Μελέτη φίλτρων Bragg grating και η επίδραση των χαρακτηριστικών τους σε laser εξωτερικής κοιλότητας

Abstract

Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι να παρουσιάσει στον αναγνώστη τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά των φίλτρων Bragg gratings και τον τρόπο που αυτά επηρεάζουν τη λειτουργία και τα χαρακτηριστικά των lasers εξωτερικής κοιλότητας. Πιο συγκεκριμένα, η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στις επιδράσεις που ασκούν τα φράγματα Bragg όταν παίζουν το ρόλο του καθρέπτη στην κοιλότητα ενός laser. Το πρώτο κεφάλαιο αναφέρεται γενικά στα lasers και περιέχει μία σύντομη εισαγωγή της οποίας έπεται μία ιστορική αναδρομή. Το δεύτερο κεφάλαιο αναλύει τα χαρακτηριστικά της λειτουργίας ενός laser εξωτερικής κοιλότητας. Αρχικά, παρουσιάζεται ο μηχανισμός ενίσχυσης του laser. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται διεξοδικά η διαδικασία της άντλησης και της αναστροφής πληθυσμών. Ένα μεγάλο μέρος του κεφαλαίου αφιερώνεται στους καθρέπτες του laser. Στο συγκεκριμένο κομμάτι παρουσιάζεται λεπτομερώς η απλή διηλεκτρική επιφάνεια και τα χαρακτηριστικά της, οι διηλεκτρικοί καθρέπτες πολλαπλών επιπέδων και οι βασικές ιδιότητες τους και ο τρόπος ορισμού των επιπέδων αναφοράς των καθρεπτών. Το σημαντικότερο τμήμα του δεύτερου κεφαλαίου είναι αυτό που αναφέρεται στις κοιλότητες του laser. Αρχικά, παρουσιάζονται διεξοδικά οι σταθερές κοιλότητες ενός laser και στη συνέχεια παρουσιάζονται οι ασταθείς κοιλότητες ενός laser. Ιδιαίτερη αναφορά πραγματοποιείται στο εύρος ζώνης, τη διακριτική ικανότητα και τη λεπτότητα του laser. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με αναλυτική παρουσίαση του τρόπου συντονισμού της οπτικής κοιλότητας. Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στα φράγματα Bragg. Αρχικά, παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης της λειτουργίας ενός φράγματος Bragg. Κατόπιν παρουσιάζεται διεξοδικά ο τρόπος σύνθεσης ενός φράγματος Bragg, χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο Layer Peeling. Το μεγαλύτερο μέρος του κεφαλαίου αναλώνεται στην παρουσίαση των τεχνικών με βάση τις οποίες κατασκευάζονται τα φράγματα Bragg. Αρχικά, παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία κατασκευής ενός φράγματος Bragg πολυμερούς κυματοδηγού με χρήση μαλακής φωτολιθογραφίας. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται διεξοδικά η τεχνική κατασκευής που βασίζεται στη χρήση μάσκας φάσης. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την παρουσίαση διαφόρων τεχνικών κατασκευής συνεχούς φράγματος. Το τέταρτο κεφάλαιο είναι το πιο σημαντικό τμήμα της παρούσας μελέτης. Αρχικά, παρουσιάζεται με κάθε λεπτομέρεια η μοντελοποίηση, ο τρόπος λειτουργίας, οι βασικές παράμετροι και τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά ενός φράγματος Bragg που παίζει το ρόλο του καθρέπτη. Κατόπιν, παρουσιάζονται οι διάφοροι τύποι καθρεπτών Bragg. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την πραγματοποίηση μίας προσομοίωσης που μελετά την επίδραση ενός Bragg grating φίλτρου στη λειτουργία ενός laser εξωτερικής κοιλότητας. Το κομμάτι αυτό είναι το σημαντικότερο της παρούσας εργασίας και πραγματοποιείται κάνοντας χρήση ενός προγράμματος προσομοίωσης. Το πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο της μελέτης περιέχει τα συμπεράσματα που προέκυψαν καθώς και μερικές προτάσεις για μελλοντική έρευνα.

The purpose of this thesis is to present to the reader the specifications of Bragg grating filters and the way they affect the operation and the characteristics of external cavity lasers. More specifically, the present study focuses on the influence of Bragg grating when they act as the mirror in the cavity of a laser. The first chapter refers generally to lasers and contains a brief introduction followed by a historical overview. The second chapter analyzes the operational characteristics of an external cavity laser. Initially, is presented the amplification mechanism of the laser. Following is presented in detail the pumping process and the population inversion. A large part of this chapter is spent to laser mirrors. In this part, is presented in detail the simple dielectric surface and its characteristics, the multi-level dielectric mirrors and their basic properties and the way to define reference levels for the mirrors. The major section of the second chapter refers to laser cavities. Initially are presented thoroughly the fixed cavities of a laser and then are presented the unstable cavities of a laser. A particular reference is made to the bandwidth, the resolving power and the sensitivity of a laser. The chapter concludes with a detailed presentation of the resonant mode of an optical cavity. The third chapter deals with Bragg gratings. Initially, is presented the way of modeling the operation of a Bragg grating. Then presented in detail the composition process of a Bragg grating with the using the Layer Peeling algorithm. The main part of this chapter is spent in presenting techniques for the construction of Bragg gratings. Initially, is presented the manufacturing process of a polymer waveguide Bragg grating using soft photolithography. Then is made reference to the manufacturing technique based on the use of a phase mask. The chapter concludes with the presentation of various manufacturing techniques for continuous Bragg gratings. The fourth chapter is the most important chapter of this thesis. Initially are presented in detail the modeling, the operation modes, the parameters and the major features of a Bragg grating that acts as the mirror of an external cavity laser. Following are presented the various types of Bragg mirrors. The chapter concludes by performing a simulation in order to study the effect of a Bragg grating filter in the function of an external cavity laser. This part is the most important of this thesis and it is performed using a simulation program. The fifth and final chapter of this study contains the conclusions and some suggestions for future research.