No desenvolvimento de lasers de largura de linha estreita até os dias atuais, a evolução dos mecanismos de feedback do laser tem sido sinônimo da evolução das estruturas ressonadoras a laser. Abaixo, várias configurações de tecnologias de laser de largura de linha estreita são apresentadas na ordem de evolução dos ressonadores a laser.
Os lasers de cavidade principal única podem ser estruturalmente divididos em cavidades lineares e cavidades em anel, e por comprimento de cavidade, em estruturas de cavidade curta e cavidade longa. Os lasers de cavidade curta apresentam um grande espaçamento de modo longitudinal, que é mais vantajoso para obter operação em modo longitudinal único (SLM), mas sofrem de uma ampla largura de linha de cavidade intrínseca e dificuldade em suprimir ruído. Estruturas de cavidades longas exibem inerentemente características de largura de linha estreita e permitem a integração de diversos dispositivos ópticos com configurações flexíveis; no entanto, seu desafio técnico reside em conseguir a operação SLM devido ao espaçamento modal longitudinal excessivamente pequeno.
Como configuração clássica de cavidades principais de laser, a cavidade linear apresenta vantagens como estrutura simples, alta eficiência e fácil manipulação. Historicamente, o primeiro feixe de laser verdadeiro foi gerado usando uma estrutura de cavidade linear FP. Com os avanços subsequentes na ciência e tecnologia, a estrutura FP foi amplamente adotada em lasers semicondutores, lasers de fibra e lasers de estado sólido.
A cavidade do anel é uma modificação da cavidade linear clássica, superando a desvantagem da queima de buracos espaciais das cavidades lineares, substituindo campos de ondas estacionárias por ondas viajantes para obter amplificação cíclica de sinais ópticos. Impulsionados pelo desenvolvimento de dispositivos de fibra óptica, os lasers de fibra com estruturas flexíveis totalmente em fibra atraíram grande atenção e se tornaram a categoria de lasers de crescimento mais rápido nas últimas duas décadas.
Os lasers osciladores de anel não planar (NPRO) representam uma configuração especial de laser de ondas viajantes. Normalmente, a cavidade principal de tais lasers consiste em um cristal monolítico, que regula o estado de polarização do laser por meio da reflexão da face final do cristal e de um campo magnético externo para realizar a operação unidirecional do laser. Este design reduz bastante a carga térmica do ressonador a laser, oferece estabilidade excepcional em comprimento de onda e potência e apresenta características de largura de linha estreita.
Limitadas por fatores como comprimento de cavidade excessivamente curto e alta perda intrínseca, as configurações de laser de cavidade única de cavidade linear FP baseadas em feedback intra-cavidade sofrem de tempo limitado de interação de fótons e dificuldade em eliminar a emissão espontânea do meio de ganho. Para resolver esse problema, os pesquisadores propuseram a configuração de feedback de cavidade externa única. A cavidade externa funciona para prolongar o tempo de interação dos fótons e alimentar os fótons filtrados de volta à cavidade principal, otimizando assim o desempenho do laser e comprimindo a largura de linha. As primeiras estruturas simples de cavidade externa baseadas em óptica espacial, como as configurações de Littrow e Littman, utilizam a capacidade de dispersão espectral das grades para reinjetar sinais de laser purificados na cavidade principal do laser, exercendo tração de frequência na cavidade principal para obter compressão de largura de linha. Esta estrutura de cavidade externa única foi posteriormente estendida para lasers de fibra e lasers semicondutores.
O desafio técnico das configurações de laser de feedback de cavidade externa única reside na correspondência de fase entre a cavidade externa e a cavidade principal. Estudos demonstraram que a fase espacial do sinal de feedback da cavidade externa é crítica para determinar o limiar do laser, a frequência e a potência de saída relativa, e os modos longitudinais do laser são altamente sensíveis à intensidade e à fase do sinal de feedback.
Configuração do laser DBR
Para melhorar a estabilidade dos sistemas de laser e integrar dispositivos seletivos de comprimento de onda na estrutura da cavidade principal, a configuração DBR foi desenvolvida. Projetado com base no ressonador FP, o ressonador DBR substitui os espelhos da estrutura FP por estruturas Bragg passivas periódicas para fornecer feedback óptico. Devido ao efeito periódico de filtragem em pente da estrutura de Bragg nos modos de interferência do laser, a cavidade principal do DBR possui inerentemente características de filtragem. Combinado com o grande espaçamento longitudinal proporcionado pela estrutura de cavidade curta, a operação SLM é facilmente alcançada. Embora a estrutura periódica de Bragg tenha sido originalmente projetada apenas para seleção de comprimento de onda, do ponto de vista da estrutura da cavidade, ela também representa uma evolução da estrutura de cavidade única com um número aumentado de superfícies de feedback.
Classificados por meio de ganho, os lasers DBR incluem lasers semicondutores e lasers de fibra. Os lasers semicondutores têm uma vantagem natural na compatibilidade de fabricação com materiais semicondutores e tecnologias de processamento micro-nano. Muitos processos de fabricação de semicondutores, como epitaxia secundária, deposição química de vapor, fotolitografia escalonada, nanoimpressão, gravação por feixe de elétrons e gravação de íons, podem ser aplicados diretamente à pesquisa e fabricação de lasers semicondutores.
Os lasers de fibra DBR surgiram depois dos lasers semicondutores DBR, principalmente limitados pelo desenvolvimento do processamento de guias de onda de fibra e tecnologias multidopagem de alta concentração. Atualmente, as técnicas comuns de fabricação de guias de onda de fibra incluem mascaramento de fase de defeito de oxigênio e processamento de laser de femtosegundo, enquanto as tecnologias de dopagem de fibra de alta concentração abrangem deposição química de vapor modificada (MCVD) e deposição química de vapor de plasma de superfície (SCVD).
Outra estrutura ressonadora baseada em redes de Bragg é a configuração DFB. A cavidade principal do laser DFB integra a estrutura de Bragg com a região ativa e introduz uma região de mudança de fase no centro da estrutura para seleção do comprimento de onda. 3 (b), esta configuração apresenta um maior grau de integração e unidade estrutural, e mitiga problemas como desvio severo de comprimento de onda e salto de modo em estruturas DBR, tornando-a a configuração de laser mais estável e prática no presente estágio.
O desafio técnico dos lasers DFB reside na fabricação de estruturas de grades. Existem dois métodos principais para fabricação de grades em lasers semicondutores DBR: epitaxia secundária e gravação de superfície. Os lasers semicondutores de feedback de grade regenerada (RGF) -DFB empregam epitaxia secundária e fotolitografia para cultivar um conjunto de grades de baixo índice de refração na região ativa. Este método preserva a estrutura da camada ativa com baixas perdas, facilitando a fabricação de ressonadores de alto Q. Os lasers semicondutores de grade de superfície (SG) -DFB envolvem a gravação direta de uma camada de grade na superfície da região ativa. Esta abordagem é mais complexa, exigindo ajuste preciso de acordo com o material da região ativa e os íons dopantes, e exibe maior perda, mas oferece maior confinamento óptico e maior capacidade de supressão de modo.
Semelhante aos lasers de fibra DBR, os lasers de fibra DFB contam com avanços no processamento de guias de onda de fibra e tecnologias de fibra dopada de alta concentração. Comparados aos lasers de fibra DBR, os lasers de fibra DFB apresentam maiores desafios na fabricação de grades devido às características de absorção de comprimento de onda dos íons de terras raras.
Lasers de cavidade principal de cavidade curta, como DFB e DBR, têm tempo limitado de interação de fótons intracavitários, dificultando a compressão profunda da largura de linha. Para comprimir ainda mais a largura de linha e suprimir o ruído, essas configurações de cavidade principal de cavidade curta são frequentemente combinadas com estruturas de cavidade externa para otimização de desempenho. Estruturas comuns de cavidades externas incluem cavidades externas espaciais, cavidades externas de fibra e cavidades externas de guia de onda. Antes do desenvolvimento de dispositivos de fibra óptica e estruturas de guias de ondas, as cavidades externas eram predominantemente compostas de óptica espacial combinada com componentes ópticos discretos. Entre estas, as estruturas de feedback de cavidade externa espacial baseadas em grades adotam principalmente os designs de Littrow e Littman, normalmente consistindo em uma cavidade de ganho de laser, lentes de acoplamento e uma rede de difração. A grade, como elemento de feedback, permite ajuste de comprimento de onda, seleção de modo e compressão de largura de linha.
Além disso, estruturas espaciais de feedback de cavidade externa podem incorporar uma variedade de dispositivos de filtragem óptica, como etalons FP, filtros sintonizáveis acústico-ópticos/eletro-ópticos e interferômetros. Esses dispositivos de filtragem possuem inerentemente capacidades de seleção de modo e podem substituir grades; certos etalons FP de alto Q superam até mesmo as grades reflexivas em estreitamento espectral e compressão de largura de linha.
Com o avanço da tecnologia de dispositivos de fibra óptica, a substituição de estruturas ópticas espaciais por guias de onda de fibra robustos e altamente integrados ou dispositivos de fibra representa uma estratégia eficaz para melhorar a estabilidade do sistema laser. As cavidades externas de fibra são geralmente construídas pela emenda de dispositivos de fibra para formar uma estrutura totalmente de fibra, oferecendo alta integração, facilidade de manutenção e forte imunidade a interferências. As estruturas de feedback de cavidade externa de fibra podem ser simples feedback de loop de fibra ou ressonadores totalmente de fibra, FBGs, cavidades FP de fibra e ressonadores WGM.
Lasers de largura de linha estreita com estruturas de feedback de cavidade externa de guia de ondas integradas atraíram ampla atenção devido ao seu tamanho de pacote menor e desempenho mais estável. Essencialmente, o feedback da cavidade externa do guia de ondas segue os mesmos princípios técnicos do feedback da cavidade externa da fibra, mas a diversidade de materiais semicondutores e tecnologias de processamento micro-nano permitem sistemas de laser mais compactos e estáveis, aumentando a praticidade dos lasers de largura de linha estreita do feedback da cavidade externa do guia de ondas. Os materiais de laser semicondutor comumente usados incluem compostos de Si, Si₃N₄ e III-V.
A configuração do laser de oscilação optoeletrônica é uma arquitetura especial de laser de feedback, onde o sinal de feedback é normalmente um sinal elétrico ou feedback optoeletrônico simultâneo. A primeira tecnologia de feedback optoeletrônico aplicada a lasers foi a técnica de estabilização de frequência PDH, que usa feedback elétrico negativo para ajustar o comprimento da cavidade e bloquear a frequência do laser para espectros de referência, como modos de ressonador de alto Q e linhas de absorção de átomos frios. Através do ajuste de feedback negativo, o ressonador laser pode corresponder ao estado operacional do laser em tempo real, reduzindo a instabilidade de frequência para a ordem de 10⁻¹⁷. No entanto, o feedback elétrico sofre de limitações significativas, incluindo velocidade de resposta lenta e sistemas servo excessivamente complexos que envolvem circuitos extensos. Esses fatores resultam em alta dificuldade técnica, precisão de controle rigorosa e altos custos para sistemas a laser. Além disso, a forte dependência do sistema de fontes de referência limita estritamente o comprimento de onda do laser a pontos de frequência específicos, restringindo ainda mais a sua aplicabilidade prática.
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