波导激光器

波导激光器是谐振腔内激光传播和振荡的模式由波导理论来确定的激光器。

波导激光器简介

固体、液体、气体、半导体等工作物质都可以做成波导激光器，其中较为成熟的是CO2波导激光器。CO2激光器的波导管是内径很细（约1nm）、内表面很光滑的空心导管，可以是圆形或方形，通常用氧化铍（BeO）陶瓷做成。波导管只允许低阶模通过，对高阶模的损耗很大，故输出激光的光束质量很好。CO2波导激光器的工作气体是CO2，辅助气体为N2、He、Xe，工作气压高达上百托。由于气压高，增益大，每立方厘米激光工作物质输出功率可达10瓦以上，是普通CO2激光器的25倍，为器件小型化提供了条件，即小型化是CO2波导激光器的一个特点。连续CO2波导激光器的典型数据为：圆形波导管，内径1.5mm，放电长度195mm，平凹谐振腔，输出镜透射率8%，气压比CO2∶N2∶He∶Xe=1∶0.9∶3.6∶0.3，输出激光功率达4.1W。

波导C02激光器的结构

波导CO2激光器的结构如图1和图2所示。它的基本结构与普通CO2激光器相同，也是由放电管、赔气室、回气管、水冷系统、谐振腔、电极等组成。与普通激光器相比，它的主要不同点是放电管采用波导，故称波导激光器。所谓波导，在微波技术中是指用来引导电磁波的器件。激光器所用的波导是波导管，也就是内表面很光且孔径很小的空心导管，它可以把沿轴向传播的光由波导管一端低损耗地传输到另一端。

在波导激光器中，充以激活物质的波导管构成腔的激活区，它提供激光振荡必需的增益。但与其他类型的激光器一样，为了形成振荡，还必须提供足够的正反馈。通常采用下述方法来获得有效的光学反馈：

F-P谐振腔

获得光学反馈的最常用的方法是在波导管两端放置平面或球面反射镜。和通常的内腔式激光器一样，可以将反射镜直接贴在波导管两端。这是一种有效的耦合方式。还可以和通常的外腔式激光器一样，反射镜与波导管口之间隔着一段距离，这时耦合效率与反射镜到波导管的距离、反射镜的曲率半径、波导管的内径以及反射镜横向尺寸等都有关系。如图3所示，使波导管的结构在空间上发生周期性变化，例如将波导管管壁做成波纹状、将波导管内壁作成“搓板状”、或者在波导管内壁上刻蚀光栅等，当波导管的空间变化周期与工作波长之间满足布拉格条件时，利用布拉格散射的反向光波可以实现有效的光反馈。这种反馈又分两种情况，反向散射光发生在激活介质所在区域内的，称为分布反馈（DFB），反向散射光发生在激活介质区域外的，称为布喇格分布反馈（DBR）。后者在工艺上比较容易实现，而且对波导模本身扰动小，应用起来更加方便。

环形结构

如图4所示，环形结构的波导激光器与普通环形光学谐振腔类似。

CO₂波导激光器的特点

放电管内径小

普通纵向CO2激光器的放电管直径一般都在5毫米以上，而CO2波导激光器的放电管直径要小得多，一般在1～2毫米之间。

工作气压较高

普通纵向放电CO2激光器的放电管内径在1厘米以上时，工作气压在20托左右，而对于放电管为1.5毫米左右的CO2波导激光器的工作气压应在300托左右。

谱线加宽、频率可调谐范围增加

由于波导激光器的气压高，谱线增益带宽主要取决于压力增宽，气压在300托时，压力加宽宽度可达1500兆赫，比普通激光器的50兆赫提高了30倍。因此用它作调频激光器，可调谐范围将大大增加。例如国内生产的一种波长可调CO2波导激光器，用方孔BeO波导，尺寸为1.5×1.5×150mm，总气压135托，气压比为CO2∶N2∶He∶Xe=2∶1∶13∶1，平-凹腔，透过率为5%，用光栅调谐，谐调宽度可达470兆赫，连续输出功率为740毫瓦。

输出功率密度可提高

对CO2波导激光器而言，每立方厘米输出功率可达10瓦以上，为普通CO2激光器的25倍。这有利于器件紧凑和小型化。例如有一连续波导激光器，圆形玻璃波导管，内径为1.5毫米，放电长度195毫米，采用平凹谐振腔，在输出镜透过率为8%，气压比为CO2∶N2∶He∶Xe=1∶0.9∶3.6∶0.3条件下，最大输出功率可达4.1瓦。又如一高频横向激励的CO2波导激光器，尺寸为2×2×150mm的方孔BeO波导，在总气压130托，气压比为CO2∶N2∶He∶Xe=1∶0.3∶4.2∶0.2条件下，可得连续输出功率2.8瓦。

增益波导激光器

在半导体激光器内，在垂直于PN结的方向上，光学模式和注入的载流子均受异质结构层的限制。绝大多数的应用要求结平面方向的发光宽度不要比垂直方向的发光宽度大太多。这就要求特别注意器件设计和制作技术，旨在提供结平面方向的光限制和载流子限制，使发光宽度小于5~10μm。在结平面方向具有光限制和载流子限制的激光器属于条形激光器(Casey and Panish，1978)。

条形激光器分为两类，即增益波导激光器和折射率波导激光器。折射率波导激光器，利用附加异质结构或有源层厚度的变化，在有源层平面上形成一个限制光学模式的折射率凸变。因为制作窄(<3μm)介质波导的技术难度很高，所以早期的器件具有增益波导结构，如图5所示。有限的接触面积使注入的载流子局域化，主要集中在接触面积之下的整个腔长，(典型值为~250μm)和宽度为20~30μm的条形区域内。因此，只是在这个条形区域内产生光增益，而在条形区域外仍然具有光损耗。在窄条形激光器中只存在最低阶模式。然而，由于有源层的组分或厚度变化造成的半导体材料的光学性质不均匀，以及载流子分布引起的折射率凹变，光功率可能散射出最低阶模式。虽然这种激光器的精巧设计和细心制作已经获得了实用化的GaAI-As短波长器件，但是InGaAsP固有的严重问题使这种材料的增益波导激光器更难于最佳化。此外，InGaAsP增益波导激光器与结构相同的GaAlAs器件相比，有效工作的温度范围较窄。

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