Одночастотные лазерные системы нашли широкое применение в различных областях. На данный момент в мире диодных лазеров существует четыре вида устройств, позволяющих получать одночастотное излучение: лазеры с внешним резонатором (External Cavity Laser - ECL), с распределенной обратной связью (Distributed Feedback - DFB), лазеры с объемной голографической решеткой (Volume-Holographic-Grating-Stabilized Laser - VHG), а также с распределенным Брэгговским отражателем (Distributed Bragg Reflector Laser - DBR). В основе функционирования таких лазеров лежит общий элемент – решётка, обеспечивающая обратную связь. Стоит отметить, что конфигурация решётки для каждого из четырех типов различна, а потому отличаются и эксплуатационные характеристики устройств: выходная мощность, диапазон перестройки, коэффициент боковой моды (SMSR). Далее, мы разберем главные отличия четырех видов одночастотных диодных лазеров.
Лазеры с внешним резонатором
Конфигурация лазера с внешним резонатором (ECL ) является универсальной, поскольку совместима практически со всеми стандартными диодными лазерами, вывод излучения которых осуществляется без использования оптического волокна. Таким образом, лазер с внешним резонатором можно применять на разных длинах волн в зависимости от внутреннего элемента усиления лазерного диода. Линза коллимирует выход диода, затем излучение падает на решётку (см. рисунок 1). Оптическая обратная связь, обеспечиваемая решёткой, используется также и для выбора стабилизированной выходной длины волны. Если оптическая конструкция верная, то с помощью внешнего резонатора можно создать единственную продольную моду, и тем самым обеспечить одночастотный вывод лазера с высоким показателем подавления боковой моды (SMSR более 45 дБ).
В лазерах с внешним резонатором (ECL) решётка расположена вне активной усиливающей среды.
Крайне узкая ширина линий (менее 1 мГц), полученная довольно длинным резонатором, по праву считается одним им из главных преимуществ лазеров этого вида. Помимо этого, ECL может содержать множество лазерных диодов, что позволит получить излучение с узкой шириной линии в синем или красном диапазоне спектра. Лазеры этого вида имеют широкий диапазон перестройки - свыше 100 нм, но зачастую подвержены скачкам мод: во многом это зависит как от механической конструкции устройства, так и от качества просветляющего покрытия лазерного диода.
Лазер с распределенной обратной связью
В лазере с распределенной обратной связью (DFB) (используется в ближней и средней ИК-области) пропускающая дифракционная решетка установлена внутри самого лазерного диода (см. рис.2). Гофрированная периодическая структура, расположенная в непосредственной близости к активной среде, работает как отражатель Брэгга. Обратная связь, создаваемая периодической решеткой, является селективной, таким образом в лазере обеспечивается режим одномодовой генерации.
Если активная область имеет достаточный коэффициент усиления вблизи брэгговских частот, отражатель на заднем конце среды не требуется; для всей оптической обратной связи и выбора моды его замещает отражатель Брэгга. Благодаря этому «встроенному» алгоритму выбора лазер с распределенной обратной связью может генерировать одночастотное излучение в широком диапазоне температур при разных токах. Для облегчения выбора режима и увеличения мощности, такие лазеры часто снабжены элементом внесения фазового сдвига внутри диода.
Длина волны лазерного излучения приблизительно равна длине волны Брэгга: 
Где λ – длина волны, neff – эффективный показатель преломления, Λ – период решетки. С изменением показателя преломления меняется длина волны излучения. Это достигается путем настройки температуры и тока в лазере.
Лазеры с распределенной обратной связью имеют относительно узкий диапазон настройки: около 2 нм при 850 нм, около 4 нм при 1550 нм или как минимум 2 см-1 в середине ИК-диапазона (4,54 - 9,60 мкм).
Однако и в этом диапазоне лазер может работать на одной частоте. Значит, что это непрерывный диапазон настройки без переходов между модами. Именно поэтому лазеры с распределенной обратной связью стали популярны в сфере телекоммуникаций. РОС лазеры используют в производстве датчиков. Из-за короткой длины резонатора, ширина линий обычно лежит в диапазоне от 1 МГц до 10 МГц. Кроме того, близкое расположение решетки и активной среды приводит к снижению максимальной выходной мощности по сравнению с лазерами с распределенным Брэгговским отражателем и лазерами с внешним резонатором.
Лазеры с объемной голографической решеткой
В лазерах с объемной голографической решеткой также используется отражатель Брэгга, но в данном случае пропускающая решетка располагается перед выходным окном диода (см. Рис.3). Так как решетка не является частью конструкции диода, она может быть термически отделена от лазерного диода, что поможет стабилизировать длину волны излучения системы.
В лазерах с объемной голографической решеткой решетка расположена вне активной усиливающей среды.
Материалом для решетки зачастую служит стекло с периодически меняющемся показателем преломления. Только длина волны излучения, удовлетворяющая условию Брэгга, отражается обратно в оптический резонатор. Таким образом излучение стабилизируется. Стабилизированный лазер с объемной голографической решеткой может генерировать излучение с такой же длиной волны, как и РОС-лазер, но только при увеличении мощности. Длина волны излучения остается постоянной в широком диапазоне значений температур и токов.
Лазеры с распределенным Брэгговским отражателем
Так же, как и РОС-лазеры, лазеры с распределенным Брэгговским отражателем обладают гофрированной гетерограницей. Но в отличие от РОС-лазеров, где гетерограница расположена вдоль всей активной среды (в области усиления сигнала), в лазерах с распределенным Брэгговским отражателем такая решетка (их может быть несколько) расположены вне данной области (см. рис.4).
Лазер с распределенным Брэгговским отражателем содержит решетку вне активной среды.
В целом лазер может быть оснащен несколькими такими структурами, что не характерно для РОС-лазера. Расширен диапазон перестройки, а также есть возможность осуществлять более тщательный контроль над параметрами излучения. Например, многоэлектродный лазер с Брэгговским отражателем может содержать элемент, с помощью которого можно осуществлять тонкую настройку частоты генерации независимо от периода решетки и тока в лазере. Таким образом, система может работать на одной частоте в широком диапазоне перестройки - 30 – 40 нм. В отличие от излучения РОС-лазеров, выходное излучение лазеров с Брэгговским отражателем зависит от смены мод, таким образом температура и входные сигналы должны тщательно контролироваться.
Для упрощения структуры многоэлектродного лазера с Брэгговским отражателем был разработан такой лазер с одним электродом. Он не обладает сложной системой настройки решетки и частоты генерации излучения, однако и диапазон перестройки для данных моделей сильно сужается: диапазон перестройки упрощенной модели схож с диапазоном перестройки РОС-лазера, но нужно учитывать смену моды.
Но несмотря на этот недостаток, упрощенные модели лазера с Брэгговским отражателем обладают рядом преимуществ над РОС-источниками, в частности большей мощностью, так как решетка расположена не непрерывно вдоль всей длины активной области. Как и РОС-лазеры, лазеры с Брэгговским отражателем обладают той же шириной спектральной линии.
© Thorlabs Inc.
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ
В работе предлагается технология производства источников неразличимых фотонов в телекоммуникационном С-диапазоне на основе эпитаксиальных полупроводниковых квантовых точек. Новая методика позволяет детерминировано интегрировать квантовые излучатели в микрорезонаторы из кольцевых брэгговских решёток.
В статье описывается адаптация научной КМОП камеры Tucsen с обратной засветкой с целью улучшения возможностей регистрации когерентного рассеяния мягкого рентгеновского излучения.
В работе представлено два возможных варианта использования источников суперконтинуума: в качестве источника зондирующего излучения для оптической когерентной томографии и в качестве источника возбуждения для флуоресцентной кросс-корреляционной спектроскопии.
В работе реализован протокол BB84 с твердотельным источником одиночных фотонов на основе атомарно тонких слоев WSe2, выделяющийся простотой изготовления и настройки свойств. Система конкурентоспособна в сравнении с передовыми решениями, а с внедрением улучшений в виде микрорезонаторов может превзойти их.
В статье описывается метод широкопольной квантовой микроскопии с пространственным разрешением 1,4 мкм, основанный на схеме с симметричными плечами холостых и сигнальных фотонов. Преимущества метода: высокие скорость, отношение сигнал/шум и устойчивость к рассеянному свету в сравнении с аналогичными методами квантовой визуализации.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
