Secara teoritis, laser lebar garis sempit adalah frekuensi tunggal, yaitu mode transversal tunggal, mode longitudinal tunggal, sesuai dengan output laser spektral tunggal dalam domain frekuensi yang dihasilkan hanya oleh radiasi terstimulasi koheren, naik dan turunnya pembawa intracavity, fase optik dan foton Kepadatan berada dalam keadaan stabil, dengan intensitas kebisingan relatif rendah dan kebisingan frekuensi rendah, dll., dan pada saat yang sama, panjang gelombang eksitasi memiliki rasio penekanan mode samping yang sangat tinggi.
Namun, dalam praktiknya, karena radiasi spontan yang tidak dapat dihilangkan di wilayah aktif, efek gangguan fase dan intensitas diperkenalkan dalam mode radiasi tereksitasi, membuat frekuensi sinyal keluaran laser selalu white noise Gaussian, yang mengarah ke Lorentzian intrinsik. pelebaran tipe garis dari spektrum frekuensi laser tunggal, dan lebar selubung spektrum tertentu, dan fluktuasi kebisingan kuantum ini menentukan batas bawah lebar garis laser. Fluktuasi kecil ini mudah ditutupi oleh fluktuasi yang lebih besar yang disebabkan oleh perubahan mekanis/akustik atau perubahan termal di lingkungan eksternal, yang mengakibatkan pelebaran garis laser secara terus-menerus, dan efek kebisingan klasik ini menentukan batas atas lebar garis laser. Linewidth menggambarkan frekuensi atau gangguan fase dari perspektif domain frekuensi, dan lebar garis yang lebih sempit berarti frekuensi laser atau gangguan fase yang lebih rendah.
Lebar garis berkorelasi positif dengan koefisien radiasi spontan laser dan faktor penyebaran lebar garis; dan berkorelasi negatif dengan panjang rongga resonansi dan daya keluaran laser. Semakin panjang rongga laser, semakin kecil kehilangan intracavity, semakin tinggi reflektifitas ujung, semakin lama masa pakai foton; semakin tinggi daya keluarannya, semakin rendah proporsi radiasi spontan. Oleh karena itu, menambah panjang dan daya rongga merupakan cara efektif untuk mengompresi lebar garis laser mode longitudinal tunggal.
Premis dasar keluaran laser lebar garis sempit adalah untuk mencapai keluaran mode memanjang tunggal, laser semikonduktor lebar garis sempit biasanya diintegrasikan dalam struktur pemilihan frekuensi rongga resonansi atau digabungkan dengan perangkat pemilihan mode di luar rongga, untuk memberikan umpan balik optik pada frekuensi tertentu. , ketika lebar pita sandi perangkat pemilihan frekuensi kurang dari 2 kali jarak mode longitudinal, Anda dapat secara efektif mengontrol penguatan dan kehilangan mode longitudinal yang berbeda, untuk memastikan bahwa bandwidth penguatan laser dalam penguatan efektif hanya satu longitudinal tunggal mode Eksitasi diperoleh hanya untuk mode longitudinal tunggal dalam bandwidth penguatan efektif laser.
Menurut struktur pemilihan frekuensi berbeda yang didistribusikan di dalam dan di luar rongga aktif, laser semikonduktor lebar garis sempit umumnya dikategorikan ke dalam jenis laser umpan balik rongga internal dan laser jenis umpan balik rongga eksternal.
Laser semikonduktor lebar garis sempit umpan balik rongga internal biasanya mengintegrasikan kisi Bragg atau struktur pandu gelombang khusus di dalam rongga aktif, seperti laser semikonduktor Umpan Balik Terdistribusi (DFB), laser semikonduktor Reflektor Bragg Terdistribusi (DBR), dan laser semikonduktor rongga berpasangan. Laser semikonduktor DFB, DBR, dan rongga berpasangan. Doping lapisan pandu gelombang dalam rongga aktif yang panjang menyebabkan peningkatan kehilangan optik secara dramatis, yang membatasi kekuatan laser, membatasi peningkatan panjang rongga aktif, dan menyebabkan terbatasnya kompresi lebar garis laser. Laser DFB dan DBR yang khas biasanya menggunakan struktur kisi Bragg umpan balik yang seragam atau terdistribusi dengan pergeseran fasa sebagai rongga resonansi, dengan ukuran chip terbatas pada urutan seratus mikron, faktor kualitas kecil untuk rongga resonansi, daya keluaran rendah, dan lebar garis laser di dalamnya. rentang beberapa MHz hingga puluhan MHz.
Eksternal Cavity Diode Laser (ECDL) dibagi menjadi dua bagian, yaitu rongga internal aktif untuk memberikan penguatan dan rongga eksternal pasif untuk memberikan umpan balik. Cahaya yang dipancarkan dari media penguatan aktif diumpankan kembali ke media penguatan setelah melewati media eksternal pasif dengan kerugian rendah, sedangkan pengenalan rongga eksternal pasif dengan kerugian rendah meningkatkan masa pakai foton sistem, sehingga mempersempit lebar garis. Perlu dicatat bahwa rongga eksternal laser semikonduktor lebar garis sempit adalah konsep yang luas, dalam arti sempit, hanya bila rongga aktif untuk rongga non-resonansi, yang dikenal sebagai struktur rongga eksternal, seperti penguat optik semikonduktor reflektif (Reflective Semiconductor Penguat Optik (RSOA) permukaan depan terbuat dari film reflektif, permukaan belakang produksi membran transmitansi tinggi (reflektivitas permukaan ujung umumnya 10-3 ~10-5).
Karena umpan balik optik bagian belakang terlalu kecil, rongga tidak dapat membentuk osilasi optik, jadi hanya di luar rongga untuk memberikan umpan balik optik yang cukup tinggi, sehingga penguatan optik dalam proses bolak-balik jalur sinar laser di dalam rongga lebih tinggi daripada kehilangan optik, untuk membentuk eksitasi; situasi lainnya adalah rongga aktif untuk eksitasi independen laser, yang dikenal sebagai struktur injeksi mandiri, pemilihan panjang gelombang tertentu dari mode longitudinal yang disuntikkan ke dalam laser, menghasilkan mode longitudinal dalam mode persaingan dalam prioritas resonansi, saturasi prioritas tercapai, menyebabkan profil penguatan di wilayah aktif menurun. Namun, keduanya "dikunci" pada frekuensi keluaran rongga resonansi dengan memperpanjang panjang rongga laser dan menyuntikkan frekuensi laser yang dipilih ke dalam rongga resonansi melalui elemen umpan balik pita sempit, dan gagasan inti untuk mendapatkan lebar garis yang lebih sempit adalah sama di kedua kasus.
Chip Pandu Gelombang Cahaya Planar (PLC) adalah aplikasi penting dari teknologi integrasi fotonik, yang memberikan pilihan yang lebih beragam dan fleksibel untuk penyaringan pita sempit dan perangkat umpan balik optik dalam laser semikonduktor umpan balik rongga eksternal. Dengan membuat struktur pandu gelombang, kisi, atau cincin mikro pada bahan berbasis silikon dengan kehilangan optik rendah, seperti Silicon on Insulator (SOI), Silicon Dioxide (SiO2) atau Silicon Nitride (Si3N4), lalu digabungkan dan diintegrasikan dengan III- V chip penguatan semikonduktor, RSOA atau DFB melalui transduser mode-spot atau lensa mikro, PLC dapat meningkatkan kerapatan fotonik foton di dalam rongga sambil mempertimbangkan kepadatan rongga. Penggandengan dan integrasi dengan chip gainer semikonduktor III-V, RSOA atau DFB melalui konverter titik mode atau lensa mikro dapat meningkatkan masa pakai foton dan memampatkan lebar garis laser sambil mempertimbangkan kepadatan foton rongga. Selain itu, struktur kuasi-monolitik dapat dibentuk dengan memasang keduanya pada unit pendingin yang sama melalui proses pengikatan, yang membantu mengurangi ukuran dan biaya perangkat.
Kelompok Tuan Chang Lin di Universitas Peking telah merealisasikan laser lebar garis sempit terintegrasi hibrida lebar garis ultra-sempit, dengan bagian aktifnya adalah laser DFB, bagian penyaringan pasifnya adalah cincin mikro Si3N4 dengan faktor kualitas 2,6 × 1{{ 8}}8, dan struktur pandu gelombang silikon nitrida batas rendah telah mengurangi kehilangan transmisi optik hingga 0,1 dB/m, yang pada akhirnya menghasilkan keluaran lebar garis skala Hz.
