नैरो लाइनविड्थ लेजर का विकास इतिहास

आज तक संकीर्ण लाइनविड्थ लेजर के विकास में, लेजर फीडबैक तंत्र का विकास लेजर रेज़ोनेटर संरचनाओं के विकास का पर्याय बन गया है। नीचे, लेज़र रेज़ोनेटर के विकास के क्रम में संकीर्ण लाइनविड्थ लेज़र प्रौद्योगिकियों के विभिन्न विन्यास पेश किए गए हैं।

एकल मुख्य-गुहा विन्यास

एकल मुख्य-गुहा लेजर को संरचनात्मक रूप से रैखिक गुहाओं और रिंग गुहाओं में और गुहा की लंबाई के अनुसार लघु-गुहा और लंबी-गुहा संरचनाओं में विभाजित किया जा सकता है। शॉर्ट-कैविटी लेजर में एक बड़े अनुदैर्ध्य मोड रिक्ति की सुविधा होती है, जो एकल अनुदैर्ध्य मोड (एसएलएम) ऑपरेशन को प्राप्त करने के लिए अधिक फायदेमंद है, लेकिन एक व्यापक आंतरिक गुहा लाइनविड्थ और शोर को दबाने में कठिनाई से ग्रस्त है। लंबी-गुहा संरचनाएं स्वाभाविक रूप से संकीर्ण लाइनविड्थ विशेषताओं को प्रदर्शित करती हैं और लचीले कॉन्फ़िगरेशन के साथ विविध ऑप्टिकल उपकरणों के एकीकरण की अनुमति देती हैं; हालाँकि, उनकी तकनीकी चुनौती अत्यधिक छोटे अनुदैर्ध्य मोड रिक्ति के कारण एसएलएम ऑपरेशन को प्राप्त करने में है।

लेजर मुख्य गुहाओं के एक क्लासिक विन्यास के रूप में, रैखिक गुहा एक सरल संरचना, उच्च दक्षता और आसान हेरफेर जैसे फायदे समेटे हुए है। ऐतिहासिक रूप से, पहला वास्तविक लेजर बीम एफ-पी रैखिक गुहा संरचना का उपयोग करके उत्पन्न किया गया था। विज्ञान और प्रौद्योगिकी में बाद की प्रगति के साथ, एफ-पी संरचना को सेमीकंडक्टर लेजर, फाइबर लेजर और सॉलिड-स्टेट लेजर में व्यापक रूप से अपनाया गया है।

रिंग कैविटी क्लासिक लीनियर कैविटी का एक संशोधन है, जो ऑप्टिकल सिग्नल के चक्रीय प्रवर्धन को प्राप्त करने के लिए स्टैंडिंग-वेव फ़ील्ड को यात्रा तरंगों के साथ बदलकर रैखिक कैविटी के स्थानिक छेद-जलने की कमी पर काबू पाती है। फाइबर-ऑप्टिक उपकरणों के विकास से प्रेरित होकर, लचीली ऑल-फाइबर संरचनाओं वाले फाइबर लेजर ने व्यापक ध्यान आकर्षित किया है और पिछले दो दशकों में लेजर की सबसे तेजी से बढ़ती श्रेणी बन गई है।

नॉन-प्लानर रिंग ऑसिलेटर (एनपीआरओ) लेजर एक विशेष ट्रैवलिंग-वेव लेजर कॉन्फ़िगरेशन का प्रतिनिधित्व करते हैं। आमतौर पर, ऐसे लेज़रों की मुख्य गुहा में एक अखंड क्रिस्टल होता है, जो यूनिडायरेक्शनल लेज़र ऑपरेशन को साकार करने के लिए क्रिस्टल एंड-फेस प्रतिबिंब और एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से लेज़र ध्रुवीकरण स्थिति को नियंत्रित करता है। यह डिज़ाइन लेज़र रेज़ोनेटर के थर्मल लोड को बहुत कम कर देता है, तरंग दैर्ध्य और शक्ति में असाधारण स्थिरता प्रदान करता है, और संकीर्ण लाइनविड्थ विशेषताओं को पेश करता है।

एकल बाह्य-गुहा प्रतिक्रिया विन्यास

अत्यधिक छोटी कैविटी लंबाई और उच्च आंतरिक हानि जैसे कारकों से बाधित, इंट्रा-कैविटी फीडबैक के आधार पर एफ-पी रैखिक कैविटी सिंगल-कैविटी लेजर कॉन्फ़िगरेशन सीमित फोटॉन इंटरेक्शन समय और लाभ माध्यम से सहज उत्सर्जन को खत्म करने में कठिनाई से ग्रस्त हैं। इस समस्या के समाधान के लिए, शोधकर्ताओं ने एकल बाह्य-गुहा फीडबैक कॉन्फ़िगरेशन का प्रस्ताव रखा। बाहरी गुहा फोटॉन इंटरेक्शन समय को बढ़ाने और फ़िल्टर किए गए फोटॉन को मुख्य गुहा में वापस भेजने का कार्य करता है, जिससे लेजर प्रदर्शन को अनुकूलित किया जाता है और लाइनविड्थ को संपीड़ित किया जाता है। स्थानिक प्रकाशिकी पर आधारित प्रारंभिक सरल बाहरी-गुहा संरचनाएं, जैसे कि लिट्रो और लिटमैन कॉन्फ़िगरेशन, लेज़र मुख्य गुहा में शुद्ध लेजर संकेतों को फिर से इंजेक्ट करने के लिए झंझरी की वर्णक्रमीय फैलाव क्षमता का उपयोग करते हैं, लाइनविड्थ संपीड़न प्राप्त करने के लिए मुख्य गुहा पर आवृत्ति खींचते हैं। इस एकल बाह्य-गुहा संरचना को बाद में फ़ाइबर लेज़रों और अर्धचालक लेज़रों तक विस्तारित किया गया।

एकल बाह्य-गुहा फीडबैक लेजर कॉन्फ़िगरेशन की तकनीकी चुनौती बाहरी गुहा और मुख्य गुहा के बीच चरण मिलान में निहित है। अध्ययनों से पता चला है कि बाहरी-गुहा फीडबैक सिग्नल का स्थानिक चरण लेजर थ्रेशोल्ड, आवृत्ति और सापेक्ष आउटपुट पावर निर्धारित करने के लिए महत्वपूर्ण है, और लेजर अनुदैर्ध्य मोड फीडबैक सिग्नल की तीव्रता और चरण के प्रति अत्यधिक संवेदनशील हैं।

डीबीआर लेजर कॉन्फ़िगरेशन

लेजर सिस्टम की स्थिरता को बढ़ाने और तरंग दैर्ध्य-चयनात्मक उपकरणों को मुख्य गुहा संरचना में एकीकृत करने के लिए, डीबीआर कॉन्फ़िगरेशन विकसित किया गया था। एफ-पी रेज़ोनेटर के आधार पर डिज़ाइन किया गया, डीबीआर रेज़ोनेटर ऑप्टिकल फीडबैक प्रदान करने के लिए एफ-पी संरचना के दर्पणों को आवधिक निष्क्रिय ब्रैग संरचनाओं से बदल देता है। लेजर हस्तक्षेप मोड पर ब्रैग संरचना के आवधिक कंघी फ़िल्टरिंग प्रभाव के कारण, डीबीआर मुख्य गुहा में स्वाभाविक रूप से फ़िल्टरिंग विशेषताएं होती हैं। लघु-गुहा संरचना द्वारा वहन की जाने वाली बड़ी अनुदैर्ध्य मोड रिक्ति के साथ संयुक्त, एसएलएम ऑपरेशन आसानी से प्राप्त किया जाता है। यद्यपि आवधिक ब्रैग संरचना मूल रूप से केवल तरंग दैर्ध्य चयन के लिए डिज़ाइन की गई थी, गुहा-संरचना परिप्रेक्ष्य से, यह प्रतिक्रिया सतहों की बढ़ी हुई संख्या के साथ एकल-गुहा संरचना के विकास का भी प्रतिनिधित्व करती है।

लाभ माध्यम द्वारा वर्गीकृत, डीबीआर लेजर में सेमीकंडक्टर लेजर और फाइबर लेजर शामिल हैं। सेमीकंडक्टर सामग्री और माइक्रो-नैनो प्रसंस्करण प्रौद्योगिकियों के साथ निर्माण अनुकूलता में सेमीकंडक्टर लेजर का प्राकृतिक लाभ है। कई सेमीकंडक्टर निर्माण प्रक्रियाएं, जैसे कि सेकेंडरी एपिटैक्सी, रासायनिक वाष्प जमाव, स्टेप फोटोलिथोग्राफी, नैनोइम्प्रिंटिंग, इलेक्ट्रॉन बीम नक़्क़ाशी और आयन नक़्क़ाशी, सीधे सेमीकंडक्टर लेजर के अनुसंधान और निर्माण पर लागू की जा सकती हैं।

डीबीआर फाइबर लेजर डीबीआर सेमीकंडक्टर लेजर की तुलना में बाद में उभरे, जो मुख्य रूप से फाइबर वेवगाइड प्रसंस्करण और उच्च-सांद्रता मल्टी-डोपिंग प्रौद्योगिकियों के विकास द्वारा सीमित थे। वर्तमान में, सामान्य फाइबर वेवगाइड निर्माण तकनीकों में ऑक्सीजन-दोष चरण मास्किंग और फेमटोसेकंड लेजर प्रसंस्करण शामिल है, जबकि उच्च-सांद्रता फाइबर डोपिंग प्रौद्योगिकियों में संशोधित रासायनिक वाष्प जमाव (एमसीवीडी) और सतह प्लाज्मा रासायनिक वाष्प जमाव (एससीवीडी) शामिल हैं।

डीएफबी लेजर कॉन्फ़िगरेशन

ब्रैग झंझरी पर आधारित एक अन्य अनुनादक संरचना डीएफबी विन्यास है। डीएफबी लेजर मुख्य गुहा ब्रैग संरचना को सक्रिय क्षेत्र के साथ एकीकृत करता है और तरंग दैर्ध्य चयन के लिए संरचना के केंद्र में एक चरण-शिफ्ट क्षेत्र पेश करता है। जैसा कि चित्र 3 (बी) में दिखाया गया है, इस कॉन्फ़िगरेशन में उच्च स्तर का एकीकरण और संरचनात्मक एकता है, और डीबीआर संरचनाओं में गंभीर तरंग दैर्ध्य बहाव और मोड हॉपिंग जैसे मुद्दों को कम करता है, जिससे यह वर्तमान चरण में सबसे स्थिर और व्यावहारिक लेजर कॉन्फ़िगरेशन बन जाता है।

डीएफबी लेजर की तकनीकी चुनौती झंझरी संरचनाओं के निर्माण में निहित है। डीबीआर सेमीकंडक्टर लेज़रों में ग्रेटिंग निर्माण के लिए दो प्राथमिक विधियाँ हैं: द्वितीयक एपिटेक्सी और सतह नक़्क़ाशी। रीग्रोन ग्रेटिंग फीडबैक (आरजीएफ)-डीएफबी सेमीकंडक्टर लेजर सक्रिय क्षेत्र में कम-अपवर्तक-सूचकांक ग्रेटिंग का एक सेट विकसित करने के लिए माध्यमिक एपिटेक्सी और फोटोलिथोग्राफी का उपयोग करते हैं। यह विधि कम नुकसान के साथ सक्रिय परत संरचना को संरक्षित करती है, जिससे उच्च-क्यू अनुनादकों के निर्माण की सुविधा मिलती है। सरफेस ग्रेटिंग (एसजी)-डीएफबी सेमीकंडक्टर लेजर में सक्रिय क्षेत्र की सतह पर ग्रेटिंग परत को सीधे खोदना शामिल होता है। यह दृष्टिकोण अधिक जटिल है, सक्रिय क्षेत्र सामग्री और डोपिंग आयनों के अनुसार सटीक समायोजन की आवश्यकता होती है, और उच्च हानि प्रदर्शित करता है, फिर भी मजबूत ऑप्टिकल कारावास और उच्च मोड दमन क्षमता प्रदान करता है।

डीबीआर फाइबर लेजर के समान, डीएफबी फाइबर लेजर फाइबर वेवगाइड प्रसंस्करण और उच्च-सांद्रता वाले डोप्ड फाइबर प्रौद्योगिकियों में प्रगति पर निर्भर करते हैं। डीबीआर फाइबर लेजर की तुलना में, डीएफबी फाइबर लेजर दुर्लभ-पृथ्वी आयनों की तरंग दैर्ध्य अवशोषण विशेषताओं के कारण झंझरी निर्माण में अधिक चुनौतियां पेश करता है।

समग्र प्रतिक्रिया बाहरी गुहा

डीएफबी और डीबीआर जैसे शॉर्ट-कैविटी मेन-कैविटी लेजर में इंट्रा-कैविटी फोटॉन इंटरेक्शन समय सीमित होता है, जिससे गहरी लाइनविड्थ संपीड़न मुश्किल हो जाता है। लाइनविड्थ को और अधिक संपीड़ित करने और शोर को दबाने के लिए, ऐसे लघु-गुहा मुख्य-गुहा कॉन्फ़िगरेशन को अक्सर प्रदर्शन अनुकूलन के लिए बाहरी-गुहा संरचनाओं के साथ जोड़ा जाता है। सामान्य बाह्य-गुहा संरचनाओं में स्थानिक बाहरी गुहाएं, फाइबर बाहरी गुहाएं और वेवगाइड बाहरी गुहाएं शामिल हैं। फाइबर-ऑप्टिक उपकरणों और वेवगाइड संरचनाओं के विकास से पहले, बाहरी गुहाएं मुख्य रूप से अलग-अलग ऑप्टिकल घटकों के साथ संयुक्त स्थानिक प्रकाशिकी से बनी होती थीं। इनमें से, झंझरी-आधारित स्थानिक बाहरी-गुहा प्रतिक्रिया संरचनाएं मुख्य रूप से लिट्रो और लिटमैन डिज़ाइन को अपनाती हैं, जिसमें आमतौर पर एक लेजर गेन कैविटी, युग्मन लेंस और एक विवर्तन झंझरी शामिल होती है। प्रतिक्रिया तत्व के रूप में झंझरी, तरंग दैर्ध्य ट्यूनिंग, मोड चयन और लाइनविथ संपीड़न को सक्षम बनाती है।

इसके अलावा, स्थानिक बाहरी-गुहा प्रतिक्रिया संरचनाएं ऑप्टिकल फ़िल्टरिंग उपकरणों की एक श्रृंखला को शामिल कर सकती हैं, जैसे कि एफ-पी एटालॉन, एकोस्टो-ऑप्टिक/इलेक्ट्रो-ऑप्टिक ट्यून करने योग्य फिल्टर और इंटरफेरोमीटर। इन फ़िल्टरिंग उपकरणों में स्वाभाविक रूप से मोड-चयन क्षमताएं होती हैं और ये झंझरी की जगह ले सकते हैं; कुछ उच्च-क्यू एफ-पी एटालॉन वर्णक्रमीय संकुचन और लाइनविड्थ संपीड़न में परावर्तक झंझरी से भी बेहतर प्रदर्शन करते हैं।

फाइबर-ऑप्टिक डिवाइस प्रौद्योगिकी की प्रगति के साथ, अत्यधिक एकीकृत, मजबूत फाइबर वेवगाइड या फाइबर उपकरणों के साथ स्थानिक ऑप्टिकल संरचनाओं को बदलना लेजर सिस्टम स्थिरता में सुधार के लिए एक प्रभावी रणनीति का प्रतिनिधित्व करता है। फाइबर बाहरी गुहाओं का निर्माण आमतौर पर फाइबर उपकरणों को जोड़कर एक पूर्ण-फाइबर संरचना बनाने के लिए किया जाता है, जो उच्च एकीकरण, रखरखाव में आसानी और हस्तक्षेप के प्रति मजबूत प्रतिरक्षा प्रदान करता है। फाइबर बाहरी-गुहा फीडबैक संरचनाएं सरल फाइबर लूप फीडबैक, या ऑल-फाइबर रेज़ोनेटर, एफबीजी, फाइबर एफपी कैविटी और डब्लूजीएम रेज़ोनेटर हो सकती हैं।

एकीकृत वेवगाइड बाहरी-गुहा प्रतिक्रिया संरचनाओं के साथ संकीर्ण लाइनविड्थ लेजर ने अपने छोटे पैकेज आकार और अधिक स्थिर प्रदर्शन के कारण व्यापक ध्यान आकर्षित किया है। अनिवार्य रूप से, वेवगाइड बाहरी-गुहा प्रतिक्रिया फाइबर बाहरी-गुहा प्रतिक्रिया के समान तकनीकी सिद्धांतों का पालन करती है, लेकिन अर्धचालक सामग्री और माइक्रो-नैनो प्रसंस्करण प्रौद्योगिकियों की विविधता अधिक कॉम्पैक्ट और स्थिर लेजर सिस्टम को सक्षम करती है, जो वेवगाइड बाहरी-गुहा प्रतिक्रिया संकीर्ण लाइनविड्थ लेजर की व्यावहारिकता को बढ़ाती है। आमतौर पर उपयोग की जाने वाली अर्धचालक लेजर सामग्री में Si, Si₃N₄, और III-V यौगिक शामिल हैं।

ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक ऑसीलेशन लेजर कॉन्फ़िगरेशन

ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक ऑसिलेशन लेजर कॉन्फ़िगरेशन एक विशेष फीडबैक लेजर आर्किटेक्चर है, जहां फीडबैक सिग्नल आमतौर पर एक विद्युत सिग्नल या एक साथ ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक फीडबैक होता है। लेजर पर लागू सबसे प्रारंभिक ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक फीडबैक तकनीक पीडीएच आवृत्ति स्थिरीकरण तकनीक थी, जो गुहा की लंबाई को समायोजित करने और लेजर आवृत्ति को संदर्भ स्पेक्ट्रा, जैसे उच्च-क्यू अनुनादक मोड और शीत-परमाणु अवशोषण लाइनों को लॉक करने के लिए विद्युत नकारात्मक प्रतिक्रिया का उपयोग करती है। नकारात्मक फीडबैक ट्यूनिंग के माध्यम से, लेजर रेज़ोनेटर वास्तविक समय में लेजर ऑपरेटिंग स्थिति से मेल खा सकता है, जिससे आवृत्ति अस्थिरता को 10⁻¹⁷ के क्रम तक कम किया जा सकता है। हालाँकि, विद्युत प्रतिक्रिया महत्वपूर्ण सीमाओं से ग्रस्त है, जिसमें धीमी प्रतिक्रिया गति और व्यापक सर्किटरी वाले अत्यधिक जटिल सर्वो सिस्टम शामिल हैं। इन कारकों के परिणामस्वरूप उच्च तकनीकी कठिनाई, कठोर नियंत्रण परिशुद्धता और लेजर सिस्टम की उच्च लागत होती है। इसके अलावा, संदर्भ स्रोतों पर सिस्टम की मजबूत निर्भरता लेजर तरंग दैर्ध्य को विशिष्ट आवृत्ति बिंदुओं तक सीमित कर देती है, जिससे इसकी व्यावहारिक प्रयोज्यता और भी सीमित हो जाती है।