Dalam pengembangan laser lebar garis sempit hingga saat ini, evolusi mekanisme umpan balik laser identik dengan evolusi struktur resonator laser. Di bawah ini, berbagai konfigurasi teknologi laser lebar garis sempit diperkenalkan sesuai urutan evolusi resonator laser.
Laser rongga utama tunggal secara struktural dapat dibagi menjadi rongga linier dan rongga cincin, dan berdasarkan panjang rongga, menjadi struktur rongga pendek dan rongga panjang. Laser rongga pendek memiliki jarak mode longitudinal yang besar, yang lebih menguntungkan untuk mencapai operasi mode longitudinal tunggal (SLM), namun memiliki lebar garis rongga intrinsik yang luas dan kesulitan dalam menekan kebisingan. Struktur rongga panjang secara inheren menunjukkan karakteristik lebar garis yang sempit dan memungkinkan integrasi beragam perangkat optik dengan konfigurasi fleksibel; namun, tantangan teknisnya terletak pada pencapaian operasi SLM karena jarak mode longitudinal yang terlalu kecil.
Sebagai konfigurasi klasik rongga utama laser, rongga linier memiliki keunggulan seperti struktur sederhana, efisiensi tinggi, dan manipulasi mudah. Secara historis, sinar laser sejati pertama dihasilkan menggunakan struktur rongga linier F-P. Dengan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi berikutnya, struktur F-P telah banyak diadopsi dalam laser semikonduktor, laser serat, dan laser solid-state.
Rongga cincin adalah modifikasi dari rongga linier klasik, mengatasi kelemahan rongga linier yang membakar lubang spasial dengan mengganti medan gelombang berdiri dengan gelombang berjalan untuk mencapai amplifikasi siklik sinyal optik. Didorong oleh perkembangan perangkat serat optik, laser serat dengan struktur seluruh serat yang fleksibel telah menarik perhatian luas dan menjadi kategori laser dengan pertumbuhan tercepat selama dua dekade terakhir.
Laser Osilator Cincin Non-planar (NPRO) mewakili konfigurasi laser gelombang perjalanan khusus. Biasanya, rongga utama laser tersebut terdiri dari kristal monolitik, yang mengatur keadaan polarisasi laser melalui refleksi permukaan ujung kristal dan medan magnet eksternal untuk mewujudkan operasi laser searah. Desain ini sangat mengurangi beban termal resonator laser, memberikan stabilitas luar biasa dalam panjang gelombang dan daya, serta memiliki karakteristik lebar garis yang sempit.
Dibatasi oleh faktor-faktor seperti panjang rongga yang terlalu pendek dan kehilangan intrinsik yang tinggi, konfigurasi laser rongga tunggal rongga linier F-P berdasarkan umpan balik intra-rongga mengalami waktu interaksi foton yang terbatas dan kesulitan dalam menghilangkan emisi spontan dari media penguatan. Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti mengusulkan konfigurasi umpan balik rongga eksternal tunggal. Rongga eksternal berfungsi untuk memperpanjang waktu interaksi foton dan memasukkan foton yang disaring kembali ke rongga utama, sehingga mengoptimalkan kinerja laser dan mengompresi lebar garis. Struktur rongga eksternal awal yang sederhana berdasarkan optik spasial, seperti konfigurasi Littrow dan Littman, memanfaatkan kemampuan dispersi spektral kisi-kisi untuk menyuntikkan kembali sinyal laser yang dimurnikan ke dalam rongga utama laser, mengerahkan frekuensi menarik rongga utama untuk mencapai kompresi lebar garis. Struktur rongga eksternal tunggal ini kemudian diperluas ke laser serat dan laser semikonduktor.
Tantangan teknis konfigurasi laser umpan balik rongga eksternal tunggal terletak pada pencocokan fase antara rongga eksternal dan rongga utama. Penelitian telah menunjukkan bahwa fase spasial dari sinyal umpan balik rongga eksternal sangat penting untuk menentukan ambang batas laser, frekuensi, dan daya keluaran relatif, dan mode longitudinal laser sangat sensitif terhadap intensitas dan fase sinyal umpan balik.
Konfigurasi Laser DBR
Untuk meningkatkan stabilitas sistem laser dan mengintegrasikan perangkat selektif panjang gelombang ke dalam struktur rongga utama, konfigurasi DBR dikembangkan. Didesain berdasarkan resonator FP, resonator DBR menggantikan cermin struktur FP dengan struktur Bragg pasif periodik untuk memberikan umpan balik optik. Karena efek penyaringan sisir periodik dari struktur Bragg pada mode interferensi laser, rongga utama DBR secara inheren memiliki karakteristik penyaringan. Dikombinasikan dengan jarak mode longitudinal besar yang dihasilkan oleh struktur rongga pendek, pengoperasian SLM mudah dicapai. Meskipun struktur periodik Bragg awalnya dirancang semata-mata untuk pemilihan panjang gelombang, dari perspektif struktur rongga, struktur ini juga mewakili evolusi struktur rongga tunggal dengan peningkatan jumlah permukaan umpan balik.
Diklasifikasikan berdasarkan media penguatan, laser DBR mencakup laser semikonduktor dan laser serat. Laser semikonduktor memiliki keunggulan alami dalam kompatibilitas fabrikasi dengan bahan semikonduktor dan teknologi pemrosesan mikro-nano. Banyak proses manufaktur semikonduktor, seperti epitaksi sekunder, deposisi uap kimia, fotolitografi bertahap, pencetakan nano, etsa berkas elektron, dan etsa ion, dapat langsung diterapkan pada penelitian dan fabrikasi laser semikonduktor.
Laser serat DBR muncul lebih lambat dari laser semikonduktor DBR, terutama dibatasi oleh pengembangan pemrosesan pandu gelombang serat dan teknologi multi-doping konsentrasi tinggi. Saat ini, teknik fabrikasi pandu gelombang serat yang umum mencakup penyembunyian fase cacat oksigen dan pemrosesan laser femtodetik, sedangkan teknologi doping serat konsentrasi tinggi mencakup deposisi uap kimia yang dimodifikasi (MCVD) dan deposisi uap kimia plasma permukaan (SCVD).
Struktur resonator lain berdasarkan kisi Bragg adalah konfigurasi DFB. Rongga utama laser DFB mengintegrasikan struktur Bragg dengan daerah aktif dan memperkenalkan daerah pergeseran fasa di tengah struktur untuk pemilihan panjang gelombang. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3(b), konfigurasi ini memiliki tingkat integrasi dan kesatuan struktural yang lebih tinggi, dan mengurangi masalah seperti penyimpangan panjang gelombang yang parah dan lompatan mode dalam struktur DBR, menjadikannya konfigurasi laser paling stabil dan praktis pada saat ini.
Tantangan teknis laser DFB terletak pada pembuatan struktur kisi. Ada dua metode utama untuk pembuatan kisi pada laser semikonduktor DBR: epitaksi sekunder dan etsa permukaan. Laser semikonduktor umpan balik kisi (RGF) -DFB yang tumbuh kembali menggunakan epitaksi sekunder dan fotolitografi untuk menumbuhkan serangkaian kisi indeks bias rendah di wilayah aktif. Metode ini mempertahankan struktur lapisan aktif dengan kerugian rendah, memfasilitasi pembuatan resonator Q tinggi. Laser semikonduktor Surface grating (SG)-DFB melibatkan pengetsaan langsung lapisan kisi pada permukaan daerah aktif. Pendekatan ini lebih kompleks, memerlukan penyesuaian yang tepat berdasarkan bahan daerah aktif dan ion doping, serta menunjukkan kehilangan yang lebih tinggi, namun menawarkan pengekangan optik yang lebih kuat dan kemampuan penekanan mode yang lebih tinggi.
Mirip dengan laser serat DBR, laser serat DFB mengandalkan kemajuan dalam pemrosesan pandu gelombang serat dan teknologi serat doping konsentrasi tinggi. Dibandingkan dengan laser serat DBR, laser serat DFB memberikan tantangan yang lebih besar dalam fabrikasi kisi karena karakteristik penyerapan panjang gelombang ion tanah jarang.
Laser rongga utama dengan rongga pendek seperti DFB dan DBR memiliki waktu interaksi foton intra-rongga yang terbatas, sehingga menyulitkan kompresi lebar garis yang dalam. Untuk lebih memampatkan lebar garis dan menekan kebisingan, konfigurasi rongga utama rongga pendek seperti itu sering kali digabungkan dengan struktur rongga eksternal untuk optimalisasi kinerja. Struktur rongga eksternal yang umum mencakup rongga eksternal spasial, rongga eksternal serat, dan rongga eksternal pandu gelombang. Sebelum pengembangan perangkat serat optik dan struktur pandu gelombang, rongga eksternal sebagian besar terdiri dari optik spasial yang dikombinasikan dengan komponen optik diskrit. Di antaranya, struktur umpan balik rongga eksternal spasial berbasis kisi terutama mengadopsi desain Littrow dan Littman, biasanya terdiri dari rongga penguatan laser, lensa kopling, dan kisi difraksi. Kisi, sebagai elemen umpan balik, memungkinkan penyetelan panjang gelombang, pemilihan mode, dan kompresi lebar garis.
Selain itu, struktur umpan balik rongga eksternal spasial dapat menggabungkan berbagai perangkat penyaringan optik, seperti etalon FP, filter merdu akustik-optik/elektro-optik, dan interferometer. Perangkat penyaringan ini secara inheren memiliki kemampuan pemilihan mode dan dapat menggantikan kisi-kisi; etalon FP Q tinggi tertentu bahkan mengungguli kisi reflektif dalam penyempitan spektral dan kompresi lebar garis.
Dengan kemajuan teknologi perangkat serat optik, mengganti struktur optik spasial dengan pandu gelombang serat atau perangkat serat yang sangat terintegrasi dan kuat merupakan strategi yang efektif untuk meningkatkan stabilitas sistem laser. Rongga eksternal serat biasanya dibuat dengan menyambungkan perangkat serat untuk membentuk struktur seluruh serat, menawarkan integrasi tinggi, kemudahan perawatan, dan kekebalan yang kuat terhadap interferensi. Struktur umpan balik rongga eksternal serat dapat berupa umpan balik loop serat sederhana, atau resonator semua serat, FBG, rongga serat FP, dan resonator WGM.
Laser lebar garis sempit dengan struktur umpan balik rongga eksternal pandu gelombang terintegrasi telah menarik perhatian luas karena ukuran paketnya yang lebih kecil dan kinerja yang lebih stabil. Pada dasarnya, umpan balik rongga eksternal pandu gelombang mengikuti prinsip teknis yang sama dengan umpan balik rongga eksternal serat, namun keragaman bahan semikonduktor dan teknologi pemrosesan mikro-nano memungkinkan sistem laser yang lebih kompak dan stabil, sehingga meningkatkan kepraktisan laser lebar garis sempit umpan balik rongga eksternal pandu gelombang. Bahan laser semikonduktor yang umum digunakan meliputi senyawa Si, Si₃N₄, dan III-V.
Konfigurasi laser osilasi optoelektronik adalah arsitektur laser umpan balik khusus, di mana sinyal umpan balik biasanya berupa sinyal listrik atau umpan balik optoelektronik simultan. Teknologi umpan balik optoelektronik paling awal yang diterapkan pada laser adalah teknik stabilisasi frekuensi PDH, yang menggunakan umpan balik negatif listrik untuk menyesuaikan panjang rongga dan mengunci frekuensi laser ke spektrum referensi, seperti mode resonator Q tinggi dan garis serapan atom dingin. Melalui penyetelan umpan balik negatif, resonator laser dapat mencocokkan status pengoperasian laser secara real-time, mengurangi ketidakstabilan frekuensi hingga 10⁻¹⁷. Namun, umpan balik listrik mempunyai keterbatasan yang signifikan, termasuk kecepatan respons yang lambat dan sistem servo yang terlalu rumit yang melibatkan sirkuit yang luas. Faktor-faktor ini mengakibatkan kesulitan teknis yang tinggi, presisi kontrol yang ketat, dan biaya tinggi untuk sistem laser. Selain itu, ketergantungan sistem yang kuat pada sumber referensi secara ketat membatasi panjang gelombang laser pada titik frekuensi tertentu, sehingga semakin membatasi penerapan praktisnya.
Hak Cipta @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Modul Serat Optik Cina, Produsen Laser Gabungan Serat, Pemasok Komponen Laser Semua Hak Dilindungi Undang-Undang.
