Dar çizgi genişlikli lazerlerin günümüze kadar geliştirilmesinde, lazer geri besleme mekanizmalarının gelişimi, lazer rezonatör yapılarının gelişimi ile eş anlamlı olmuştur. Aşağıda, lazer rezonatörlerin gelişim sırasına göre dar hat genişlikli lazer teknolojilerinin çeşitli konfigürasyonları tanıtılmaktadır.
Tek ana boşluklu lazerler yapısal olarak doğrusal boşluklara ve halka boşluklarına ve boşluk uzunluğuna göre kısa boşluklu ve uzun boşluklu yapılara bölünebilir. Kısa boşluklu lazerler, tek uzunlamasına mod (SLM) işlemini gerçekleştirmek için daha avantajlı olan, ancak geniş bir içsel boşluk çizgi genişliğinden ve gürültüyü bastırma zorluğundan muzdarip olan geniş bir uzunlamasına mod aralığına sahiptir. Uzun boşluklu yapılar doğası gereği dar hat genişliği özellikleri sergiler ve çeşitli optik cihazların esnek konfigürasyonlarla entegrasyonuna olanak tanır; ancak teknik zorlukları, aşırı derecede küçük boylamsal mod aralığı nedeniyle SLM işleminin gerçekleştirilmesinde yatmaktadır.
Lazer ana boşluklarının klasik bir konfigürasyonu olan doğrusal boşluk, basit bir yapı, yüksek verimlilik ve kolay manipülasyon gibi avantajlara sahiptir. Tarihsel olarak ilk gerçek lazer ışını, F-P doğrusal boşluk yapısı kullanılarak üretildi. Bilim ve teknolojideki müteakip ilerlemelerle birlikte, F-P yapısı yarı iletken lazerlerde, fiber lazerlerde ve katı hal lazerlerinde yaygın olarak benimsenmiştir.
Halka boşluğu, klasik doğrusal boşluğun bir modifikasyonudur; optik sinyallerin döngüsel amplifikasyonunu sağlamak için duran dalga alanlarını hareketli dalgalarla değiştirerek doğrusal boşlukların uzamsal delik yakma dezavantajının üstesinden gelir. Fiber optik cihazların gelişmesiyle desteklenen, tamamen fiberden oluşan esnek yapılara sahip fiber lazerler büyük ilgi gördü ve son yirmi yılda en hızlı büyüyen lazer kategorisi haline geldi.
Düzlemsel olmayan halka osilatör (NPRO) lazerleri, özel bir yürüyen dalga lazer konfigürasyonunu temsil eder. Tipik olarak, bu tür lazerlerin ana boşluğu, tek yönlü lazer işlemini gerçekleştirmek için kristal uç yüz yansıması ve harici bir manyetik alan yoluyla lazer polarizasyon durumunu düzenleyen monolitik bir kristalden oluşur. Bu tasarım, lazer rezonatörünün termal yükünü büyük ölçüde azaltır, dalga boyu ve güç açısından olağanüstü stabilite sağlar ve dar çizgi genişliği özelliklerine sahiptir.
Aşırı kısa boşluk uzunluğu ve yüksek içsel kayıp gibi faktörlerle kısıtlanan, boşluk içi geri bildirime dayalı F-P doğrusal boşluklu tek boşluklu lazer konfigürasyonları, sınırlı foton etkileşim süresinden ve kazanç ortamından kendiliğinden emisyonun ortadan kaldırılmasındaki zorluktan muzdariptir. Bu sorunu çözmek için araştırmacılar tek dış boşluklu geri besleme yapılandırmasını önerdiler. Dış boşluk, foton etkileşim süresini uzatma ve filtrelenen fotonları ana boşluğa geri besleme işlevi görür, böylece lazer performansını optimize eder ve çizgi genişliğini sıkıştırır. Littrow ve Littman konfigürasyonları gibi uzamsal optiğe dayalı ilk basit dış boşluk yapıları, saflaştırılmış lazer sinyallerini lazer ana boşluğuna yeniden enjekte etmek için ızgaraların spektral dağılım kapasitesini kullanır ve çizgi genişliği sıkıştırmasını sağlamak için ana boşluk üzerinde frekans çekişi uygular. Bu tek dış boşluklu yapı daha sonra fiber lazerlere ve yarı iletken lazerlere genişletildi.
Tek dış boşluklu geri beslemeli lazer konfigürasyonlarının teknik zorluğu, dış boşluk ile ana boşluk arasındaki faz eşleşmesinde yatmaktadır. Çalışmalar, harici boşluk geri besleme sinyalinin uzaysal fazının, lazer eşiğini, frekansını ve göreceli çıkış gücünü belirlemek için kritik olduğunu ve lazer uzunlamasına modlarının, geri besleme sinyalinin yoğunluğuna ve fazına oldukça duyarlı olduğunu göstermiştir.
DBR Lazer Yapılandırması
Lazer sistemlerinin stabilitesini arttırmak ve dalga boyu seçici cihazları ana boşluk yapısına entegre etmek için DBR konfigürasyonu geliştirildi. F-P rezonatörü temel alınarak tasarlanan DBR rezonatörü, optik geri bildirim sağlamak için F-P yapısının aynalarını periyodik pasif Bragg yapılarıyla değiştirir. Bragg yapısının lazer girişim modları üzerindeki periyodik tarak filtreleme etkisi nedeniyle, DBR ana boşluğu doğası gereği filtreleme özelliklerine sahiptir. Kısa boşluklu yapının sağladığı geniş uzunlamasına mod aralığıyla birleştiğinde SLM işlemi kolaylıkla gerçekleştirilir. Periyodik Bragg yapısı başlangıçta yalnızca dalga boyu seçimi için tasarlanmış olmasına rağmen, boşluk yapısı perspektifinden bakıldığında, aynı zamanda artan sayıda geri besleme yüzeyi ile tek boşluklu yapının bir evrimini temsil eder.
Kazanç ortamına göre sınıflandırılan DBR lazerleri, yarı iletken lazerleri ve fiber lazerleri içerir. Yarı iletken lazerler, yarı iletken malzemeler ve mikro nano işleme teknolojileriyle üretim uyumluluğu açısından doğal bir avantaja sahiptir. İkincil epitaksi, kimyasal buhar biriktirme, adımlı fotolitografi, nanobaskılama, elektron ışınıyla aşındırma ve iyon aşındırma gibi birçok yarı iletken üretim süreci, yarı iletken lazerlerin araştırılmasına ve imalatına doğrudan uygulanabilir.
DBR fiber lazerler, DBR yarı iletken lazerlerden daha sonra ortaya çıktı ve esas olarak fiber dalga kılavuzu işleme ve yüksek konsantrasyonlu çoklu doping teknolojilerinin geliştirilmesiyle sınırlıydı. Şu anda yaygın fiber dalga kılavuzu üretim teknikleri arasında oksijen kusurlu faz maskeleme ve femtosaniye lazer işleme yer alırken, yüksek konsantrasyonlu fiber katkılama teknolojileri değiştirilmiş kimyasal buhar biriktirmeyi (MCVD) ve yüzey plazma kimyasal buhar biriktirmeyi (SCVD) kapsar.
Bragg ızgaralarına dayanan başka bir rezonatör yapısı DFB konfigürasyonudur. DFB lazer ana boşluğu, Bragg yapısını aktif bölgeyle bütünleştirir ve dalga boyu seçimi için yapının merkezine bir faz kaydırma bölgesi sunar. Şekil 3(b)'de gösterildiği gibi, bu konfigürasyon daha yüksek derecede entegrasyon ve yapısal birliğe sahiptir ve DBR yapılarında ciddi dalga boyu kayması ve mod atlama gibi sorunları azaltır, bu da onu şu andaki en kararlı ve pratik lazer konfigürasyonu haline getirir.
DFB lazerlerinin teknik zorluğu ızgara yapılarının imalatında yatmaktadır. DBR yarı iletken lazerlerde ızgara üretimi için iki temel yöntem vardır: ikincil epitaksi ve yüzey aşındırma. Yeniden büyütülmüş ızgara geri bildirimi (RGF) -DFB yarı iletken lazerler, aktif bölgede bir dizi düşük kırılma indeksli ızgara oluşturmak için ikincil epitaksi ve fotolitografi kullanır. Bu yöntem, aktif katman yapısını düşük kayıpla koruyarak yüksek Q rezonatörlerinin üretimini kolaylaştırır. Yüzey ızgaralama (SG)-DFB yarı iletken lazerler, aktif bölgenin yüzeyine doğrudan bir ızgara katmanının aşındırılmasını içerir. Bu yaklaşım daha karmaşıktır, aktif bölge malzemesine ve katkı iyonlarına göre hassas ayarlama gerektirir ve daha yüksek kayıp sergiler, ancak daha güçlü optik sınırlama ve daha yüksek mod bastırma kapasitesi sunar.
DBR fiber lazerlere benzer şekilde DFB fiber lazerler, fiber dalga kılavuzu işleme ve yüksek konsantrasyonlu katkılı fiber teknolojilerindeki gelişmelere dayanır. DBR fiber lazerlerle karşılaştırıldığında, DFB fiber lazerler, nadir toprak iyonlarının dalga boyu emme özellikleri nedeniyle ızgara üretiminde daha büyük zorluklar yaratır.
DFB ve DBR gibi kısa boşluklu ana boşluk lazerleri, boşluk içi foton etkileşim süresinin sınırlı olması, derin çizgi genişliği sıkıştırmasını zorlaştırır. Hat genişliğini daha da sıkıştırmak ve gürültüyü bastırmak için bu tür kısa boşluklu ana boşluk konfigürasyonları, performans optimizasyonu amacıyla sıklıkla dış boşluklu yapılarla birleştirilir. Yaygın dış boşluk yapıları arasında uzaysal dış boşluklar, fiber dış boşluklar ve dalga kılavuzu dış boşlukları bulunur. Fiber optik cihazların ve dalga kılavuzu yapılarının geliştirilmesinden önce, dış boşluklar ağırlıklı olarak ayrı optik bileşenlerle birleştirilmiş uzaysal optiklerden oluşuyordu. Bunlar arasında, ızgara tabanlı uzaysal dış boşluk geri besleme yapıları esas olarak Littrow ve Littman tasarımlarını benimser ve tipik olarak bir lazer kazanç boşluğu, bağlantı lensleri ve bir kırınım ızgarasından oluşur. Geri bildirim elemanı olarak ızgara, dalga boyu ayarlamayı, mod seçimini ve çizgi genişliği sıkıştırmayı mümkün kılar.
Ek olarak, uzaysal dış boşluklu geri besleme yapıları, F-P etalonları, akustik-optik/elektro-optik ayarlanabilir filtreler ve interferometreler gibi bir dizi optik filtreleme cihazını içerebilir. Bu filtreleme cihazları doğası gereği mod seçme yeteneklerine sahiptir ve ızgaraların yerini alabilir; bazı yüksek Q F-P etalonları, spektral daralma ve çizgi genişliği sıkıştırmasında yansıtıcı ızgaralardan bile daha iyi performans gösterir.
Fiber optik cihaz teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, uzamsal optik yapıların yüksek düzeyde entegre, sağlam fiber dalga kılavuzları veya fiber cihazlarla değiştirilmesi, lazer sistemi kararlılığının iyileştirilmesi için etkili bir stratejiyi temsil eder. Fiber dış boşluklar genellikle fiber cihazlarının bir araya getirilmesiyle tamamen fiberden oluşan bir yapı oluşturularak oluşturulur; bu, yüksek entegrasyon, bakım kolaylığı ve parazite karşı güçlü bir bağışıklık sunar. Fiber dış boşluklu geri besleme yapıları, basit fiber döngü geri beslemesi veya tüm fiber rezonatörleri, FBG'ler, fiber F-P boşlukları ve WGM rezonatörleri olabilir.
Entegre dalga kılavuzu dış boşluklu geri besleme yapılarına sahip dar çizgi genişlikli lazerler, daha küçük paket boyutları ve daha istikrarlı performansları nedeniyle yaygın ilgi görmüştür. Temel olarak, dalga kılavuzu dış boşluklu geri besleme, fiber dış boşluklu geri beslemeyle aynı teknik prensipleri takip eder, ancak yarı iletken malzemelerin çeşitliliği ve mikro nano işleme teknolojileri, daha kompakt ve kararlı lazer sistemlerine olanak tanıyarak, dalga kılavuzu dış boşluklu geri beslemeli dar hat genişlikli lazerlerin pratikliğini artırır. Yaygın olarak kullanılan yarı iletken lazer malzemeleri arasında Si, Si₃N₄ ve III-V bileşikleri bulunur.
Optoelektronik salınım lazer konfigürasyonu, geri besleme sinyalinin tipik olarak bir elektrik sinyali veya eşzamanlı optoelektronik geri besleme olduğu özel bir geri besleme lazer mimarisidir. Lazerlere uygulanan en eski optoelektronik geri besleme teknolojisi, boşluk uzunluğunu ayarlamak ve lazer frekansını yüksek Q rezonatör modları ve soğuk atom soğurma çizgileri gibi referans spektrumlara kilitlemek için elektriksel negatif geri besleme kullanan PDH frekans stabilizasyon tekniğiydi. Negatif geri besleme ayarı sayesinde lazer rezonatör, lazerin çalışma durumunu gerçek zamanlı olarak eşleştirerek frekans istikrarsızlığını 10⁻¹⁷ mertebesine indirebilir. Bununla birlikte, elektriksel geri besleme, yavaş yanıt hızı ve kapsamlı devre içeren aşırı karmaşık servo sistemleri de dahil olmak üzere önemli sınırlamalardan muzdariptir. Bu faktörler, lazer sistemleri için yüksek teknik zorluklara, sıkı kontrol hassasiyetine ve yüksek maliyetlere neden olur. Ayrıca sistemin referans kaynaklara güçlü bağımlılığı, lazer dalga boyunu belirli frekans noktalarıyla sıkı bir şekilde sınırlayarak pratik uygulanabilirliğini daha da kısıtlıyor.
Telif Hakkı @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Çin Fiber Optik Modüller, Fiber Bağlantılı Lazerler Üreticileri, Lazer Bileşenleri Tedarikçileri Tüm Hakları Saklıdır.
