Bei der Entwicklung von Lasern mit schmaler Linienbreite ist die Entwicklung von Laserrückkopplungsmechanismen bis heute ein Synonym für die Entwicklung von Laserresonatorstrukturen. Im Folgenden werden verschiedene Konfigurationen von Lasertechnologien mit schmaler Linienbreite in der Reihenfolge der Entwicklung von Laserresonatoren vorgestellt.
Laser mit einem einzigen Hauptresonator können strukturell in lineare Resonatoren und Ringresonatoren sowie nach Resonatorlänge in Kurzresonator- und Langresonatorstrukturen unterteilt werden. Kurzresonatorlaser zeichnen sich durch einen großen longitudinalen Modenabstand aus, was für den Betrieb mit einem einzigen longitudinalen Modus (SLM) vorteilhafter ist, haben jedoch den Nachteil einer breiten intrinsischen Resonatorlinienbreite und Schwierigkeiten bei der Unterdrückung von Rauschen. Langkavitätsstrukturen weisen von Natur aus schmale Linienbreiteneigenschaften auf und ermöglichen die Integration verschiedener optischer Geräte mit flexiblen Konfigurationen; Aufgrund des zu geringen longitudinalen Modenabstands besteht ihre technische Herausforderung jedoch darin, einen SLM-Betrieb zu erreichen.
Als klassische Konfiguration von Laser-Hauptkavitäten bietet die lineare Kavität Vorteile wie einen einfachen Aufbau, eine hohe Effizienz und eine einfache Handhabung. Historisch gesehen wurde der erste echte Laserstrahl mithilfe einer linearen F-P-Hohlraumstruktur erzeugt. Mit späteren Fortschritten in Wissenschaft und Technologie wurde die F-P-Struktur in großem Umfang in Halbleiterlasern, Faserlasern und Festkörperlasern übernommen.
Der Ringhohlraum ist eine Modifikation des klassischen linearen Hohlraums und überwindet den Nachteil des räumlichen Lochbrennens linearer Hohlräume, indem er Stehwellenfelder durch Wanderwellen ersetzt, um eine zyklische Verstärkung optischer Signale zu erreichen. Angetrieben durch die Entwicklung faseroptischer Geräte haben Faserlaser mit flexiblen Vollfaserstrukturen große Aufmerksamkeit erregt und sind in den letzten zwei Jahrzehnten zur am schnellsten wachsenden Laserkategorie geworden.
Nichtplanare Ringoszillatorlaser (NPRO) stellen eine spezielle Wanderwellenlaserkonfiguration dar. Typischerweise besteht der Haupthohlraum solcher Laser aus einem monolithischen Kristall, der den Laserpolarisationszustand über die Reflexion der Kristallendfläche und ein externes Magnetfeld reguliert, um einen unidirektionalen Laserbetrieb zu ermöglichen. Dieses Design reduziert die thermische Belastung des Laserresonators erheblich, bietet eine außergewöhnliche Stabilität bei Wellenlänge und Leistung und zeichnet sich durch schmale Linienbreiten aus.
Aufgrund von Faktoren wie übermäßig kurzer Resonatorlänge und hohem intrinsischem Verlust leiden F-P-Linearresonator-Einzelresonator-Laserkonfigurationen, die auf Intra-Resonator-Rückkopplung basieren, unter einer begrenzten Photonenwechselwirkungszeit und Schwierigkeiten bei der Beseitigung spontaner Emission aus dem Verstärkungsmedium. Um dieses Problem anzugehen, schlugen die Forscher die einzelne Feedback-Konfiguration mit externem Hohlraum vor. Der externe Hohlraum dient dazu, die Wechselwirkungszeit der Photonen zu verlängern und gefilterte Photonen zurück in den Haupthohlraum einzuspeisen, wodurch die Laserleistung optimiert und die Linienbreite komprimiert wird. Frühe einfache Strukturen mit externem Hohlraum, die auf räumlicher Optik basieren, wie die Littrow- und Littman-Konfigurationen, nutzen die spektrale Dispersionsfähigkeit von Gittern, um gereinigte Lasersignale erneut in den Haupthohlraum des Lasers zu injizieren, wodurch eine Frequenzziehung auf den Haupthohlraum ausgeübt wird, um eine Linienbreitenkomprimierung zu erreichen. Diese Struktur mit einem einzigen externen Hohlraum wurde später auf Faserlaser und Halbleiterlaser ausgeweitet.
Die technische Herausforderung einzelner Feedback-Laserkonfigurationen mit externem Resonator liegt in der Phasenanpassung zwischen dem externen Resonator und dem Hauptresonator. Studien haben gezeigt, dass die räumliche Phase des Rückkopplungssignals des externen Hohlraums entscheidend für die Bestimmung der Laserschwelle, der Frequenz und der relativen Ausgangsleistung ist und dass Laser-Longitudinalmoden sehr empfindlich auf die Intensität und Phase des Rückkopplungssignals reagieren.
DBR-Laserkonfiguration
Um die Stabilität von Lasersystemen zu verbessern und wellenlängenselektive Geräte in die Hauptresonatorstruktur zu integrieren, wurde die DBR-Konfiguration entwickelt. Der auf dem F-P-Resonator basierende DBR-Resonator ersetzt die Spiegel der F-P-Struktur durch periodische passive Bragg-Strukturen, um eine optische Rückkopplung bereitzustellen. Aufgrund des periodischen Kammfiltereffekts der Bragg-Struktur auf Laserinterferenzmodi verfügt der DBR-Haupthohlraum von Natur aus über Filtereigenschaften. In Kombination mit dem großen longitudinalen Modenabstand, der durch die Kurzresonatorstruktur ermöglicht wird, ist ein SLM-Betrieb problemlos möglich. Obwohl die periodische Bragg-Struktur ursprünglich ausschließlich für die Wellenlängenauswahl konzipiert wurde, stellt sie aus Sicht der Hohlraumstruktur auch eine Weiterentwicklung der Einzelhohlraumstruktur mit einer erhöhten Anzahl von Rückkopplungsflächen dar.
DBR-Laser werden nach Verstärkungsmedium klassifiziert und umfassen Halbleiterlaser und Faserlaser. Halbleiterlaser haben einen natürlichen Vorteil in der Herstellungskompatibilität mit Halbleitermaterialien und Mikro-Nano-Verarbeitungstechnologien. Viele Halbleiterherstellungsprozesse wie Sekundärepitaxie, chemische Gasphasenabscheidung, Stufenfotolithographie, Nanoprägung, Elektronenstrahlätzen und Ionenätzen können direkt auf die Forschung und Herstellung von Halbleiterlasern angewendet werden.
DBR-Faserlaser entstanden später als DBR-Halbleiterlaser, was hauptsächlich durch die Entwicklung der Faserwellenleiterverarbeitung und Hochkonzentrations-Multidotierungstechnologien eingeschränkt wurde. Zu den gängigen Herstellungstechniken für Faserwellenleiter gehören derzeit die Phasenmaskierung mit Sauerstoffdefekten und die Femtosekundenlaserbearbeitung, während hochkonzentrierte Faserdotierungstechnologien die modifizierte chemische Gasphasenabscheidung (MCVD) und die chemische Gasphasenabscheidung mit Oberflächenplasma (SCVD) umfassen.
Eine weitere auf Bragg-Gittern basierende Resonatorstruktur ist die DFB-Konfiguration. Der Haupthohlraum des DFB-Lasers integriert die Bragg-Struktur mit dem aktiven Bereich und führt einen Phasenverschiebungsbereich in der Mitte der Struktur zur Wellenlängenauswahl ein. Wie in Abb. 3(b) gezeigt, zeichnet sich diese Konfiguration durch einen höheren Grad an Integration und struktureller Einheit aus und mildert Probleme wie starke Wellenlängendrift und Modensprünge in DBR-Strukturen, was sie zur derzeit stabilsten und praktischsten Laserkonfiguration macht.
Die technische Herausforderung von DFB-Lasern liegt in der Herstellung von Gitterstrukturen. Es gibt zwei Hauptmethoden zur Gitterherstellung in DBR-Halbleiterlasern: Sekundärepitaxie und Oberflächenätzung. Regrown Grating Feedback (RGF)-DFB-Halbleiterlaser nutzen sekundäre Epitaxie und Photolithographie, um eine Reihe von Gittern mit niedrigem Brechungsindex im aktiven Bereich wachsen zu lassen. Diese Methode bewahrt die aktive Schichtstruktur mit geringem Verlust und erleichtert die Herstellung von Resonatoren mit hohem Q. Bei Oberflächengitter (SG)-DFB-Halbleiterlasern wird eine Gitterschicht direkt auf die Oberfläche des aktiven Bereichs geätzt. Dieser Ansatz ist komplexer, erfordert eine präzise Anpassung an das Material des aktiven Bereichs und die Dotierungsionen und weist einen höheren Verlust auf, bietet jedoch einen stärkeren optischen Einschluss und eine höhere Fähigkeit zur Modenunterdrückung.
Ähnlich wie DBR-Faserlaser basieren DFB-Faserlaser auf Fortschritten in der Faserwellenleiterverarbeitung und Technologien für hochdotierte Fasern. Im Vergleich zu DBR-Faserlasern stellen DFB-Faserlaser aufgrund der Wellenlängenabsorptionseigenschaften von Seltenerdionen größere Herausforderungen bei der Gitterherstellung dar.
Hauptresonatorlaser mit kurzem Resonator wie DFB und DBR haben eine begrenzte Photoneninteraktionszeit innerhalb des Resonators, was eine tiefe Linienbreitenkomprimierung schwierig macht. Um die Linienbreite weiter zu komprimieren und Rauschen zu unterdrücken, werden solche Konfigurationen mit kurzen Hauptresonatoren zur Leistungsoptimierung häufig mit Strukturen mit externen Resonatoren kombiniert. Zu den üblichen Strukturen mit externen Hohlräumen gehören räumliche externe Hohlräume, externe Hohlräume für Fasern und externe Hohlräume für Wellenleiter. Vor der Entwicklung faseroptischer Geräte und Wellenleiterstrukturen bestanden externe Hohlräume überwiegend aus räumlicher Optik in Kombination mit diskreten optischen Komponenten. Unter diesen übernehmen gitterbasierte räumliche Rückkopplungsstrukturen mit externem Hohlraum hauptsächlich die Littrow- und Littman-Designs, die typischerweise aus einem Laserverstärkungshohlraum, Kopplungslinsen und einem Beugungsgitter bestehen. Das Gitter als Rückkopplungselement ermöglicht die Wellenlängenabstimmung, Modusauswahl und Linienbreitenkomprimierung.
Darüber hinaus können räumliche Rückkopplungsstrukturen mit externen Hohlräumen eine Reihe optischer Filtergeräte wie F-P-Etalons, abstimmbare akusto-optische/elektrooptische Filter und Interferometer enthalten. Diese Filtergeräte verfügen von Natur aus über Möglichkeiten zur Modusauswahl und können Gitter ersetzen; Bestimmte F-P-Etalons mit hohem Q übertreffen sogar reflektierende Gitter bei der Spektralverengung und Linienbreitenkomprimierung.
Mit der Weiterentwicklung der faseroptischen Gerätetechnologie stellt der Ersatz räumlicher optischer Strukturen durch hochintegrierte, robuste Faserwellenleiter oder Fasergeräte eine wirksame Strategie zur Verbesserung der Stabilität von Lasersystemen dar. Externe Hohlräume für Fasern werden normalerweise durch Spleißen von Fasergeräten zu einer Vollfaserstruktur hergestellt, die eine hohe Integration, einfache Wartung und starke Störfestigkeit bietet. Faser-Rückkopplungsstrukturen mit externem Hohlraum können einfache Faserschleifenrückkopplung oder reine Faserresonatoren, FBGs, Faser-FP-Hohlräume und WGM-Resonatoren sein.
Laser mit schmaler Linienbreite und integrierten Wellenleiter-Rückkopplungsstrukturen mit externem Hohlraum haben aufgrund ihrer kleineren Gehäusegröße und stabileren Leistung große Aufmerksamkeit erregt. Im Wesentlichen folgt die Wellenleiter-Rückkopplung mit externem Hohlraum den gleichen technischen Prinzipien wie die Rückkopplung mit externem Hohlraum in Fasern, aber die Vielfalt an Halbleitermaterialien und Mikro-Nano-Verarbeitungstechnologien ermöglicht kompaktere und stabilere Lasersysteme, was die Praktikabilität von Lasern mit schmaler Linienbreite und Wellenleiter-Rückkopplung mit externem Hohlraum erhöht. Zu den häufig verwendeten Halbleiterlasermaterialien gehören Si, Si₃N₄ und III-V-Verbindungen.
Bei der optoelektronischen Oszillationslaserkonfiguration handelt es sich um eine spezielle Rückkopplungslaserarchitektur, bei der das Rückkopplungssignal typischerweise ein elektrisches Signal oder eine gleichzeitige optoelektronische Rückkopplung ist. Die früheste optoelektronische Rückkopplungstechnologie, die auf Laser angewendet wurde, war die PDH-Frequenzstabilisierungstechnik, die elektrische Gegenkopplung nutzt, um die Hohlraumlänge anzupassen und die Laserfrequenz an Referenzspektren wie Resonatormodi mit hohem Q und Absorptionslinien kalter Atome zu koppeln. Durch negative Rückkopplungsabstimmung kann der Laserresonator in Echtzeit an den Betriebszustand des Lasers angepasst werden, wodurch die Frequenzinstabilität auf die Größenordnung von 10⁻¹⁷ reduziert wird. Allerdings weist die elektrische Rückmeldung erhebliche Einschränkungen auf, darunter eine langsame Reaktionsgeschwindigkeit und übermäßig komplexe Servosysteme mit umfangreichen Schaltkreisen. Diese Faktoren führen zu hohen technischen Schwierigkeiten, strenger Steuerungsgenauigkeit und hohen Kosten für Lasersysteme. Darüber hinaus beschränkt die starke Abhängigkeit des Systems von Referenzquellen die Laserwellenlänge strikt auf bestimmte Frequenzpunkte, was seine praktische Anwendbarkeit weiter einschränkt.
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