Nello sviluppo dei laser a larghezza di linea stretta fino ai giorni nostri, l'evoluzione dei meccanismi di feedback laser è stata sinonimo dell'evoluzione delle strutture dei risonatori laser. Di seguito, vengono introdotte varie configurazioni di tecnologie laser a larghezza di linea stretta nell'ordine di evoluzione dei risonatori laser.
I laser a cavità principale singola possono essere suddivisi strutturalmente in cavità lineari e cavità anulari e, in base alla lunghezza della cavità, in strutture a cavità corta e cavità lunga. I laser a cavità corta presentano un'ampia spaziatura tra modalità longitudinali, che è più vantaggiosa per ottenere il funzionamento in modalità longitudinale singola (SLM), ma soffrono di un'ampia larghezza di linea della cavità intrinseca e di difficoltà nella soppressione del rumore. Le strutture a cavità lunga mostrano intrinsecamente caratteristiche di larghezza di linea ridotta e consentono l'integrazione di diversi dispositivi ottici con configurazioni flessibili; tuttavia, la loro sfida tecnica risiede nel raggiungimento del funzionamento SLM a causa della spaziatura modale longitudinale eccessivamente piccola.
Essendo una configurazione classica delle cavità principali del laser, la cavità lineare vanta vantaggi quali struttura semplice, alta efficienza e facile manipolazione. Storicamente, il primo vero raggio laser è stato generato utilizzando una struttura a cavità lineare FP. Con i successivi progressi nella scienza e nella tecnologia, la struttura FP è stata ampiamente adottata nei laser a semiconduttore, nei laser a fibra e nei laser a stato solido.
La cavità anulare è una modifica della classica cavità lineare, che supera l'inconveniente della bruciatura spaziale delle cavità lineari sostituendo i campi di onde stazionarie con onde viaggianti per ottenere un'amplificazione ciclica dei segnali ottici. Spinti dallo sviluppo di dispositivi a fibra ottica, i laser a fibra con strutture flessibili interamente in fibra hanno raccolto ampia attenzione e sono diventati la categoria di laser in più rapida crescita negli ultimi due decenni.
I laser con oscillatore ad anello non planare (NPRO) rappresentano una speciale configurazione laser a onda viaggiante. Tipicamente, la cavità principale di tali laser è costituita da un cristallo monolitico, che regola lo stato di polarizzazione del laser tramite la riflessione della faccia terminale del cristallo e un campo magnetico esterno per realizzare il funzionamento del laser unidirezionale. Questo design riduce notevolmente il carico termico del risonatore laser, offre eccezionale stabilità in termini di lunghezza d'onda e potenza e presenta caratteristiche di larghezza di linea ridotta.
Vincolate da fattori quali una lunghezza della cavità eccessivamente corta e un'elevata perdita intrinseca, le configurazioni laser a cavità singola FP basate sul feedback intra-cavità soffrono di un tempo di interazione dei fotoni limitato e di difficoltà nell'eliminare l'emissione spontanea dal mezzo di guadagno. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno proposto la configurazione di feedback a cavità esterna singola. La cavità esterna funziona per prolungare il tempo di interazione dei fotoni e reimmettere i fotoni filtrati nella cavità principale, ottimizzando così le prestazioni del laser e comprimendo la larghezza di linea. Le prime semplici strutture a cavità esterna basate sull'ottica spaziale, come le configurazioni Littrow e Littman, utilizzano la capacità di dispersione spettrale dei reticoli per reiniettare segnali laser purificati nella cavità principale del laser, esercitando una trazione di frequenza sulla cavità principale per ottenere la compressione della larghezza di linea. Questa singola struttura a cavità esterna è stata successivamente estesa ai laser a fibra e ai laser a semiconduttore.
La sfida tecnica delle configurazioni laser con feedback a cavità singola esterna risiede nella corrispondenza di fase tra la cavità esterna e la cavità principale. Gli studi hanno dimostrato che la fase spaziale del segnale di feedback della cavità esterna è fondamentale per determinare la soglia del laser, la frequenza e la potenza di uscita relativa, e le modalità longitudinali del laser sono altamente sensibili all'intensità e alla fase del segnale di feedback.
Configurazione laser DBR
Per migliorare la stabilità dei sistemi laser e integrare dispositivi selettivi in lunghezza d'onda nella struttura della cavità principale, è stata sviluppata la configurazione DBR. Progettato sulla base del risonatore FP, il risonatore DBR sostituisce gli specchi della struttura FP con strutture Bragg passive periodiche per fornire feedback ottico. A causa dell'effetto di filtraggio periodico a pettine della struttura di Bragg sulle modalità di interferenza laser, la cavità principale del DBR possiede intrinsecamente caratteristiche di filtraggio. In combinazione con l'ampia spaziatura modale longitudinale offerta dalla struttura a cavità corta, il funzionamento SLM è facilmente raggiungibile. Sebbene la struttura periodica di Bragg sia stata originariamente progettata esclusivamente per la selezione della lunghezza d'onda, dal punto di vista della struttura a cavità rappresenta anche un'evoluzione della struttura a cavità singola con un numero maggiore di superfici di feedback.
Classificati in base al guadagno medio, i laser DBR includono laser a semiconduttore e laser a fibra. I laser a semiconduttore presentano un vantaggio naturale nella compatibilità di fabbricazione con materiali semiconduttori e tecnologie di lavorazione micro-nano. Molti processi di produzione di semiconduttori, come l'epitassia secondaria, la deposizione di vapori chimici, la fotolitografia a gradini, il nanoimprinting, l'attacco con fascio di elettroni e l'attacco ionico, possono essere applicati direttamente alla ricerca e alla fabbricazione di laser a semiconduttore.
I laser a fibra DBR sono emersi più tardi rispetto ai laser a semiconduttore DBR, principalmente limitati dallo sviluppo della lavorazione delle guide d'onda in fibra e delle tecnologie multi-doping ad alta concentrazione. Attualmente, le comuni tecniche di fabbricazione delle guide d'onda in fibra includono il mascheramento di fase dei difetti di ossigeno e l'elaborazione laser a femtosecondi, mentre le tecnologie di drogaggio delle fibre ad alta concentrazione comprendono la deposizione chimica da vapore modificata (MCVD) e la deposizione chimica da vapore al plasma superficiale (SCVD).
Un'altra struttura di risonatore basata sui reticoli di Bragg è la configurazione DFB. La cavità principale del laser DFB integra la struttura di Bragg con la regione attiva e introduce una regione di sfasamento al centro della struttura per la selezione della lunghezza d'onda. Come mostrato in Fig. 3 (b), questa configurazione presenta un grado più elevato di integrazione e unità strutturale e mitiga problemi come la grave deriva della lunghezza d'onda e il salto di modalità nelle strutture DBR, rendendola la configurazione laser più stabile e pratica nella fase attuale.
La sfida tecnica dei laser DFB risiede nella fabbricazione di strutture a griglia. Esistono due metodi principali per la fabbricazione del reticolo nei laser a semiconduttore DBR: epitassia secondaria e attacco superficiale. I laser a semiconduttore con feedback a reticolo ricresciuto (RGF)-DFB utilizzano l'epitassia secondaria e la fotolitografia per far crescere una serie di reticoli a basso indice di rifrazione nella regione attiva. Questo metodo preserva la struttura dello strato attivo con basse perdite, facilitando la fabbricazione di risonatori ad alto Q. I laser a semiconduttore a reticolo superficiale (SG)-DFB comportano l'incisione diretta di uno strato di reticolo sulla superficie della regione attiva. Questo approccio è più complesso, richiede una regolazione precisa in base al materiale della regione attiva e agli ioni droganti, e presenta una perdita maggiore, ma offre un confinamento ottico più forte e una capacità di soppressione della modalità più elevata.
Simili ai laser a fibra DBR, i laser a fibra DFB si basano sui progressi nella lavorazione delle guide d'onda in fibra e sulle tecnologie delle fibre drogate ad alta concentrazione. Rispetto ai laser a fibra DBR, i laser a fibra DFB pongono maggiori sfide nella fabbricazione dei reticoli a causa delle caratteristiche di assorbimento della lunghezza d'onda degli ioni delle terre rare.
I laser a cavità principale a cavità corta come DFB e DBR hanno un tempo di interazione dei fotoni intra-cavità limitato, rendendo difficile la compressione della larghezza di linea profonda. Per comprimere ulteriormente la larghezza di linea e sopprimere il rumore, tali configurazioni della cavità principale a cavità corta sono spesso combinate con strutture a cavità esterna per l'ottimizzazione delle prestazioni. Le strutture comuni della cavità esterna includono cavità esterne spaziali, cavità esterne di fibra e cavità esterne di guida d'onda. Prima dello sviluppo dei dispositivi in fibra ottica e delle strutture delle guide d'onda, le cavità esterne erano prevalentemente composte da ottica spaziale combinata con componenti ottici discreti. Tra questi, le strutture di feedback spaziale della cavità esterna basate su reticolo adottano principalmente i progetti di Littrow e Littman, tipicamente costituiti da una cavità di guadagno laser, lenti di accoppiamento e un reticolo di diffrazione. Il reticolo, come elemento di feedback, consente la sintonizzazione della lunghezza d'onda, la selezione della modalità e la compressione della larghezza di linea.
Inoltre, le strutture spaziali di feedback della cavità esterna possono incorporare una gamma di dispositivi di filtraggio ottico, come etalon FP, filtri sintonizzabili acusto-ottici/elettro-ottici e interferometri. Questi dispositivi di filtraggio possiedono intrinsecamente capacità di selezione della modalità e possono sostituire i reticoli; alcuni etalon FP ad alto Q superano addirittura i reticoli riflettenti nel restringimento spettrale e nella compressione della larghezza di linea.
Con il progresso della tecnologia dei dispositivi in fibra ottica, la sostituzione delle strutture ottiche spaziali con guide d'onda in fibra robuste o altamente integrate rappresenta una strategia efficace per migliorare la stabilità del sistema laser. Le cavità esterne delle fibre vengono solitamente costruite mediante la giunzione di dispositivi in fibra per formare una struttura interamente in fibra, che offre elevata integrazione, facilità di manutenzione e forte immunità alle interferenze. Le strutture di feedback a cavità esterna in fibra possono essere semplici feedback ad anello in fibra o risonatori interamente in fibra, FBG, cavità FP in fibra e risonatori WGM.
I laser a larghezza di linea stretta con strutture di feedback della cavità esterna della guida d'onda integrate hanno attirato l'attenzione diffusa grazie alle dimensioni più piccole del contenitore e alle prestazioni più stabili. Essenzialmente, il feedback della cavità esterna della guida d'onda segue gli stessi principi tecnici del feedback della cavità esterna della fibra, ma la diversità dei materiali semiconduttori e le tecnologie di elaborazione micro-nano consentono sistemi laser più compatti e stabili, migliorando la praticità dei laser a larghezza di linea stretta con feedback della cavità esterna della guida d'onda. I materiali laser a semiconduttore comunemente usati includono composti Si, Si₃N₄ e III-V.
La configurazione del laser ad oscillazione optoelettronica è un'architettura laser con feedback speciale, in cui il segnale di feedback è tipicamente un segnale elettrico o un feedback optoelettronico simultaneo. La prima tecnologia di feedback optoelettronico applicata ai laser è stata la tecnica di stabilizzazione della frequenza PDH, che utilizza il feedback elettrico negativo per regolare la lunghezza della cavità e bloccare la frequenza del laser sugli spettri di riferimento, come le modalità di risonatore ad alto Q e le linee di assorbimento dell'atomo freddo. Attraverso la sintonizzazione con feedback negativo, il risonatore laser può abbinare lo stato operativo del laser in tempo reale, riducendo l'instabilità di frequenza all'ordine di 10⁻¹⁷. Tuttavia, il feedback elettrico soffre di limitazioni significative, tra cui una velocità di risposta lenta e servosistemi eccessivamente complessi che coinvolgono circuiti estesi. Questi fattori comportano elevate difficoltà tecniche, rigorosa precisione di controllo e costi elevati per i sistemi laser. Inoltre, la forte dipendenza del sistema dalle sorgenti di riferimento limita rigorosamente la lunghezza d’onda del laser a specifici punti di frequenza, limitandone ulteriormente l’applicabilità pratica.
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