تاریخچه توسعه لیزرهای با عرض خط باریک

در توسعه لیزرهای با پهنای خط باریک تا به امروز، تکامل مکانیسم‌های بازخورد لیزری مترادف با تکامل ساختارهای تشدیدگر لیزری بوده است. در زیر، پیکربندی‌های مختلف فناوری‌های لیزر با پهنای خط باریک به ترتیب تکامل تشدیدگرهای لیزری معرفی شده‌اند.

پیکربندی تک حفره اصلی

لیزرهای تک حفره اصلی را می توان از نظر ساختاری به حفره های خطی و حفره های حلقه و بر اساس طول حفره به ساختارهای حفره کوتاه و حفره بلند تقسیم کرد. لیزرهای حفره کوتاه دارای فاصله حالت طولی بزرگی هستند که برای دستیابی به عملیات تک حالت طولی (SLM) سودمندتر است، اما از پهنای خط حفره ذاتی وسیع و مشکل در سرکوب نویز رنج می‌برد. ساختارهای حفره بلند ذاتاً ویژگی‌های عرض خط باریکی را نشان می‌دهند و امکان ادغام دستگاه‌های نوری متنوع با پیکربندی‌های انعطاف‌پذیر را فراهم می‌کنند. با این حال، چالش فنی آنها در دستیابی به عملیات SLM به دلیل فاصله بسیار کم حالت طولی نهفته است.

به عنوان یک پیکربندی کلاسیک از حفره های اصلی لیزر، حفره خطی دارای مزایایی مانند ساختار ساده، راندمان بالا و دستکاری آسان است. از نظر تاریخی، اولین پرتو لیزر واقعی با استفاده از ساختار حفره خطی F-P تولید شد. با پیشرفت های بعدی در علم و فناوری، ساختار F-P به طور گسترده در لیزرهای نیمه هادی، لیزرهای فیبر و لیزرهای حالت جامد مورد استفاده قرار گرفت.

حفره حلقه اصلاحی از حفره خطی کلاسیک است که با جایگزینی میدان‌های موج ایستاده با امواج در حال حرکت، برای دستیابی به تقویت چرخه‌ای سیگنال‌های نوری، بر اشکال حفره‌سوزی فضایی حفره‌های خطی غلبه می‌کند. با توسعه دستگاه های فیبر نوری، لیزرهای فیبر با ساختارهای تمام فیبر انعطاف پذیر توجه زیادی را به خود جلب کرده و در دو دهه گذشته به سریع ترین دسته لیزرها تبدیل شده اند.

لیزرهای نوسانگر حلقه غیرمسطح (NPRO) یک پیکربندی لیزر موج سفر ویژه را نشان می دهد. به طور معمول، حفره اصلی چنین لیزرهایی از یک کریستال یکپارچه تشکیل شده است که حالت پلاریزاسیون لیزر را از طریق بازتاب کریستالی انتهای صورت و یک میدان مغناطیسی خارجی برای تحقق عملکرد لیزر یک طرفه تنظیم می کند. این طراحی بار حرارتی تشدید کننده لیزر را تا حد زیادی کاهش می دهد، پایداری استثنایی در طول موج و قدرت ارائه می دهد و ویژگی های عرض خط باریکی دارد.

پیکربندی بازخورد یک حفره خارجی

محدود به عواملی مانند طول حفره بسیار کوتاه و تلفات ذاتی بالا، پیکربندی‌های لیزر تک حفره‌ای حفره خطی F-P بر اساس بازخورد درون حفره‌ای از زمان برهمکنش فوتون محدود و مشکل در حذف گسیل خود به خود از محیط بهره رنج می‌برند. برای پرداختن به این موضوع، محققان پیکربندی بازخورد حفره خارجی منفرد را پیشنهاد کردند. عملکرد حفره خارجی برای طولانی‌کردن زمان برهم‌کنش فوتون و بازگشت فوتون‌های فیلتر شده به حفره اصلی، در نتیجه بهینه‌سازی عملکرد لیزر و فشرده‌سازی پهنای خط است. ساختارهای اولیه حفره بیرونی ساده مبتنی بر اپتیک فضایی، مانند پیکربندی‌های Littrow و Littman، از قابلیت پراکندگی طیفی گریتینگ‌ها برای تزریق مجدد سیگنال‌های لیزر خالص به حفره اصلی لیزر، اعمال فشار فرکانس بر روی حفره اصلی برای رسیدن به فشرده‌سازی پهنای خط استفاده می‌کنند. این ساختار تک حفره خارجی بعداً به لیزرهای فیبر و لیزرهای نیمه هادی گسترش یافت.

چالش فنی پیکربندی‌های لیزر فیدبک تک حفره خارجی در تطبیق فاز بین حفره خارجی و حفره اصلی نهفته است. مطالعات نشان داده اند که فاز فضایی سیگنال فیدبک حفره خارجی برای تعیین آستانه لیزر، فرکانس و توان خروجی نسبی حیاتی است و حالت های طولی لیزر به شدت و فاز سیگنال فیدبک بسیار حساس هستند.

پیکربندی لیزر DBR

برای افزایش پایداری سیستم‌های لیزری و ادغام دستگاه‌های انتخابی طول موج در ساختار حفره اصلی، پیکربندی DBR توسعه داده شد. تشدید کننده DBR که بر اساس تشدید کننده F-P طراحی شده است، آینه های ساختار F-P را با ساختارهای براگ غیر فعال دوره ای جایگزین می کند تا بازخورد نوری ارائه دهد. با توجه به اثر فیلترینگ شانه دوره ای ساختار براگ در حالت های تداخل لیزری، حفره اصلی DBR ذاتا دارای ویژگی های فیلتر است. همراه با فاصله حالت طولی بزرگ که توسط ساختار حفره کوتاه ایجاد می شود، عملیات SLM به آسانی به دست می آید. اگرچه ساختار دوره ای براگ در اصل فقط برای انتخاب طول موج طراحی شده بود، اما از دیدگاه ساختار حفره ای، همچنین نشان دهنده تکامل ساختار تک حفره ای با افزایش تعداد سطوح بازخورد است.

لیزرهای DBR که بر اساس متوسط ​​بهره طبقه بندی می شوند شامل لیزرهای نیمه هادی و لیزرهای فیبر می باشند. لیزرهای نیمه هادی مزیت طبیعی در سازگاری ساخت با مواد نیمه هادی و فناوری های پردازش میکرو نانو دارند. بسیاری از فرآیندهای تولید نیمه هادی مانند اپیتاکسی ثانویه، رسوب بخار شیمیایی، فتولیتوگرافی پله ای، نانوامپرینتینگ، حکاکی با پرتو الکترونی و حکاکی یونی را می توان مستقیماً در تحقیق و ساخت لیزرهای نیمه هادی به کار برد.

لیزرهای فیبر DBR دیرتر از لیزرهای نیمه هادی DBR ظاهر شدند که عمدتاً به دلیل توسعه پردازش موجبر فیبر و فناوری های چند دوپینگ با غلظت بالا محدود شده است. در حال حاضر، تکنیک‌های متداول ساخت موجبر فیبر شامل پوشش فاز نقص اکسیژن و پردازش لیزر فمتوثانیه است، در حالی که فن‌آوری‌های دوپینگ فیبر با غلظت بالا، رسوب‌دهی بخار شیمیایی اصلاح‌شده (MCVD) و رسوب‌دهی بخار شیمیایی پلاسمایی سطحی (SCVD) را در بر می‌گیرد.

پیکربندی لیزر DFB

یکی دیگر از ساختارهای تشدید کننده بر اساس گریتینگ های براگ، پیکربندی DFB است. حفره اصلی لیزر DFB ساختار براگ را با ناحیه فعال ادغام می کند و یک ناحیه تغییر فاز را در مرکز ساختار برای انتخاب طول موج معرفی می کند. همانطور که در شکل 3(b) نشان داده شده است، این پیکربندی دارای درجه بالاتری از یکپارچگی و یکپارچگی ساختاری است و مسائلی مانند رانش شدید طول موج و پرش حالت در ساختارهای DBR را کاهش می دهد و آن را به پایدارترین و کاربردی ترین پیکربندی لیزر در مرحله کنونی تبدیل می کند.

چالش فنی لیزرهای DFB در ساخت سازه های توری نهفته است. دو روش اصلی برای ساخت گریتینگ در لیزرهای نیمه هادی DBR وجود دارد: اپیتاکسی ثانویه و اچ سطح. لیزرهای نیمه هادی بازخورد گریتینگ مجدد (RGF)-DFB از اپیتاکسی ثانویه و فوتولیتوگرافی برای رشد مجموعه ای از گریتینگ های با ضریب شکست پایین در ناحیه فعال استفاده می کنند. این روش ساختار لایه فعال را با تلفات کم حفظ می‌کند و ساخت تشدیدگرهای Q بالا را تسهیل می‌کند. لیزرهای نیمه هادی سطحی (SG)-DFB شامل حکاکی مستقیم یک لایه گریتینگ روی سطح ناحیه فعال است. این رویکرد پیچیده‌تر است و نیاز به تنظیم دقیق با توجه به مواد منطقه فعال و یون‌های دوپینگ دارد و تلفات بیشتری را نشان می‌دهد، در عین حال محصور کردن نوری قوی‌تر و قابلیت سرکوب حالت بالاتری را ارائه می‌دهد.

مشابه لیزرهای فیبر DBR، لیزرهای فیبر DFB بر پیشرفت در پردازش موجبر فیبر و فناوری‌های فیبر دوپینگ با غلظت بالا متکی هستند. در مقایسه با لیزرهای فیبر DBR، لیزرهای فیبر DFB به دلیل ویژگی‌های جذب طول موج یون‌های کمیاب، چالش‌های بیشتری در ساخت گریتینگ ایجاد می‌کنند.

حفره خارجی بازخورد مرکب

لیزرهای حفره اصلی حفره کوتاه مانند DFB و DBR زمان برهمکنش فوتون درون حفره محدودی دارند و فشرده‌سازی پهنای خط عمیق را دشوار می‌کنند. برای فشرده‌سازی بیشتر پهنای خط و کاهش نویز، چنین پیکربندی‌های حفره اصلی با حفره کوتاه اغلب با ساختارهای حفره خارجی برای بهینه‌سازی عملکرد ترکیب می‌شوند. ساختارهای معمولی حفره خارجی شامل حفره های خارجی فضایی، حفره های خارجی فیبر و حفره های خارجی موجبر هستند. قبل از توسعه دستگاه‌های فیبر نوری و ساختارهای موجبر، حفره‌های خارجی عمدتاً از اپتیک فضایی همراه با اجزای نوری گسسته تشکیل شده بودند. در این میان، ساختارهای بازخورد فضایی حفره خارجی مبتنی بر گریت، عمدتاً طرح‌های Littrow و Littman را اتخاذ می‌کنند، که معمولاً از یک حفره لیزر، لنزهای جفت‌کننده و یک توری پراش تشکیل شده‌اند. گریتینگ به عنوان عنصر بازخورد، تنظیم طول موج، انتخاب حالت و فشرده سازی پهنای خط را امکان پذیر می کند.

علاوه بر این، ساختارهای بازخورد حفره خارجی فضایی می‌توانند طیف وسیعی از دستگاه‌های فیلتر نوری، مانند اتالون‌های F-P، فیلترهای قابل تنظیم آکوستو-اپتیک/الکترواپتیک و تداخل‌سنج‌ها را در خود جای دهند. این دستگاه های فیلتر ذاتا دارای قابلیت انتخاب حالت هستند و می توانند جایگزین گریتینگ شوند. برخی از اتالون های F-P با Q بالا حتی در باریک شدن طیفی و فشرده سازی پهنای خط از توری های بازتابنده بهتر عمل می کنند.

با پیشرفت فناوری دستگاه های فیبر نوری، جایگزینی ساختارهای نوری فضایی با موجبرهای فیبر بسیار یکپارچه و قوی یا دستگاه های فیبر نشان دهنده یک استراتژی موثر برای بهبود پایداری سیستم لیزر است. حفره های خارجی فیبر معمولاً با اتصال دستگاه های فیبر برای تشکیل یک ساختار تمام الیافی ساخته می شوند که یکپارچگی بالا، سهولت تعمیر و نگهداری و ایمنی قوی در برابر تداخل را ارائه می دهند. ساختارهای بازخورد حفره خارجی فیبر می توانند بازخورد حلقه فیبر ساده، یا تشدیدگرهای تمام فیبر، FBG، حفره های فیبر F-P و تشدیدگرهای WGM باشند.

لیزرهای پهن خط باریک با ساختارهای بازخورد حفره خارجی موجبر یکپارچه به دلیل اندازه بسته کوچکتر و عملکرد پایدارتر توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده‌اند. اساسا، بازخورد حفره خارجی موجبر از همان اصول فنی مانند بازخورد حفره خارجی فیبر پیروی می‌کند، اما تنوع مواد نیمه‌رسانا و فناوری‌های پردازش میکرو نانو، سیستم‌های لیزری فشرده‌تر و پایدارتر را امکان‌پذیر می‌سازد و عملی بودن لیزرهای با پهنای خط باریک بازخورد حفره خارجی موجبر را افزایش می‌دهد. مواد لیزر نیمه هادی که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند شامل ترکیبات Si، Si3N4 و III-V هستند.

پیکربندی لیزر نوسانی نوری

پیکربندی لیزر نوسان الکترونیکی یک معماری لیزری فیدبک ویژه است که در آن سیگنال بازخورد معمولاً یک سیگنال الکتریکی یا بازخورد نوری همزمان است. اولین فناوری بازخورد اپتوالکترونیکی که برای لیزرها استفاده شد، تکنیک تثبیت فرکانس PDH بود که از بازخورد منفی الکتریکی برای تنظیم طول حفره و قفل کردن فرکانس لیزر به طیف های مرجع، مانند حالت های تشدید کننده Q بالا و خطوط جذب اتم سرد استفاده می کند. از طریق تنظیم بازخورد منفی، تشدید کننده لیزر می‌تواند با وضعیت عملکرد لیزر در زمان واقعی مطابقت داشته باشد و ناپایداری فرکانس را تا حدود 10-17 کاهش دهد. با این حال، بازخورد الکتریکی از محدودیت‌های قابل توجهی رنج می‌برد، از جمله سرعت پاسخ آهسته و سیستم‌های سروو بیش از حد پیچیده که شامل مدارهای گسترده است. این عوامل منجر به دشواری فنی بالا، دقت کنترل دقیق و هزینه های بالا برای سیستم های لیزری می شود. علاوه بر این، وابستگی شدید سیستم به منابع مرجع، طول موج لیزر را به نقاط فرکانس خاصی محدود می‌کند و کاربرد عملی آن را بیشتر محدود می‌کند.