Dalam pembangunan laser lebar garis yang sempit hingga ke hari ini, evolusi mekanisme maklum balas laser telah sinonim dengan evolusi struktur resonator laser. Di bawah, pelbagai konfigurasi teknologi laser lebar talian sempit diperkenalkan mengikut urutan evolusi resonator laser.
Laser rongga utama tunggal boleh dibahagikan secara struktur kepada rongga linear dan rongga cincin, dan mengikut panjang rongga, kepada struktur rongga pendek dan rongga panjang. Laser rongga pendek menampilkan jarak mod longitudinal yang besar, yang lebih berfaedah untuk mencapai operasi mod longitudinal tunggal (SLM), tetapi mengalami lebar talian rongga intrinsik yang luas dan kesukaran untuk menahan hingar. Struktur rongga panjang sememangnya mempamerkan ciri lebar garis yang sempit dan membenarkan penyepaduan pelbagai peranti optik dengan konfigurasi fleksibel; bagaimanapun, cabaran teknikal mereka terletak pada mencapai operasi SLM disebabkan jarak mod membujur yang terlalu kecil.
Sebagai konfigurasi klasik rongga utama laser, rongga linear mempunyai kelebihan seperti struktur ringkas, kecekapan tinggi dan manipulasi yang mudah. Dari segi sejarah, pancaran laser benar pertama dihasilkan menggunakan struktur rongga linear F-P. Dengan kemajuan seterusnya dalam sains dan teknologi, struktur F-P telah diterima pakai secara meluas dalam laser semikonduktor, laser gentian dan laser keadaan pepejal.
Rongga gelang ialah pengubahsuaian rongga linear klasik, mengatasi kelemahan pembakaran lubang spatial rongga linear dengan menggantikan medan gelombang berdiri dengan gelombang mengembara untuk mencapai penguatan kitaran isyarat optik. Didorong oleh pembangunan peranti gentian optik, laser gentian dengan struktur semua gentian yang fleksibel telah mendapat perhatian yang meluas dan telah menjadi kategori laser yang paling pesat berkembang sepanjang dua dekad yang lalu.
Laser pengayun cincin bukan satah (NPRO) mewakili konfigurasi laser gelombang perjalanan khas. Biasanya, rongga utama laser tersebut terdiri daripada kristal monolitik, yang mengawal keadaan polarisasi laser melalui pantulan muka hujung kristal dan medan magnet luaran untuk merealisasikan operasi laser satu arah. Reka bentuk ini sangat mengurangkan beban terma resonator laser, memberikan kestabilan luar biasa dalam panjang gelombang dan kuasa, dan menampilkan ciri lebar garis yang sempit.
Dikekang oleh faktor seperti panjang rongga yang terlalu pendek dan kehilangan intrinsik yang tinggi, konfigurasi laser rongga tunggal rongga linear F-P berdasarkan maklum balas dalam rongga mengalami masa interaksi foton yang terhad dan kesukaran untuk menghapuskan pelepasan spontan daripada medium perolehan. Untuk menangani isu ini, penyelidik mencadangkan konfigurasi maklum balas rongga luaran tunggal. Rongga luaran berfungsi untuk memanjangkan masa interaksi foton dan menyuap foton yang ditapis kembali ke dalam rongga utama, dengan itu mengoptimumkan prestasi laser dan memampatkan lebar talian. Struktur rongga luaran mudah awal berdasarkan optik spatial, seperti konfigurasi Littrow dan Littman, menggunakan keupayaan serakan spektrum jeriji untuk menyuntik semula isyarat laser yang telah dimurnikan ke dalam rongga utama laser, menggunakan frekuensi menarik pada rongga utama untuk mencapai pemampatan lebar garis. Struktur rongga luaran tunggal ini kemudiannya diperluaskan kepada laser gentian dan laser semikonduktor.
Cabaran teknikal konfigurasi laser maklum balas rongga luaran tunggal terletak pada pemadanan fasa antara rongga luar dan rongga utama. Kajian telah menunjukkan bahawa fasa spatial isyarat maklum balas rongga luar adalah penting untuk menentukan ambang laser, kekerapan, dan kuasa keluaran relatif, dan mod membujur laser sangat sensitif terhadap keamatan dan fasa isyarat maklum balas.
Konfigurasi Laser DBR
Untuk meningkatkan kestabilan sistem laser dan menyepadukan peranti selektif panjang gelombang ke dalam struktur rongga utama, konfigurasi DBR telah dibangunkan. Direka berdasarkan resonator F-P, resonator DBR menggantikan cermin struktur F-P dengan struktur Bragg pasif berkala untuk memberikan maklum balas optik. Disebabkan oleh kesan penapisan sikat berkala struktur Bragg pada mod gangguan laser, rongga utama DBR sememangnya mempunyai ciri penapisan. Digabungkan dengan jarak mod longitudinal yang besar yang diberikan oleh struktur rongga pendek, operasi SLM mudah dicapai. Walaupun struktur Bragg berkala pada asalnya direka bentuk semata-mata untuk pemilihan panjang gelombang, dari perspektif struktur rongga, ia juga mewakili evolusi struktur rongga tunggal dengan peningkatan bilangan permukaan maklum balas.
Dikelaskan mengikut medium perolehan, laser DBR termasuk laser semikonduktor dan laser gentian. Laser semikonduktor mempunyai kelebihan semula jadi dalam keserasian fabrikasi dengan bahan semikonduktor dan teknologi pemprosesan mikro-nano. Banyak proses pembuatan semikonduktor, seperti epitaksi sekunder, pemendapan wap kimia, fotolitografi langkah, pencetakan nano, etsa rasuk elektron, dan etsa ion, boleh digunakan secara langsung untuk penyelidikan dan fabrikasi laser semikonduktor.
Laser gentian DBR muncul lebih lewat daripada laser semikonduktor DBR, terutamanya terhad oleh pembangunan pemprosesan pandu gelombang gentian dan teknologi multi-doping kepekatan tinggi. Pada masa ini, teknik fabrikasi pandu gelombang gentian biasa termasuk penutupan fasa kecacatan oksigen dan pemprosesan laser femtosaat, manakala teknologi doping gentian berkepekatan tinggi merangkumi pemendapan wap kimia diubahsuai (MCVD) dan pemendapan wap kimia plasma permukaan (SCVD).
Satu lagi struktur resonator berdasarkan grating Bragg ialah konfigurasi DFB. Rongga utama laser DFB mengintegrasikan struktur Bragg dengan kawasan aktif dan memperkenalkan kawasan anjakan fasa di tengah struktur untuk pemilihan panjang gelombang. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3(b), konfigurasi ini menampilkan tahap integrasi dan perpaduan struktur yang lebih tinggi, dan mengurangkan isu seperti hanyut panjang gelombang yang teruk dan mod lompat dalam struktur DBR, menjadikannya konfigurasi laser yang paling stabil dan praktikal pada peringkat sekarang.
Cabaran teknikal laser DFB terletak pada pembuatan struktur parut. Terdapat dua kaedah utama untuk fabrikasi parut dalam laser semikonduktor DBR: epitaksi sekunder dan etsa permukaan. Laser semikonduktor maklum balas parut tumbuh semula (RGF)-DFB menggunakan epitaksi sekunder dan fotolitografi untuk mengembangkan satu set parut indeks biasan rendah di kawasan aktif. Kaedah ini mengekalkan struktur lapisan aktif dengan kehilangan yang rendah, memudahkan pembuatan resonator Q tinggi. Kisi-kisi permukaan (SG)-Laser semikonduktor DFB melibatkan goresan terus lapisan parut pada permukaan kawasan aktif. Pendekatan ini lebih kompleks, memerlukan pelarasan tepat mengikut bahan rantau aktif dan ion doping, dan mempamerkan kehilangan yang lebih tinggi, namun menawarkan kurungan optik yang lebih kuat dan keupayaan penindasan mod yang lebih tinggi.
Sama seperti laser gentian DBR, laser gentian DFB bergantung pada kemajuan dalam pemprosesan pandu gelombang gentian dan teknologi gentian dop kepekatan tinggi. Berbanding dengan laser gentian DBR, laser gentian DFB menimbulkan cabaran yang lebih besar dalam fabrikasi parut disebabkan oleh ciri-ciri penyerapan panjang gelombang ion nadir bumi.
Laser rongga utama rongga pendek seperti DFB dan DBR mempunyai masa interaksi foton dalam rongga yang terhad, menjadikan pemampatan lebar talian dalam sukar. Untuk memampatkan lagi lebar talian dan menyekat hingar, konfigurasi rongga utama rongga pendek selalunya digabungkan dengan struktur rongga luaran untuk pengoptimuman prestasi. Struktur rongga luar biasa termasuk rongga luar ruang, rongga luar gentian, dan rongga luar pandu gelombang. Sebelum pembangunan peranti gentian optik dan struktur pandu gelombang, rongga luaran kebanyakannya terdiri daripada optik spatial yang digabungkan dengan komponen optik diskret. Antaranya, struktur maklum balas spatial luar rongga berasaskan grating terutamanya mengguna pakai reka bentuk Littrow dan Littman, biasanya terdiri daripada rongga perolehan laser, kanta gandingan dan grating pembelauan. Kisi, sebagai elemen maklum balas, membolehkan penalaan panjang gelombang, pemilihan mod dan pemampatan lebar talian.
Di samping itu, struktur maklum balas rongga luar ruang boleh menggabungkan pelbagai peranti penapisan optik, seperti etalon F-P, penapis boleh tala akusto-optik/elektrooptik dan interferometer. Peranti penapisan ini sememangnya mempunyai keupayaan pemilihan mod dan boleh menggantikan jeriji; etalon F-P Q tinggi tertentu malah mengungguli grating reflektif dalam penyempitan spektrum dan mampatan lebar talian.
Dengan kemajuan teknologi peranti gentian optik, menggantikan struktur optik spatial dengan pandu gelombang gentian atau peranti gentian bersepadu yang sangat bersepadu, teguh mewakili strategi yang berkesan untuk meningkatkan kestabilan sistem laser. Rongga luar gentian biasanya dibina dengan menyambung peranti gentian untuk membentuk struktur semua gentian, menawarkan integrasi tinggi, kemudahan penyelenggaraan dan imuniti yang kuat terhadap gangguan. Struktur maklum balas rongga luar gentian boleh menjadi maklum balas gelung gentian ringkas, atau resonator semua gentian, FBG, rongga F-P gentian dan resonator WGM.
Laser lebar talian sempit dengan struktur maklum balas rongga luar pandu gelombang bersepadu telah menarik perhatian meluas kerana saiz pakejnya yang lebih kecil dan prestasi yang lebih stabil. Pada asasnya, maklum balas rongga luar pandu gelombang mengikut prinsip teknikal yang sama seperti maklum balas rongga luar gentian, tetapi kepelbagaian bahan semikonduktor dan teknologi pemprosesan mikro-nano membolehkan sistem laser yang lebih padat dan stabil, meningkatkan kepraktisan pandu gelombang maklum balas rongga luar pandu gelombang laser lebar garis sempit. Bahan laser semikonduktor yang biasa digunakan termasuk sebatian Si, Si₃N₄, dan III-V.
Konfigurasi laser ayunan optoelektronik ialah seni bina laser maklum balas khas, di mana isyarat maklum balas lazimnya adalah isyarat elektrik atau maklum balas optoelektronik serentak. Teknologi maklum balas optoelektronik terawal yang digunakan pada laser ialah teknik penstabilan frekuensi PDH, yang menggunakan maklum balas negatif elektrik untuk melaraskan panjang rongga dan mengunci frekuensi laser kepada spektrum rujukan, seperti mod resonator Q tinggi dan garisan penyerapan atom sejuk. Melalui penalaan maklum balas negatif, resonator laser boleh memadankan keadaan operasi laser dalam masa nyata, mengurangkan ketidakstabilan frekuensi kepada susunan 10⁻¹⁷. Walau bagaimanapun, maklum balas elektrik mengalami had yang ketara, termasuk kelajuan tindak balas yang perlahan dan sistem servo yang terlalu kompleks yang melibatkan litar yang luas. Faktor ini mengakibatkan kesukaran teknikal yang tinggi, ketepatan kawalan yang ketat, dan kos yang tinggi untuk sistem laser. Tambahan pula, pergantungan kuat sistem pada sumber rujukan dengan ketat mengehadkan panjang gelombang laser kepada titik frekuensi tertentu, seterusnya menyekat kebolehgunaan praktikalnya.
Hak Cipta @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Modul Gentian Optik China, Pengilang Laser Gandingan Gentian, Pembekal Komponen Laser Hak Cipta Terpelihara.
