في تطور الليزر ذي الخط الضيق حتى يومنا هذا، كان تطور آليات التغذية المرتدة بالليزر مرادفًا لتطور هياكل مرنان الليزر. فيما يلي، يتم تقديم تكوينات مختلفة لتقنيات الليزر ذات عرض الخط الضيق بترتيب تطور مرنانات الليزر.
يمكن تقسيم ليزر التجويف الرئيسي المفرد هيكليًا إلى تجاويف خطية وتجويفات حلقية، ومن خلال طول التجويف، إلى هياكل ذات تجاويف قصيرة وتجويف طويل. تتميز أجهزة الليزر ذات التجويف القصير بتباعد كبير في الوضع الطولي، وهو أكثر فائدة لتحقيق تشغيل الوضع الطولي الفردي (SLM)، ولكنها تعاني من عرض خط تجويف جوهري واسع وصعوبة في قمع الضوضاء. تظهر الهياكل ذات التجويف الطويل بطبيعتها خصائص عرض الخطوط الضيقة وتسمح بدمج الأجهزة البصرية المتنوعة مع التكوينات المرنة؛ ومع ذلك، فإن التحدي الفني يكمن في تحقيق عملية SLM بسبب التباعد الطولي الصغير للغاية بين الأوضاع.
كتكوين كلاسيكي لتجويفات الليزر الرئيسية، يتميز التجويف الخطي بمزايا مثل البنية البسيطة والكفاءة العالية وسهولة المعالجة. تاريخيًا، تم إنشاء أول شعاع ليزر حقيقي باستخدام بنية تجويف خطية FP. مع التقدم اللاحق في العلوم والتكنولوجيا، تم اعتماد هيكل FP على نطاق واسع في ليزر أشباه الموصلات، وليزر الألياف، وليزر الحالة الصلبة.
يعد التجويف الحلقي بمثابة تعديل للتجويف الخطي الكلاسيكي، للتغلب على عيب حرق الثقب المكاني للتجاويف الخطية عن طريق استبدال حقول الموجة الدائمة بموجات متنقلة لتحقيق تضخيم دوري للإشارات الضوئية. بفضل تطور أجهزة الألياف الضوئية، حظيت أجهزة ليزر الألياف ذات الهياكل المرنة المصنوعة من الألياف باهتمام واسع النطاق وأصبحت فئة الليزر الأسرع نموًا على مدار العقدين الماضيين.
تمثل أشعة الليزر ذات المذبذب الحلقي غير المستوي (NPRO) تكوينًا خاصًا لليزر الموجي المتنقل. عادةً، يتكون التجويف الرئيسي لمثل هذه الليزرات من بلورة متجانسة، والتي تنظم حالة استقطاب الليزر عبر انعكاس الوجه البلوري ومجال مغناطيسي خارجي لتحقيق تشغيل الليزر أحادي الاتجاه. يقلل هذا التصميم بشكل كبير من الحمل الحراري لمرنان الليزر، ويوفر استقرارًا استثنائيًا في الطول الموجي والطاقة، ويتميز بخصائص عرض الخط الضيق.
مقيدة بعوامل مثل طول التجويف القصير للغاية والخسارة الجوهرية العالية، فإن تكوينات الليزر أحادية التجويف الخطي FP المستندة إلى ردود الفعل داخل التجويف تعاني من وقت محدود لتفاعل الفوتون وصعوبة في القضاء على الانبعاث التلقائي من وسط الكسب. ولمعالجة هذه المشكلة، اقترح الباحثون تكوينًا واحدًا للتغذية الراجعة للتجويف الخارجي. يعمل التجويف الخارجي على إطالة وقت تفاعل الفوتون وتغذية الفوتونات المفلترة مرة أخرى إلى التجويف الرئيسي، وبالتالي تحسين أداء الليزر وضغط عرض الخط. تستخدم هياكل التجويف الخارجي البسيطة المبكرة المستندة إلى البصريات المكانية، مثل تكوينات Littrow وLittman، قدرة التشتت الطيفي للشبكات لإعادة حقن إشارات الليزر النقية في تجويف الليزر الرئيسي، مما يؤدي إلى سحب التردد على التجويف الرئيسي لتحقيق ضغط عرض الخط. تم توسيع هيكل التجويف الخارجي هذا لاحقًا ليشمل ليزر الألياف وأشعة ليزر أشباه الموصلات.
يكمن التحدي الفني لتكوينات ليزر التغذية المرتدة ذات التجويف الخارجي الفردي في مطابقة الطور بين التجويف الخارجي والتجويف الرئيسي. أظهرت الدراسات أن المرحلة المكانية لإشارة التغذية المرتدة للتجويف الخارجي أمر بالغ الأهمية لتحديد عتبة الليزر والتردد وقدرة الخرج النسبية، وأن أوضاع الليزر الطولية حساسة للغاية لكثافة ومرحلة إشارة التغذية المرتدة.
تكوين الليزر DBR
لتعزيز استقرار أنظمة الليزر ودمج الأجهزة الانتقائية للطول الموجي في هيكل التجويف الرئيسي، تم تطوير تكوين DBR. تم تصميم مرنان DBR استنادًا إلى مرنان FP، حيث يستبدل مرايا هيكل FP بهياكل Bragg السلبية الدورية لتوفير ردود فعل بصرية. نظرًا لتأثير الترشيح الدوري للمشط لبنية Bragg على أوضاع تداخل الليزر، فإن التجويف الرئيسي DBR يمتلك بطبيعته خصائص الترشيح. بالاشتراك مع تباعد الوضع الطولي الكبير الذي يوفره هيكل التجويف القصير، يتم تحقيق عملية SLM بسهولة. على الرغم من أن بنية Bragg الدورية صُممت في الأصل فقط لاختيار الطول الموجي، إلا أنها تمثل أيضًا، من منظور بنية التجويف، تطورًا لبنية التجويف المفرد مع عدد متزايد من أسطح التغذية المرتدة.
تشتمل أجهزة ليزر DBR المصنفة حسب متوسط الكسب على ليزر أشباه الموصلات وأشعة الليزر الليفية. يتمتع ليزر أشباه الموصلات بميزة طبيعية في توافق التصنيع مع مواد أشباه الموصلات وتقنيات المعالجة النانوية الدقيقة. يمكن تطبيق العديد من عمليات تصنيع أشباه الموصلات، مثل التنقيح الثانوي، وترسيب البخار الكيميائي، والطباعة الحجرية الضوئية، والطباعة النانوية، وحفر شعاع الإلكترون، والحفر الأيوني، مباشرة على أبحاث وتصنيع ليزر أشباه الموصلات.
ظهرت ليزرات الألياف DBR في وقت لاحق من ليزر أشباه الموصلات DBR، وكانت محدودة بشكل أساسي من خلال تطوير معالجة الدليل الموجي للألياف وتقنيات المنشطات المتعددة عالية التركيز. حاليًا، تشتمل تقنيات تصنيع الدليل الموجي للألياف الشائعة على إخفاء طور عيب الأكسجين ومعالجة ليزر الفيمتو ثانية، في حين تشمل تقنيات منشطات الألياف عالية التركيز ترسيب البخار الكيميائي المعدل (MCVD) وترسيب البخار الكيميائي للبلازما السطحية (SCVD).
هيكل مرنان آخر يعتمد على حواجز شبكية Bragg هو تكوين DFB. يدمج التجويف الرئيسي لليزر DFB بنية Bragg مع المنطقة النشطة ويقدم منطقة تحول الطور في وسط الهيكل لاختيار الطول الموجي. كما هو مبين في الشكل 3 (ب)، يتميز هذا التكوين بدرجة أعلى من التكامل والوحدة الهيكلية، ويخفف من مشكلات مثل الانجراف الشديد لطول الموجة والتنقل بين الأوضاع في هياكل DBR، مما يجعله تكوين الليزر الأكثر استقرارًا وعمليًا في المرحلة الحالية.
يكمن التحدي الفني الذي يواجهه ليزر DFB في تصنيع الهياكل الشبكية. هناك طريقتان أساسيتان لتصنيع الشبكات في ليزر أشباه الموصلات DBR: النقش الثانوي والنقش السطحي. ردود الفعل الشبكية المعاد نموها (RGF) - تستخدم ليزرات أشباه الموصلات DFB الفوقية الثانوية والطباعة الحجرية الضوئية لتنمية مجموعة من الشبكات ذات معامل الانكسار المنخفض في المنطقة النشطة. تحافظ هذه الطريقة على بنية الطبقة النشطة مع خسارة منخفضة، مما يسهل تصنيع الرنانات عالية الجودة. تتضمن أشعة الليزر شبه الموصلة السطحية (SG)-DFB حفر طبقة شبكية مباشرة على سطح المنطقة النشطة. يعد هذا النهج أكثر تعقيدًا، ويتطلب تعديلًا دقيقًا وفقًا لمواد المنطقة النشطة وأيونات المنشطات، ويظهر خسارة أعلى، ولكنه يوفر حبسًا بصريًا أقوى وقدرة أعلى على قمع الوضع.
على غرار ليزر الألياف DBR، تعتمد ليزرات الألياف DFB على التقدم في معالجة الدليل الموجي للألياف وتقنيات الألياف المخدرة عالية التركيز. بالمقارنة مع ليزر الألياف DBR، فإن ليزر الألياف DFB يشكل تحديات أكبر في تصنيع الشبكات بسبب خصائص امتصاص الطول الموجي لأيونات الأرض النادرة.
تتمتع أشعة الليزر ذات التجويف الرئيسي القصير مثل DFB وDBR بوقت محدود لتفاعل الفوتون داخل التجويف، مما يجعل ضغط عرض الخط العميق أمرًا صعبًا. لمزيد من ضغط عرض الخط وقمع الضوضاء، غالبًا ما يتم دمج تكوينات التجويف الرئيسي ذات التجويف القصير مع هياكل التجويف الخارجي لتحسين الأداء. تشمل هياكل التجويف الخارجي الشائعة التجاويف الخارجية المكانية، وتجويفات الألياف الخارجية، وتجويفات الدليل الموجي الخارجية. قبل تطوير أجهزة الألياف الضوئية وهياكل الدليل الموجي، كانت التجاويف الخارجية تتكون في الغالب من بصريات مكانية مدمجة مع مكونات بصرية منفصلة. ومن بين هذه الهياكل، تتبنى هياكل التغذية المرتدة ذات التجويف الخارجي المكاني أساسًا تصميمات Littrow وLittman، والتي تتكون عادةً من تجويف كسب الليزر، وعدسات اقتران، وشبكة الحيود. يتيح الشبكة، باعتبارها عنصر التغذية الراجعة، ضبط الطول الموجي واختيار الوضع وضغط عرض الخط.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن لهياكل التغذية المرتدة للتجويف الخارجي المكاني أن تشتمل على مجموعة من أجهزة الترشيح البصري، مثل FP etalons، والمرشحات الصوتية البصرية/الكهروضوئية القابلة للضبط، ومقاييس التداخل. تمتلك أجهزة الترشيح هذه بطبيعتها إمكانات اختيار الوضع ويمكن أن تحل محل الشبكات؛ حتى أن بعض أعمدة FP عالية الجودة تتفوق على الشبكات العاكسة في التضييق الطيفي وضغط عرض الخط.
مع تقدم تكنولوجيا أجهزة الألياف الضوئية، يمثل استبدال الهياكل البصرية المكانية بأدلة موجية من الألياف القوية والمتكاملة للغاية أو أجهزة ألياف استراتيجية فعالة لتحسين استقرار نظام الليزر. عادةً ما يتم إنشاء تجاويف الألياف الخارجية عن طريق ربط أجهزة الألياف لتشكيل هيكل من الألياف بالكامل، مما يوفر تكاملًا عاليًا وسهولة الصيانة ومناعة قوية ضد التداخل. يمكن أن تكون هياكل التغذية المرتدة ذات التجويف الخارجي للألياف عبارة عن ردود فعل بسيطة من حلقة الألياف، أو مرنانات الألياف بالكامل، وFBGs، وتجويفات الألياف FP، ومرنانات WGM.
اجتذبت أجهزة الليزر ذات العرض الضيق مع هياكل التغذية المرتدة للتجويف الخارجي للدليل الموجي اهتمامًا واسع النطاق نظرًا لصغر حجم العبوة وأدائها الأكثر استقرارًا. بشكل أساسي، تتبع التغذية المرتدة للتجويف الخارجي للدليل الموجي نفس المبادئ التقنية مثل التغذية المرتدة للتجويف الخارجي للألياف، ولكن تنوع مواد أشباه الموصلات وتقنيات معالجة النانو الدقيقة يتيح أنظمة ليزر أكثر إحكاما واستقرارا، مما يعزز التطبيق العملي لليزر الضيق ذو العرض الخطي الضيق لتغذية الدليل الموجي للتجويف الخارجي. تشتمل مواد الليزر شبه الموصلة شائعة الاستخدام على مركبات Si وSi₃N₄ وIII-V.
تكوين ليزر التذبذب الإلكتروني البصري عبارة عن بنية ليزر تغذية راجعة خاصة، حيث تكون إشارة التغذية المرتدة عادةً إشارة كهربائية أو ردود فعل إلكترونية ضوئية متزامنة. كانت أول تقنية ردود فعل إلكترونية ضوئية مطبقة على الليزر هي تقنية تثبيت تردد PDH، والتي تستخدم ردود فعل سلبية كهربائية لضبط طول التجويف وقفل تردد الليزر للأطياف المرجعية، مثل أوضاع الرنان عالية الجودة وخطوط امتصاص الذرة الباردة. من خلال ضبط ردود الفعل السلبية، يمكن لمرنان الليزر أن يطابق حالة تشغيل الليزر في الوقت الحقيقي، مما يقلل من عدم استقرار التردد إلى ترتيب 10⁻¹⁷. ومع ذلك، فإن ردود الفعل الكهربائية تعاني من قيود كبيرة، بما في ذلك سرعة الاستجابة البطيئة وأنظمة المؤازرة المعقدة للغاية والتي تتضمن دوائر واسعة النطاق. تؤدي هذه العوامل إلى صعوبة فنية عالية ودقة تحكم صارمة وتكاليف عالية لأنظمة الليزر. علاوة على ذلك، فإن اعتماد النظام القوي على المصادر المرجعية يحصر الطول الموجي لليزر بشكل صارم في نقاط تردد محددة، مما يزيد من تقييد إمكانية تطبيقه العملي.
حقوق الطبع والنشر @ 2020 شركة Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - وحدات الألياف البصرية الصينية، ومصنعي أجهزة الليزر المقترنة بالألياف، وموردي مكونات الليزر، جميع الحقوق محفوظة.
