En el desarrollo de láseres de ancho de línea estrecho hasta el día de hoy, la evolución de los mecanismos de retroalimentación del láser ha sido sinónimo de la evolución de las estructuras de resonador láser. A continuación, se presentan varias configuraciones de tecnologías láser de ancho de línea estrecho en el orden de evolución de los resonadores láser.
Los láseres de una sola cavidad principal se pueden dividir estructuralmente en cavidades lineales y cavidades anulares, y según la longitud de la cavidad, en estructuras de cavidades cortas y de cavidades largas. Los láseres de cavidad corta presentan un gran espaciado de modo longitudinal, lo que es más ventajoso para lograr el funcionamiento en modo longitudinal único (SLM), pero adolecen de un amplio ancho de línea de cavidad intrínseca y dificultad para suprimir el ruido. Las estructuras de cavidad larga exhiben inherentemente características de ancho de línea estrecho y permiten la integración de diversos dispositivos ópticos con configuraciones flexibles; sin embargo, su desafío técnico radica en lograr la operación SLM debido al espaciado longitudinal excesivamente pequeño entre modos.
Como configuración clásica de cavidades principales del láser, la cavidad lineal presenta ventajas como una estructura simple, alta eficiencia y fácil manipulación. Históricamente, el primer rayo láser verdadero se generó utilizando una estructura de cavidad lineal F-P. Con los avances posteriores en ciencia y tecnología, la estructura F-P se ha adoptado ampliamente en láseres semiconductores, láseres de fibra y láseres de estado sólido.
La cavidad anular es una modificación de la cavidad lineal clásica, que supera el inconveniente de la quema de agujeros espaciales de las cavidades lineales al reemplazar los campos de ondas estacionarias con ondas viajeras para lograr una amplificación cíclica de las señales ópticas. Impulsados por el desarrollo de dispositivos de fibra óptica, los láseres de fibra con estructuras flexibles exclusivamente de fibra han atraído una gran atención y se han convertido en la categoría de láseres de más rápido crecimiento en las últimas dos décadas.
Los láseres de oscilador de anillo no plano (NPRO) representan una configuración especial de láser de onda viajera. Normalmente, la cavidad principal de dichos láseres consiste en un cristal monolítico, que regula el estado de polarización del láser mediante la reflexión del extremo del cristal y un campo magnético externo para realizar una operación del láser unidireccional. Este diseño reduce en gran medida la carga térmica del resonador láser, ofrece una estabilidad excepcional en longitud de onda y potencia y presenta características de ancho de línea estrecho.
Restringidas por factores como una longitud de cavidad excesivamente corta y una alta pérdida intrínseca, las configuraciones de láser de cavidad única de cavidad lineal FP basadas en retroalimentación intracavidad sufren de un tiempo de interacción de fotones limitado y dificultad para eliminar la emisión espontánea del medio de ganancia. Para abordar este problema, los investigadores propusieron la configuración de retroalimentación de cavidad externa única. La cavidad externa funciona para prolongar el tiempo de interacción de los fotones y devolver los fotones filtrados a la cavidad principal, optimizando así el rendimiento del láser y comprimiendo el ancho de la línea. Las primeras estructuras simples de cavidad externa basadas en óptica espacial, como las configuraciones de Littrow y Littman, utilizan la capacidad de dispersión espectral de las rejillas para reinyectar señales láser purificadas en la cavidad principal del láser, ejerciendo una tracción de frecuencia en la cavidad principal para lograr una compresión del ancho de línea. Esta estructura de cavidad externa única se amplió posteriormente a los láseres de fibra y los láseres semiconductores.
El desafío técnico de las configuraciones de láser de retroalimentación de una sola cavidad externa radica en la coincidencia de fases entre la cavidad externa y la cavidad principal. Los estudios han demostrado que la fase espacial de la señal de retroalimentación de la cavidad externa es crítica para determinar el umbral, la frecuencia y la potencia de salida relativa del láser, y los modos longitudinales del láser son altamente sensibles a la intensidad y la fase de la señal de retroalimentación.
Configuración del láser DBR
Para mejorar la estabilidad de los sistemas láser e integrar dispositivos selectivos de longitud de onda en la estructura de la cavidad principal, se desarrolló la configuración DBR. Diseñado en base al resonador F-P, el resonador DBR reemplaza los espejos de la estructura F-P con estructuras pasivas periódicas de Bragg para proporcionar retroalimentación óptica. Debido al efecto de filtrado de peine periódico de la estructura de Bragg en los modos de interferencia del láser, la cavidad principal del DBR posee inherentemente características de filtrado. Combinado con el gran espaciamiento longitudinal entre modos proporcionado por la estructura de cavidad corta, la operación SLM se logra fácilmente. Aunque la estructura periódica de Bragg se diseñó originalmente únicamente para la selección de longitudes de onda, desde una perspectiva de estructura de cavidad, también representa una evolución de la estructura de una sola cavidad con un mayor número de superficies de retroalimentación.
Clasificados por medio de ganancia, los láseres DBR incluyen láseres semiconductores y láseres de fibra. Los láseres semiconductores tienen una ventaja natural en la compatibilidad de fabricación con materiales semiconductores y tecnologías de micronanoprocesamiento. Muchos procesos de fabricación de semiconductores, como la epitaxia secundaria, la deposición química de vapor, la fotolitografía escalonada, la nanoimpresión, el grabado con haz de electrones y el grabado con iones, se pueden aplicar directamente a la investigación y fabricación de láseres semiconductores.
Los láseres de fibra DBR surgieron más tarde que los láseres semiconductores DBR, principalmente limitados por el desarrollo del procesamiento de guías de onda de fibra y tecnologías multidopaje de alta concentración. Actualmente, las técnicas comunes de fabricación de guías de onda de fibra incluyen el enmascaramiento de la fase de defecto de oxígeno y el procesamiento con láser de femtosegundo, mientras que las tecnologías de dopaje de fibra de alta concentración abarcan la deposición química de vapor modificada (MCVD) y la deposición química de vapor de plasma superficial (SCVD).
Otra estructura de resonador basada en rejillas de Bragg es la configuración DFB. La cavidad principal del láser DFB integra la estructura de Bragg con la región activa e introduce una región de cambio de fase en el centro de la estructura para la selección de la longitud de onda. Como se muestra en la Fig. 3 (b), esta configuración presenta un mayor grado de integración y unidad estructural, y mitiga problemas como la deriva severa de longitud de onda y el salto de modo en estructuras DBR, lo que la convierte en la configuración láser más estable y práctica en la etapa actual.
El desafío técnico de los láseres DFB reside en la fabricación de estructuras de rejilla. Existen dos métodos principales para la fabricación de rejillas en láseres semiconductores DBR: epitaxia secundaria y grabado superficial. Los láseres semiconductores DFB con retroalimentación de rejilla regenerada emplean epitaxia secundaria y fotolitografía para hacer crecer un conjunto de rejillas de bajo índice de refracción en la región activa. Este método preserva la estructura de la capa activa con bajas pérdidas, lo que facilita la fabricación de resonadores de alta Q. Los láseres semiconductores de rejilla de superficie (SG) -DFB implican grabar directamente una capa de rejilla en la superficie de la región activa. Este enfoque es más complejo y requiere un ajuste preciso según el material de la región activa y los iones dopantes, y presenta una mayor pérdida, pero ofrece un confinamiento óptico más fuerte y una mayor capacidad de supresión de modo.
Al igual que los láseres de fibra DBR, los láseres de fibra DFB se basan en avances en el procesamiento de guías de onda de fibra y tecnologías de fibras dopadas de alta concentración. En comparación con los láseres de fibra DBR, los láseres de fibra DFB plantean mayores desafíos en la fabricación de rejillas debido a las características de absorción de longitud de onda de los iones de tierras raras.
Los láseres de cavidad principal de cavidad corta, como DFB y DBR, tienen un tiempo limitado de interacción de fotones dentro de la cavidad, lo que dificulta la compresión profunda del ancho de línea. Para comprimir aún más el ancho de línea y suprimir el ruido, estas configuraciones de cavidad principal de cavidad corta a menudo se combinan con estructuras de cavidad externa para optimizar el rendimiento. Las estructuras de cavidades externas comunes incluyen cavidades externas espaciales, cavidades externas de fibras y cavidades externas de guías de ondas. Antes del desarrollo de los dispositivos de fibra óptica y las estructuras de guías de ondas, las cavidades externas estaban compuestas predominantemente de óptica espacial combinada con componentes ópticos discretos. Entre ellas, las estructuras de retroalimentación espacial de cavidad externa basadas en rejillas adoptan principalmente los diseños de Littrow y Littman, que normalmente consisten en una cavidad de ganancia láser, lentes de acoplamiento y una rejilla de difracción. La rejilla, como elemento de retroalimentación, permite el ajuste de la longitud de onda, la selección de modo y la compresión del ancho de línea.
Además, las estructuras espaciales de retroalimentación de cavidad externa pueden incorporar una variedad de dispositivos de filtrado óptico, como etalones F-P, filtros sintonizables acústico-ópticos/electroópticos e interferómetros. Estos dispositivos de filtrado poseen inherentemente capacidades de selección de modo y pueden reemplazar las rejillas; ciertos etalons FP de alta Q incluso superan a las rejillas reflectantes en estrechamiento espectral y compresión de ancho de línea.
Con el avance de la tecnología de dispositivos de fibra óptica, reemplazar las estructuras ópticas espaciales con guías de ondas de fibra robustas y altamente integradas o dispositivos de fibra representa una estrategia eficaz para mejorar la estabilidad del sistema láser. Las cavidades externas de fibra generalmente se construyen empalmando dispositivos de fibra para formar una estructura totalmente de fibra, lo que ofrece una alta integración, facilidad de mantenimiento y una fuerte inmunidad a las interferencias. Las estructuras de retroalimentación de cavidad externa de fibra pueden ser retroalimentación de bucle de fibra simple o resonadores totalmente de fibra, FBG, cavidades FP de fibra y resonadores WGM.
Los láseres de ancho de línea estrecho con estructuras de retroalimentación de cavidad externa de guía de ondas integradas han atraído una gran atención debido a su tamaño de paquete más pequeño y su rendimiento más estable. Esencialmente, la retroalimentación de la cavidad externa de la guía de ondas sigue los mismos principios técnicos que la retroalimentación de la cavidad externa de la fibra, pero la diversidad de materiales semiconductores y las tecnologías de micronanoprocesamiento permiten sistemas láser más compactos y estables, lo que mejora la practicidad de los láseres de ancho de línea estrecho con retroalimentación de la cavidad externa de la guía de ondas. Los materiales láser semiconductores comúnmente utilizados incluyen compuestos de Si, Si₃N₄ y III-V.
La configuración del láser de oscilación optoelectrónica es una arquitectura de láser de retroalimentación especial, donde la señal de retroalimentación suele ser una señal eléctrica o retroalimentación optoelectrónica simultánea. La primera tecnología de retroalimentación optoelectrónica aplicada a los láseres fue la técnica de estabilización de frecuencia PDH, que utiliza retroalimentación eléctrica negativa para ajustar la longitud de la cavidad y bloquear la frecuencia del láser para referenciar espectros, como modos de resonador de alta Q y líneas de absorción de átomos fríos. A través del ajuste de retroalimentación negativa, el resonador láser puede igualar el estado operativo del láser en tiempo real, reduciendo la inestabilidad de frecuencia al orden de 10⁻¹⁷. Sin embargo, la retroalimentación eléctrica adolece de limitaciones significativas, incluida una velocidad de respuesta lenta y servosistemas demasiado complejos que involucran circuitos extensos. Estos factores dan como resultado una gran dificultad técnica, una estricta precisión de control y altos costos para los sistemas láser. Además, la fuerte dependencia del sistema de fuentes de referencia limita estrictamente la longitud de onda del láser a puntos de frecuencia específicos, lo que restringe aún más su aplicabilidad práctica.
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