos pagrindinės ertmės lazeriai gali būti struktūriškai suskirstyti į linijines ertmes ir žiedines ertmes, o pagal ertmės ilgį - į trumpųjų ertmių ir ilgų ertmių struktūras. Trumpos ertmės lazeriai pasižymi dideliu išilginiu režimu, kuris yra naudingesnis norint pasiekti vieno išilginio režimo (SLM) veikimą, tačiau kenčia nuo plataus vidinio ertmės linijos pločio ir sunkumų slopinant triukšmą. Ilgos ertmės struktūros iš prigimties pasižymi siauromis linijos pločio charakteristikomis ir leidžia integruoti įvairius lanksčios konfigūracijos optinius įrenginius; Tačiau jų techninis iššūkis yra pasiekti SLM veikimą dėl pernelyg mažo išilginio režimo atstumo.
Kaip klasikinė lazerio pagrindinių ertmių konfigūracija, linijinė ertmė pasižymi tokiais pranašumais kaip paprasta struktūra, didelis efektyvumas ir lengvas manipuliavimas. Istoriškai pirmasis tikras lazerio spindulys buvo sukurtas naudojant FP linijinės ertmės struktūrą. Dėl vėlesnės mokslo ir technologijų pažangos F-P struktūra buvo plačiai pritaikyta puslaidininkiniuose lazeriuose, skaiduliniuose lazeriuose ir kietojo kūno lazeriuose.
Žiedo ertmė yra klasikinės linijinės ertmės modifikacija, įveikianti linijinių ertmių erdvinių skylių trūkumą, pakeičiant stovinčių bangų laukus keliaujančiomis bangomis, kad būtų pasiektas ciklinis optinių signalų stiprinimas. Šviesolaidinių įrenginių kūrimo paskatinti šviesolaidiniai lazeriai su lanksčiomis viso pluošto struktūromis sulaukė didelio dėmesio ir per pastaruosius du dešimtmečius tapo sparčiausiai augančia lazerių kategorija.
Neplanariniai žiediniai osciliatoriai (NPRO) yra speciali slenkančios bangos lazerio konfigūracija. Paprastai pagrindinė tokių lazerių ertmė susideda iš monolitinio kristalo, kuris reguliuoja lazerio poliarizacijos būseną per kristalo galo atspindį ir išorinį magnetinį lauką, kad būtų galima atlikti vienkryptį lazerio veikimą. Ši konstrukcija labai sumažina lazerio rezonatoriaus šiluminę apkrovą, užtikrina išskirtinį bangos ilgio ir galios stabilumą bei pasižymi siauromis linijos pločio charakteristikomis.
Apribotos tokių veiksnių kaip per trumpas ertmės ilgis ir dideli vidiniai nuostoliai, FP linijinės ertmės vienos ertmės lazerio konfigūracijos, pagrįstos grįžtamuoju ryšiu ertmėje, kenčia nuo riboto fotonų sąveikos laiko ir sunkumų pašalinant spontanišką spinduliavimą iš stiprinimo terpės. Norėdami išspręsti šią problemą, mokslininkai pasiūlė vieną išorinės ertmės grįžtamojo ryšio konfigūraciją. Išorinė ertmė prailgina fotonų sąveikos laiką ir grąžina filtruotus fotonus atgal į pagrindinę ertmę, taip optimizuodama lazerio veikimą ir sumažindama linijos plotį. Ankstyvosiose paprastos išorinės ertmės struktūros, pagrįstos erdvine optika, pvz., Littrow ir Littman konfigūracijos, naudoja grotelių spektrinę sklaidą, kad išgrynintus lazerio signalus vėl įpuršktų į pagrindinę lazerio ertmę, o pagrindinės ertmės dažnis traukiamas, kad būtų suspaustas linijos plotis. Ši vienintelė išorinės ertmės struktūra vėliau buvo išplėsta į pluoštinius lazerius ir puslaidininkinius lazerius.
Vienos išorinės ertmės grįžtamojo ryšio lazerio konfigūracijų techninis iššūkis yra fazių suderinimas tarp išorinės ertmės ir pagrindinės ertmės. Tyrimai parodė, kad išorinės ertmės grįžtamojo ryšio signalo erdvinė fazė yra labai svarbi nustatant lazerio slenkstį, dažnį ir santykinę išėjimo galią, o lazerio išilginiai režimai yra labai jautrūs grįžtamojo ryšio signalo intensyvumui ir fazei.
DBR lazerio konfigūracija
Siekiant padidinti lazerinių sistemų stabilumą ir integruoti bangos ilgio selektyvius įrenginius į pagrindinę ertmės struktūrą, buvo sukurta DBR konfigūracija. Sukurtas remiantis F-P rezonatoriumi, DBR rezonatorius pakeičia F-P struktūros veidrodžius periodinėmis pasyviomis Bragg struktūromis, kad būtų užtikrintas optinis grįžtamasis ryšys. Dėl periodinio Bragg struktūros šukos filtravimo poveikio lazerio trukdžių režimams pagrindinė DBR ertmė turi filtravimo savybes. Kartu su dideliu išilginiu režimu, kurį suteikia trumpos ertmės struktūra, SLM veikimas yra lengvai pasiekiamas. Nors periodinė Bragg struktūra iš pradžių buvo sukurta tik bangos ilgio pasirinkimui, ertmės struktūros požiūriu ji taip pat atspindi vienos ertmės struktūros raidą su padidėjusiu grįžtamojo ryšio paviršių skaičiumi.
Klasifikuojami pagal stiprinimo terpę, DBR lazeriai apima puslaidininkinius lazerius ir skaidulinius lazerius. Puslaidininkiniai lazeriai turi natūralų pranašumą gaminant suderinamumą su puslaidininkinėmis medžiagomis ir mikronano apdorojimo technologijomis. Daugelis puslaidininkių gamybos procesų, tokių kaip antrinė epitaksija, cheminis nusodinimas garais, žingsninė fotolitografija, nanoimprintas, elektronų pluošto ėsdinimas ir jonų ėsdinimas, gali būti tiesiogiai taikomi tiriant ir gaminant puslaidininkinius lazerius.
DBR skaiduliniai lazeriai atsirado vėliau nei DBR puslaidininkiniai lazeriai, daugiausia ribojami pluošto bangolaidžio apdorojimo ir didelės koncentracijos kelių dopingo technologijų. Šiuo metu įprastos pluošto bangolaidžio gamybos technologijos apima deguonies defektų fazės maskavimą ir femtosekundinį lazerinį apdorojimą, o didelės koncentracijos pluošto dopingo technologijos apima modifikuotą cheminį nusodinimą iš garų (MCVD) ir paviršiaus plazmos cheminį nusodinimą garais (SCVD).
Kita rezonatoriaus struktūra, pagrįsta Bragg grotelėmis, yra DFB konfigūracija. DFB lazerio pagrindinė ertmė sujungia Bragg struktūrą su aktyvia sritimi ir įveda fazės poslinkio sritį struktūros centre, kad būtų galima pasirinkti bangos ilgį. Kaip parodyta 3 pav. (b), ši konfigūracija pasižymi didesniu integracijos ir struktūrinio vieningumo laipsniu ir sumažina tokias problemas kaip didelis bangos ilgio poslinkis ir režimo šuolis DBR struktūrose, todėl tai yra stabiliausia ir praktiškiausia lazerio konfigūracija dabartiniame etape.
Techninis DFB lazerių iššūkis yra grotelių konstrukcijų gamyba. Yra du pagrindiniai gardelių gamybos DBR puslaidininkiniuose lazeriuose metodai: antrinė epitaksija ir paviršiaus ėsdinimas. Atnaujintos grotelės grįžtamojo ryšio (RGF)-DFB puslaidininkiniai lazeriai naudoja antrinę epitaksiją ir fotolitografiją, kad aktyvioje srityje išaugintų mažo lūžio rodiklio groteles. Šis metodas išsaugo aktyviojo sluoksnio struktūrą su mažais nuostoliais, palengvindamas didelio Q rezonatorių gamybą. Paviršiaus grotelių (SG)-DFB puslaidininkiniai lazeriai apima tiesioginį grotelių sluoksnio ėsdinimą ant aktyviosios srities paviršiaus. Šis metodas yra sudėtingesnis, jį reikia tiksliai reguliuoti pagal aktyviosios srities medžiagą ir dopingo jonus, ir pasižymi didesniais nuostoliais, tačiau siūlo stipresnį optinį uždarymą ir didesnę režimo slopinimo galimybę.
Panašiai kaip DBR skaiduliniai lazeriai, DFB skaiduliniai lazeriai priklauso nuo pluošto bangolaidžio apdorojimo ir didelės koncentracijos legiruoto pluošto technologijų. Palyginti su DBR skaiduliniais lazeriais, DFB skaiduliniai lazeriai kelia didesnių iššūkių gaminant groteles dėl retųjų žemių jonų bangos ilgio sugerties charakteristikų.
Trumpos ertmės pagrindinės ertmės lazeriai, tokie kaip DFB ir DBR, turi ribotą ertmės fotonų sąveikos laiką, todėl sunku suspausti gilų linijos plotį. Siekiant dar labiau suspausti linijos plotį ir slopinti triukšmą, tokios trumpos ertmės pagrindinės ertmės konfigūracijos dažnai derinamos su išorinių ertmių struktūromis, siekiant optimizuoti veikimą. Įprastos išorinių ertmių struktūros apima erdvines išorines ertmes, pluošto išorines ertmes ir bangolaidžio išorines ertmes. Prieš kuriant šviesolaidinius įrenginius ir bangolaidžių struktūras, išorines ertmes daugiausia sudarė erdvinė optika, sujungta su atskirais optiniais komponentais. Tarp jų grotelėmis pagrįstos erdvinės išorinės ertmės grįžtamojo ryšio struktūros daugiausia naudoja Littrow ir Littman dizainus, paprastai susidedančius iš lazerio stiprinimo ertmės, jungiamųjų lęšių ir difrakcijos gardelės. Grotelės, kaip grįžtamojo ryšio elementas, leidžia nustatyti bangos ilgį, pasirinkti režimą ir suspausti linijos plotį.
Be to, erdvinės išorinės ertmės grįžtamojo ryšio struktūros gali apimti įvairius optinius filtravimo įrenginius, tokius kaip F-P etalonai, akusto-optiniai / elektrooptiniai derinami filtrai ir interferometrai. Šie filtravimo įrenginiai iš prigimties turi režimo pasirinkimo galimybes ir gali pakeisti groteles; kai kurie aukšto Q F-P etalonai netgi pranoksta atspindinčias groteles spektrinio susiaurėjimo ir linijos pločio suspaudimo atžvilgiu.
Tobulėjant šviesolaidinių įrenginių technologijai, erdvinių optinių struktūrų pakeitimas labai integruotais, tvirtais pluošto bangolaidžiais arba skaiduliniais įrenginiais yra veiksminga strategija gerinant lazerinės sistemos stabilumą. Skaidulinės išorinės ertmės paprastai yra sujungiamos sujungus pluošto įtaisus, kad būtų sudaryta viso pluošto struktūra, užtikrinanti aukštą integraciją, lengvą priežiūrą ir stiprų atsparumą trukdžiams. Skaidulinės išorinės ertmės grįžtamojo ryšio struktūros gali būti paprastos skaidulinės kilpos grįžtamasis ryšys arba viso pluošto rezonatoriai, FBG, pluošto F-P ertmės ir WGM rezonatoriai.
Siauros linijos pločio lazeriai su integruotomis bangolaidžio išorinės ertmės grįžtamojo ryšio struktūromis sulaukė didelio dėmesio dėl mažesnio pakuotės dydžio ir stabilesnio veikimo. Iš esmės bangolaidžio išorinės ertmės grįžtamasis ryšys atitinka tuos pačius techninius principus kaip ir pluošto išorinės ertmės grįžtamasis ryšys, tačiau puslaidininkių medžiagų įvairovė ir mikronano apdorojimo technologijos leidžia sukurti kompaktiškesnes ir stabilesnes lazerines sistemas, o tai padidina bangolaidžio išorinės ertmės grįžtamojo ryšio siauros linijos pločio lazerių praktiškumą. Dažniausiai naudojamos puslaidininkinės lazerinės medžiagos yra Si, Si₃N4 ir III-V junginiai.
Optoelektroninio virpesio lazerio konfigūracija yra speciali grįžtamojo ryšio lazerio architektūra, kai grįžtamojo ryšio signalas paprastai yra elektrinis signalas arba tuo pačiu metu vykstantis optoelektroninis grįžtamasis ryšys. Ankstyviausia lazeriams pritaikyta optoelektroninio grįžtamojo ryšio technologija buvo PDH dažnio stabilizavimo technika, kuri naudoja elektrinį neigiamą grįžtamąjį ryšį, kad sureguliuotų ertmės ilgį ir užfiksuotų lazerio dažnį prie atskaitos spektrų, tokių kaip didelio Q rezonatoriaus režimai ir šalto atomo sugerties linijos. Dėl neigiamo grįžtamojo ryšio derinimo lazerio rezonatorius gali suderinti lazerio veikimo būseną realiu laiku, sumažindamas dažnio nestabilumą iki 10⁻¹⁷. Tačiau elektrinis grįžtamasis ryšys kenčia nuo didelių apribojimų, įskaitant lėtą atsako greitį ir pernelyg sudėtingas servo sistemas, apimančias daug grandinių. Šie veiksniai lemia didelius techninius sunkumus, griežtą valdymo tikslumą ir dideles lazerinių sistemų išlaidas. Be to, stipri sistemos priklausomybė nuo atskaitos šaltinių griežtai apriboja lazerio bangos ilgį iki tam tikrų dažnio taškų, dar labiau ribodama jos praktinį pritaikymą.
Autoriaus teisės @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. – Kinijos šviesolaidiniai moduliai, šviesolaidinių lazerių gamintojai, lazerių komponentų tiekėjai. Visos teisės saugomos.
