Trong sự phát triển của laser có băng thông hẹp cho đến ngày nay, sự phát triển của cơ chế phản hồi laser đồng nghĩa với sự phát triển của cấu trúc bộ cộng hưởng laser. Dưới đây, các cấu hình khác nhau của công nghệ laser băng thông hẹp được giới thiệu theo thứ tự phát triển của bộ cộng hưởng laser.
Laser khoang chính đơn có thể được chia về mặt cấu trúc thành các khoang tuyến tính và khoang vòng, và theo chiều dài khoang, thành các cấu trúc khoang ngắn và khoang dài. Laser khoang ngắn có khoảng cách chế độ theo chiều dọc lớn, thuận lợi hơn để đạt được hoạt động ở chế độ dọc (SLM), nhưng phải chịu băng thông khoang nội tại rộng và khó khử nhiễu. Cấu trúc khoang dài vốn thể hiện các đặc điểm băng thông hẹp và cho phép tích hợp các thiết bị quang học đa dạng với cấu hình linh hoạt; tuy nhiên, thách thức kỹ thuật của họ nằm ở việc đạt được hoạt động SLM do khoảng cách chế độ dọc quá nhỏ.
Là một cấu hình cổ điển của khoang chính bằng laser, khoang tuyến tính có những ưu điểm như cấu trúc đơn giản, hiệu suất cao và thao tác dễ dàng. Trong lịch sử, chùm tia laser thực sự đầu tiên được tạo ra bằng cấu trúc khoang tuyến tính F-P. Với những tiến bộ tiếp theo của khoa học và công nghệ, cấu trúc FP đã được áp dụng rộng rãi trong laser bán dẫn, laser sợi quang và laser trạng thái rắn.
Khoang vòng là một sửa đổi của khoang tuyến tính cổ điển, khắc phục nhược điểm đốt lỗ không gian của khoang tuyến tính bằng cách thay thế trường sóng đứng bằng sóng truyền để đạt được sự khuếch đại tuần hoàn của tín hiệu quang. Được thúc đẩy bởi sự phát triển của các thiết bị sợi quang, laser sợi quang với cấu trúc toàn sợi linh hoạt đã thu hút được sự chú ý rộng rãi và trở thành loại laser phát triển nhanh nhất trong hai thập kỷ qua.
Laser dao động vòng không phẳng (NPRO) đại diện cho cấu hình laser sóng di chuyển đặc biệt. Thông thường, khoang chính của các tia laser như vậy bao gồm một tinh thể nguyên khối, tinh thể này điều chỉnh trạng thái phân cực của tia laser thông qua phản xạ mặt cuối tinh thể và từ trường bên ngoài để thực hiện hoạt động của tia laser một chiều. Thiết kế này giúp giảm đáng kể tải nhiệt của bộ cộng hưởng laser, mang lại sự ổn định đặc biệt về bước sóng và công suất, đồng thời có các đặc tính băng thông hẹp.
Bị hạn chế bởi các yếu tố như chiều dài khoang quá ngắn và tổn thất nội tại cao, cấu hình laser khoang đơn khoang tuyến tính FP dựa trên phản hồi trong khoang phải chịu thời gian tương tác photon hạn chế và khó loại bỏ sự phát xạ tự phát từ môi trường khuếch đại. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã đề xuất cấu hình phản hồi khoang bên ngoài duy nhất. Khoang bên ngoài có chức năng kéo dài thời gian tương tác của photon và đưa các photon đã lọc trở lại khoang chính, từ đó tối ưu hóa hiệu suất laser và nén băng thông truyền dẫn. Các cấu trúc khoang bên ngoài đơn giản ban đầu dựa trên quang học không gian, chẳng hạn như cấu hình Littrow và Littman, sử dụng khả năng phân tán quang phổ của các cách tử để đưa tín hiệu laser đã tinh khiết vào khoang chính laser, tạo ra lực kéo tần số lên khoang chính để đạt được khả năng nén băng thông. Cấu trúc khoang bên ngoài duy nhất này sau đó được mở rộng thành laser sợi quang và laser bán dẫn.
Thách thức kỹ thuật của cấu hình laser phản hồi khoang ngoài nằm ở việc khớp pha giữa khoang ngoài và khoang chính. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng pha không gian của tín hiệu phản hồi khoang bên ngoài rất quan trọng để xác định ngưỡng, tần số và công suất đầu ra tương đối của laser, đồng thời các chế độ dọc của laser rất nhạy với cường độ và pha của tín hiệu phản hồi.
Cấu hình Laser DBR
Để tăng cường độ ổn định của hệ thống laser và tích hợp các thiết bị chọn lọc bước sóng vào cấu trúc khoang chính, cấu hình DBR đã được phát triển. Được thiết kế dựa trên bộ cộng hưởng F-P, bộ cộng hưởng DBR thay thế các gương của cấu trúc F-P bằng các cấu trúc Bragg thụ động định kỳ để cung cấp phản hồi quang học. Do hiệu ứng lọc lược định kỳ của cấu trúc Bragg trên các chế độ giao thoa laser, khoang chính DBR vốn có các đặc tính lọc. Kết hợp với khoảng cách chế độ theo chiều dọc lớn được cung cấp bởi cấu trúc khoang ngắn, hoạt động SLM có thể dễ dàng đạt được. Mặc dù cấu trúc Bragg tuần hoàn ban đầu được thiết kế chỉ để chọn bước sóng, nhưng từ góc độ cấu trúc khoang, nó cũng thể hiện sự phát triển của cấu trúc khoang đơn với số lượng bề mặt phản hồi tăng lên.
Được phân loại theo môi trường khuếch đại, laser DBR bao gồm laser bán dẫn và laser sợi quang. Laser bán dẫn có lợi thế tự nhiên về khả năng tương thích chế tạo với vật liệu bán dẫn và công nghệ xử lý micro-nano. Nhiều quy trình sản xuất chất bán dẫn, chẳng hạn như epit Wax thứ cấp, lắng đọng hơi hóa học, quang khắc từng bước, in nano, khắc tia điện tử và khắc ion, có thể được áp dụng trực tiếp vào nghiên cứu và chế tạo laser bán dẫn.
Laser sợi DBR xuất hiện muộn hơn laser bán dẫn DBR, chủ yếu bị hạn chế bởi sự phát triển của xử lý ống dẫn sóng sợi quang và công nghệ đa pha tạp nồng độ cao. Hiện nay, các kỹ thuật chế tạo ống dẫn sóng sợi phổ biến bao gồm che pha khuyết tật oxy và xử lý laser femto giây, trong khi các công nghệ pha tạp sợi nồng độ cao bao gồm lắng đọng hơi hóa học biến đổi (MCVD) và lắng đọng hơi hóa học plasma bề mặt (SCVD).
Một cấu trúc cộng hưởng khác dựa trên cách tử Bragg là cấu hình DFB. Khoang chính của laser DFB tích hợp cấu trúc Bragg với vùng hoạt động và đưa ra vùng dịch pha ở trung tâm của cấu trúc để lựa chọn bước sóng. Như được hiển thị trong Hình 3(b), cấu hình này có mức độ tích hợp và thống nhất cấu trúc cao hơn, đồng thời giảm thiểu các vấn đề như lệch bước sóng nghiêm trọng và nhảy chế độ trong cấu trúc DBR, khiến nó trở thành cấu hình laser thực tế và ổn định nhất ở giai đoạn hiện tại.
Thách thức kỹ thuật của laser DFB nằm ở việc chế tạo các cấu trúc cách tử. Có hai phương pháp chính để chế tạo cách tử trong laser bán dẫn DBR: epit Wax thứ cấp và khắc bề mặt. Phản hồi cách tử mọc lại (RGF) -DFB laser bán dẫn sử dụng phương pháp epit Wax thứ cấp và quang khắc thứ cấp để phát triển một tập hợp các cách tử có chiết suất thấp trong vùng hoạt động. Phương pháp này bảo tồn cấu trúc lớp hoạt động với mức tổn thất thấp, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo các bộ cộng hưởng Q cao. Cách tử bề mặt (SG)-DFB laser bán dẫn liên quan đến việc khắc trực tiếp một lớp cách tử trên bề mặt của vùng hoạt động. Cách tiếp cận này phức tạp hơn, đòi hỏi phải điều chỉnh chính xác theo vật liệu vùng hoạt động và các ion pha tạp, đồng thời có độ suy hao cao hơn nhưng mang lại khả năng giam cầm quang học mạnh hơn và khả năng triệt tiêu chế độ cao hơn.
Tương tự như laser sợi DBR, laser sợi DFB dựa vào những tiến bộ trong xử lý ống dẫn sóng sợi và công nghệ sợi pha tạp nồng độ cao. So với laser sợi DBR, laser sợi DFB đặt ra những thách thức lớn hơn trong chế tạo cách tử do đặc tính hấp thụ bước sóng của các ion đất hiếm.
Các laser trong khoang chính có khoang ngắn như DFB và DBR có thời gian tương tác photon trong khoang chính bị hạn chế, khiến cho việc nén băng thông sâu trở nên khó khăn. Để nén thêm băng thông đường truyền và triệt tiêu nhiễu, các cấu hình khoang chính khoang ngắn như vậy thường được kết hợp với các cấu trúc khoang bên ngoài để tối ưu hóa hiệu suất. Các cấu trúc khoang bên ngoài phổ biến bao gồm các khoang bên ngoài không gian, các khoang bên ngoài sợi và các khoang bên ngoài ống dẫn sóng. Trước sự phát triển của các thiết bị sợi quang và cấu trúc ống dẫn sóng, các khoang bên ngoài chủ yếu bao gồm quang học không gian kết hợp với các thành phần quang học rời rạc. Trong số này, các cấu trúc phản hồi khoang bên ngoài không gian dựa trên cách tử chủ yếu áp dụng thiết kế Littrow và Littman, thường bao gồm khoang khuếch đại laser, thấu kính ghép và cách tử nhiễu xạ. Cách tử, đóng vai trò là phần tử phản hồi, cho phép điều chỉnh bước sóng, chọn chế độ và nén băng thông.
Ngoài ra, các cấu trúc phản hồi khoang bên ngoài không gian có thể kết hợp một loạt các thiết bị lọc quang học, chẳng hạn như etalon F-P, bộ lọc điều chỉnh quang âm/điện quang và giao thoa kế. Các thiết bị lọc này vốn có khả năng lựa chọn chế độ và có thể thay thế cách tử; một số etalon Q-P cao thậm chí còn hoạt động tốt hơn các cách tử phản xạ trong việc thu hẹp quang phổ và nén băng thông đường truyền.
Với sự tiến bộ của công nghệ thiết bị sợi quang, việc thay thế các cấu trúc quang học không gian bằng các ống dẫn sóng hoặc thiết bị sợi quang mạnh mẽ, tích hợp cao thể hiện một chiến lược hiệu quả để cải thiện độ ổn định của hệ thống laser. Các khoang bên ngoài sợi thường được chế tạo bằng cách nối các thiết bị sợi để tạo thành cấu trúc toàn sợi, mang lại khả năng tích hợp cao, dễ bảo trì và khả năng chống nhiễu mạnh. Cấu trúc phản hồi khoang ngoài của sợi quang có thể là phản hồi vòng sợi đơn giản hoặc bộ cộng hưởng toàn sợi, FBG, khoang F-P sợi và bộ cộng hưởng WGM.
Laser băng thông hẹp với cấu trúc phản hồi khoang bên ngoài ống dẫn sóng tích hợp đã thu hút sự chú ý rộng rãi do kích thước gói nhỏ hơn và hiệu suất ổn định hơn. Về cơ bản, phản hồi khoang ngoài của ống dẫn sóng tuân theo các nguyên tắc kỹ thuật tương tự như phản hồi khoang ngoài của sợi quang, nhưng sự đa dạng của vật liệu bán dẫn và công nghệ xử lý micro-nano cho phép các hệ thống laser nhỏ gọn và ổn định hơn, nâng cao tính thực tế của các laser có băng thông hẹp phản hồi khoang ngoài của ống dẫn sóng. Các vật liệu laser bán dẫn thường được sử dụng bao gồm các hợp chất Si, Si₃N₄ và III-V.
Cấu hình laser dao động quang điện tử là một kiến trúc laser phản hồi đặc biệt, trong đó tín hiệu phản hồi thường là tín hiệu điện hoặc phản hồi quang điện tử đồng thời. Công nghệ phản hồi quang điện tử sớm nhất được áp dụng cho laser là kỹ thuật ổn định tần số PDH, sử dụng phản hồi âm điện để điều chỉnh độ dài hộp cộng hưởng và khóa tần số laser ở quang phổ tham chiếu, chẳng hạn như chế độ cộng hưởng Q cao và các vạch hấp thụ nguyên tử lạnh. Thông qua việc điều chỉnh phản hồi âm, bộ cộng hưởng laser có thể khớp với trạng thái vận hành của laser trong thời gian thực, giảm sự mất ổn định tần số xuống mức 10⁻¹⁷. Tuy nhiên, phản hồi điện có những hạn chế đáng kể, bao gồm tốc độ phản hồi chậm và hệ thống servo quá phức tạp liên quan đến mạch điện mở rộng. Những yếu tố này dẫn đến độ khó kỹ thuật cao, độ chính xác kiểm soát nghiêm ngặt và chi phí cao cho hệ thống laser. Hơn nữa, sự phụ thuộc mạnh mẽ của hệ thống vào các nguồn tham chiếu đã hạn chế nghiêm ngặt bước sóng laser ở các điểm tần số cụ thể, càng hạn chế khả năng ứng dụng thực tế của nó.
Bản quyền @ 2020 Công ty TNHH Công nghệ Quang học Hộp Thâm Quyến - Mô-đun sợi quang Trung Quốc, Nhà sản xuất Laser ghép sợi quang, Nhà cung cấp linh kiện Laser Mọi quyền được bảo lưu.
