Bij de ontwikkeling van lasers met smalle lijnbreedte tot op de dag van vandaag is de evolutie van laserfeedbackmechanismen synoniem geweest met de evolutie van laserresonatorstructuren. Hieronder worden verschillende configuraties van lasertechnologieën met smalle lijnbreedte geïntroduceerd in de volgorde van de evolutie van laserresonatoren.
Lasers met enkele hoofdholte kunnen structureel worden onderverdeeld in lineaire holtes en ringholtes, en op holtelengte in structuren met korte en lange holtes. Lasers met korte caviteit hebben een grote longitudinale modusafstand, wat voordeliger is voor het bereiken van een enkele longitudinale modus (SLM), maar lijden onder een brede intrinsieke holtelijnbreedte en moeilijkheden bij het onderdrukken van ruis. Structuren met lange holtes vertonen inherent smalle lijnbreedte-eigenschappen en maken de integratie mogelijk van diverse optische apparaten met flexibele configuraties; hun technische uitdaging ligt echter in het bereiken van SLM-werking vanwege de buitensporig kleine longitudinale modusafstand.
Als klassieke configuratie van laserhoofdholtes biedt de lineaire holte voordelen zoals een eenvoudige structuur, hoge efficiëntie en gemakkelijke manipulatie. Historisch gezien werd de eerste echte laserstraal gegenereerd met behulp van een F-P lineaire holtestructuur. Met daaropvolgende vorderingen in wetenschap en technologie is de FP-structuur op grote schaal toegepast in halfgeleiderlasers, fiberlasers en vastestoflasers.
De ringholte is een aanpassing van de klassieke lineaire holte, waarbij het ruimtelijke gatbrandende nadeel van lineaire holtes wordt overwonnen door staande golfvelden te vervangen door lopende golven om cyclische versterking van optische signalen te bereiken. Gedreven door de ontwikkeling van glasvezelapparaten hebben fiberlasers met flexibele, volledig uit vezels bestaande structuren uitgebreide aandacht gekregen en zijn ze de afgelopen twintig jaar de snelst groeiende categorie lasers geworden.
Niet-planaire ringoscillatorlasers (NPRO) vertegenwoordigen een speciale lopende-golflaserconfiguratie. Typisch bestaat de hoofdholte van dergelijke lasers uit een monolithisch kristal, dat de laserpolarisatietoestand regelt via kristaleindvlakreflectie en een extern magnetisch veld om unidirectionele laserwerking te realiseren. Dit ontwerp vermindert de thermische belasting van de laserresonator aanzienlijk, levert uitzonderlijke stabiliteit in golflengte en vermogen, en beschikt over smalle lijnbreedte-eigenschappen.
Beperkt door factoren zoals een te korte holtelengte en een hoog intrinsiek verlies, hebben F-P lineaire holtelaserconfiguraties met enkele holte, gebaseerd op feedback binnen de holte, te lijden onder een beperkte fotoninteractietijd en moeilijkheden bij het elimineren van spontane emissie uit het versterkingsmedium. Om dit probleem aan te pakken, hebben onderzoekers de enkele feedbackconfiguratie met externe holte voorgesteld. De externe holte zorgt ervoor dat de fotoneninteractietijd wordt verlengd en dat gefilterde fotonen terug in de hoofdholte worden gevoerd, waardoor de laserprestaties worden geoptimaliseerd en de lijnbreedte wordt gecomprimeerd. Vroege eenvoudige structuren met externe holtes gebaseerd op ruimtelijke optica, zoals de Littrow- en Littman-configuraties, maken gebruik van het spectrale dispersievermogen van roosters om gezuiverde lasersignalen opnieuw in de hoofdholte van de laser te injecteren, waarbij frequentie wordt uitgeoefend op de hoofdholte om lijnbreedtecompressie te bereiken. Deze enkele externe holtestructuur werd later uitgebreid tot fiberlasers en halfgeleiderlasers.
De technische uitdaging van laserconfiguraties met feedback met enkele externe holte ligt in faseaanpassing tussen de externe holte en de hoofdholte. Studies hebben aangetoond dat de ruimtelijke fase van het feedbacksignaal uit de externe holte van cruciaal belang is voor het bepalen van de laserdrempel, de frequentie en het relatieve uitgangsvermogen, en dat longitudinale lasermodi zeer gevoelig zijn voor de intensiteit en fase van het feedbacksignaal.
DBR-laserconfiguratie
Om de stabiliteit van lasersystemen te verbeteren en golflengteselectieve apparaten in de hoofdholtestructuur te integreren, werd de DBR-configuratie ontwikkeld. Ontworpen op basis van de FP-resonator, vervangt de DBR-resonator de spiegels van de FP-structuur door periodieke passieve Bragg-structuren om optische feedback te geven. Als gevolg van het periodieke kamfiltereffect van de Bragg-structuur op laserinterferentiemodi bezit de DBR-hoofdholte inherent filtereigenschappen. Gecombineerd met de grote afstand in de lengterichting die wordt geboden door de structuur met korte holte, wordt SLM-werking gemakkelijk bereikt. Hoewel de periodieke Bragg-structuur oorspronkelijk uitsluitend was ontworpen voor golflengteselectie, vertegenwoordigt deze vanuit het perspectief van de holtestructuur ook een evolutie van de structuur met één holte met een groter aantal feedbackoppervlakken.
Ingedeeld naar versterkingsmedium omvatten DBR-lasers halfgeleiderlasers en fiberlasers. Halfgeleiderlasers hebben een natuurlijk voordeel wat betreft fabricagecompatibiliteit met halfgeleidermaterialen en micro-nanoverwerkingstechnologieën. Veel halfgeleiderproductieprocessen, zoals secundaire epitaxie, chemische dampafzetting, stapfotolithografie, nano-imprinting, elektronenbundeletsen en ionenetsen, kunnen rechtstreeks worden toegepast op het onderzoek en de fabricage van halfgeleiderlasers.
DBR-vezellasers ontstonden later dan DBR-halfgeleiderlasers, voornamelijk beperkt door de ontwikkeling van vezelgolfgeleiderverwerking en multi-dopingtechnologieën met hoge concentratie. Momenteel omvatten de gebruikelijke fabricagetechnieken voor vezelgolfgeleiders fasemaskering van zuurstofdefecten en femtoseconde-laserverwerking, terwijl vezeldopingtechnologieën met hoge concentratie gemodificeerde chemische dampdepositie (MCVD) en chemische dampdepositie van oppervlakteplasma (SCVD) omvatten.
Een andere resonatorstructuur gebaseerd op Bragg-roosters is de DFB-configuratie. De hoofdholte van de DFB-laser integreert de Bragg-structuur met het actieve gebied en introduceert een faseverschuivingsgebied in het midden van de structuur voor golflengteselectie. Zoals weergegeven in figuur 3(b) beschikt deze configuratie over een hogere mate van integratie en structurele eenheid, en verzacht problemen zoals ernstige golflengtedrift en mode-hopping in DBR-structuren, waardoor het de meest stabiele en praktische laserconfiguratie in het huidige stadium is.
De technische uitdaging van DFB-lasers ligt in de fabricage van roosterstructuren. Er zijn twee primaire methoden voor de fabricage van roosters in DBR-halfgeleiderlasers: secundaire epitaxie en oppervlakte-etsen. Regrown grating feedback (RGF)-DFB halfgeleiderlasers maken gebruik van secundaire epitaxie en fotolithografie om een reeks roosters met lage brekingsindex in het actieve gebied te laten groeien. Deze methode behoudt de actieve laagstructuur met weinig verlies, waardoor de fabricage van high-Q-resonatoren wordt vergemakkelijkt. Oppervlakterooster (SG)-DFB-halfgeleiderlasers omvatten het direct etsen van een roosterlaag op het oppervlak van het actieve gebied. Deze benadering is complexer en vereist een nauwkeurige aanpassing afhankelijk van het materiaal in het actieve gebied en de doteringionen, en vertoont een hoger verlies, maar biedt toch een sterkere optische opsluiting en een hoger vermogen tot onderdrukking van de modus.
Net als DBR-fiberlasers vertrouwen DFB-fiberlasers op de vooruitgang in de verwerking van vezelgolfgeleiders en gedoteerde vezeltechnologieën met hoge concentratie. Vergeleken met DBR-vezellasers vormen DFB-vezellasers grotere uitdagingen bij de fabricage van roosters vanwege de golflengte-absorptiekarakteristieken van zeldzame aardionen.
Hoofdholtelasers met korte holte, zoals DFB en DBR, hebben een beperkte fotoninteractietijd binnen de holte, waardoor diepe lijnbreedtecompressie moeilijk wordt. Om de lijnbreedte verder te comprimeren en ruis te onderdrukken, worden dergelijke hoofdholteconfiguraties met korte holte vaak gecombineerd met structuren met externe holtes voor prestatie-optimalisatie. Veel voorkomende structuren met externe holtes omvatten ruimtelijke externe holtes, externe holtes van vezels en externe holtes van golfgeleiders. Vóór de ontwikkeling van glasvezelapparaten en golfgeleiderstructuren bestonden externe holtes voornamelijk uit ruimtelijke optica gecombineerd met discrete optische componenten. Hiervan nemen op roosters gebaseerde ruimtelijke feedbackstructuren met externe holte voornamelijk de ontwerpen van Littrow en Littman over, meestal bestaande uit een laserversterkingsholte, koppellenzen en een diffractierooster. Het rooster, als feedbackelement, maakt afstemming van de golflengte, modusselectie en lijnbreedtecompressie mogelijk.
Bovendien kunnen ruimtelijke feedbackstructuren met externe holtes een reeks optische filterapparaten omvatten, zoals F-P-etalons, akoesto-optische/elektro-optische afstembare filters en interferometers. Deze filterapparaten beschikken inherent over modusselectiemogelijkheden en kunnen roosters vervangen; bepaalde F-P-etalonen met hoge Q presteren zelfs beter dan reflecterende roosters bij spectrale vernauwing en lijnbreedtecompressie.
Met de vooruitgang van de technologie van glasvezelapparaten vertegenwoordigt het vervangen van ruimtelijke optische structuren door sterk geïntegreerde, robuuste vezelgolfgeleiders of vezelapparaten een effectieve strategie voor het verbeteren van de stabiliteit van het lasersysteem. Externe vezelholten worden meestal geconstrueerd door vezelapparaten te splitsen om een geheel uit vezels bestaande structuur te vormen, die een hoge integratie, onderhoudsgemak en een sterke immuniteit tegen interferentie biedt. Feedbackstructuren met externe holtes van vezels kunnen eenvoudige vezellusfeedback zijn, of volledig uit vezels bestaande resonatoren, FBG's, FP-holtes in vezels en WGM-resonatoren.
Lasers met smalle lijnbreedte en geïntegreerde feedbackstructuren in de externe holte van de golfgeleider hebben wijdverspreide aandacht getrokken vanwege hun kleinere verpakkingsgrootte en stabielere prestaties. In wezen volgt feedback van de externe holte van de golfgeleider dezelfde technische principes als feedback van de externe holte van vezels, maar de diversiteit van halfgeleidermaterialen en micro-nanoverwerkingstechnologieën maken compactere en stabielere lasersystemen mogelijk, waardoor de bruikbaarheid van lasers met externe holte-feedback met smalle lijnbreedte wordt vergroot. Veelgebruikte halfgeleiderlasermaterialen zijn onder meer Si-, Si3N4- en III-V-verbindingen.
De opto-elektronische oscillatielaserconfiguratie is een speciale feedbacklaserarchitectuur, waarbij het feedbacksignaal doorgaans een elektrisch signaal of gelijktijdige opto-elektronische feedback is. De eerste opto-elektronische feedbacktechnologie die op lasers werd toegepast, was de PDH-frequentiestabilisatietechniek, die elektrische negatieve feedback gebruikt om de lengte van de holte aan te passen en de laserfrequentie te vergrendelen op referentiespectra, zoals high-Q-resonatormodi en absorptielijnen voor koude atomen. Door middel van negatieve feedbackafstemming kan de laserresonator de bedrijfsstatus van de laser in realtime aanpassen, waardoor de frequentie-instabiliteit wordt verminderd tot de orde van 10⁻¹⁷. Elektrische feedback heeft echter te kampen met aanzienlijke beperkingen, waaronder een lage responssnelheid en te complexe servosystemen met uitgebreide schakelingen. Deze factoren resulteren in hoge technische problemen, strenge controleprecisie en hoge kosten voor lasersystemen. Bovendien beperkt de sterke afhankelijkheid van het systeem van referentiebronnen de lasergolflengte strikt tot specifieke frequentiepunten, waardoor de praktische toepasbaarheid ervan verder wordt beperkt.
Copyright @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - China Glasvezelmodules, fabrikanten van glasvezelgekoppelde lasers, leveranciers van lasercomponenten. Alle rechten voorbehouden.
