波導激光器

固體、液體、氣體、半導體等工作物質都可以做成波導激光器，其中較為成熟的是CO₂波導激光器。CO₂激光器的波導管是內徑很細（約1nm）、內表面很光滑的空心導管，可以是圓形或方形，通常用氧化鈹（BeO）陶瓷做成。波導管只允許低階模通過，對高階模的損耗很大，故輸出激光的光束質量很好。CO₂波導激光器的工作氣體是CO₂，輔助氣體為N₂、He、Xe，工作氣壓高達上百託。由於氣壓高，增益大，每立方厘米激光工作物質輸出功率可達10瓦以上，是普通CO₂激光器的25倍，為器件小型化提供了條件，即小型化是CO₂波導激光器的一個特點。連續CO₂波導激光器的典型數據為：圓形波導管，內徑1.5mm，放電長度195mm，平凹諧振腔，輸出鏡透射率8%，氣壓比CO₂∶N₂∶He∶Xe=1∶0.9∶3.6∶0.3，輸出激光功率達4.1W。

波導CO₂激光器的結構如圖1和圖2所示。它的基本結構與普通CO₂激光器相同，也是由放電管、賠氣室、回氣管、水冷系統、諧振腔、電極等組成。與普通激光器相比，它的主要不同點是放電管採用波導，故稱波導激光器。所謂波導，在微波技術中是指用來引導電磁波的器件。激光器所用的波導是波導管，也就是內表面很光且孔徑很小的空心導管，它可以把沿軸向傳播的光由波導管一端低損耗地傳輸到另一端。

在波導激光器中，充以激活物質的波導管構成腔的激活區，它提供激光振盪必需的增益。但與其他類型的激光器一樣，為了形成振盪，還必須提供足夠的正反饋。通常採用下述方法來獲得有效的光學反饋：

獲得光學反饋的最常用的方法是在波導管兩端放置平面或球面反射鏡。和通常的內腔式激光器一樣，可以將反射鏡直接貼在波導管兩端。這是一種有效的耦合方式。還可以和通常的外腔式激光器一樣，反射鏡與波導管口之間隔着一段距離，這時耦合效率與反射鏡到波導管的距離、反射鏡的曲率半徑、波導管的內徑以及反射鏡橫向尺寸等都有關係。如圖3所示，使波導管的結構在空間上發生週期性變化，例如將波導管管壁做成波紋狀、將波導管內壁作成“搓板狀”、或者在波導管內壁上刻蝕光柵等，當波導管的空間變化週期與工作波長之間滿足布拉格條件時，利用布拉格散射的反向光波可以實現有效的光反饋。這種反饋又分兩種情況，反向散射光發生在激活介質所在區域內的，稱為分佈反饋（DFB），反向散射光發生在激活介質區域外的，稱為布喇格分佈反饋（DBR）。後者在工藝上比較容易實現，而且對波導模本身擾動小，應用起來更加方便。

如圖4所示，環形結構的波導激光器與普通環形光學諧振腔類似 ^[2]  。

普通縱向CO₂激光器的放電管直徑一般都在5毫米以上，而CO₂波導激光器的放電管直徑要小得多，一般在1～2毫米之間。

普通縱向放電CO₂激光器的放電管內徑在1釐米以上時，工作氣壓在20託左右，而對於放電管為1.5毫米左右的CO₂波導激光器的工作氣壓應在300託左右。

由於波導激光器的氣壓高，譜線增益帶寬主要取決於壓力增寬，氣壓在300託時，壓力加寬寬度可達1500兆赫，比普通激光器的50兆赫提高了30倍。因此用它作調頻激光器，可調諧範圍將大大增加。例如國內生產的一種波長可調CO₂波導激光器，用方孔BeO波導，尺寸為1.5×1.5×150mm，總氣壓135託，氣壓比為CO₂∶N₂∶He∶Xe=2∶1∶13∶1，平-凹腔，透過率為5%，用光柵調諧，諧調寬度可達470兆赫，連續輸出功率為740毫瓦。

對CO₂波導激光器而言，每立方厘米輸出功率可達10瓦以上，為普通CO₂激光器的25倍。這有利於器件緊湊和小型化。例如有一連續波導激光器，圓形玻璃波導管，內徑為1.5毫米，放電長度195毫米，採用平凹諧振腔，在輸出鏡透過率為8%，氣壓比為CO₂∶N₂∶He∶Xe=1∶0.9∶3.6∶0.3條件下，最大輸出功率可達4.1瓦。又如一高頻橫向激勵的CO₂波導激光器，尺寸為2×2×150mm的方孔BeO波導，在總氣壓130託，氣壓比為CO₂∶N₂∶He∶Xe=1∶0.3∶4.2∶0.2條件下，可得連續輸出功率2.8瓦。

在半導體激光器內，在垂直於PN結的方向上，光學模式和注入的載流子均受異質結構層的限制。絕大多數的應用要求結平面方向的發光寬度不要比垂直方向的發光寬度大太多。這就要求特別注意器件設計和製作技術，旨在提供結平面方向的光限制和載流子限制，使發光寬度小於5~10μm。在結平面方向具有光限制和載流子限制的激光器屬於條形激光器(Casey and Panish，1978)。

條形激光器分為兩類，即增益波導激光器和折射率波導激光器。折射率波導激光器，利用附加異質結構或有源層厚度的變化，在有源層平面上形成一個限制光學模式的折射率凸變。因為製作窄(<3μm)介質波導的技術難度很高，所以早期的器件具有增益波導結構，如圖5所示。有限的接觸面積使注入的載流子局域化，主要集中在接觸面積之下的整個腔長，(典型值為~250μm)和寬度為20~30μm的條形區域內。因此，只是在這個條形區域內產生光增益，而在條形區域外仍然具有光損耗。在窄條形激光器中只存在最低階模式。然而，由於有源層的組分或厚度變化造成的半導體材料的光學性質不均勻，以及載流子分佈引起的折射率凹變，光功率可能散射出最低階模式。雖然這種激光器的精巧設計和細心製作已經獲得了實用化的GaAI-As短波長器件，但是InGaAsP固有的嚴重問題使這種材料的增益波導激光器更難於最佳化。此外，InGaAsP增益波導激光器與結構相同的GaAlAs器件相比，有效工作的温度範圍較窄 ^[3]  。