1、第37卷第6期2022年12月光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGYAPPLICATIONVol.37，No.6December，20221波导激光器发展史根据芯层和包层的折射率之差，大体可以把波导激光器分为两类。一类波导激光器的芯层的折射率比包层的低，第二类与之相反。第一类波导激光器包括气体波导激光器和空芯光纤气体激光器（hollow-core optical fiber gas lasers,HOFGLAS）1。气体波导激光器的产生通常会被追溯到1964年，当时MARCATILI和SCHMELTZER发表文章分析了空芯圆形介质或者金属波导内简正模的场结构和传播常数，并
2、认为该种空芯波导可用于长距离的光传输和激光的产生2。1971年Bell Telephone Laboratories的SMITH P W在空芯介质波导内填充He-Ne气体，设计和制作了第一台气体波导激光器。工作波长为632.8 nm波长，输出功率为1 mW3。1972年，SMITH P W等人在空芯介质波导内填充CO2：He：Ne气体，成功研制了第一台CO2波导激光器。在-70 时，波导管长度为12.5 cm、有效容积为0.096 cm3的激光器可以获得1.4 W的功率输出4。1978年加拿大国防研究机构LACHAMBRE J-L等人报道了一种具有横向射频抽运的无电极 CO2波导激光器。在RF
3、 CW模式下，激光在100 Torr时发出0.6 W的光。在RF脉冲模式下，实现了脉冲持续时间为20 s、重复率为300 Hz、峰值功率为几瓦的大气运行5。在此基础上出现了许多新型的波导CO2激光器6-7。俄罗斯Plazma JSC公司生产的紧凑型CO2波导激光器（LCD系列）可以工作在一个固定的发射波长或在波长可变模式。可用于激光雷达系统，特别是用于小型物体的观察和环境监测8。常见的基于放电的气体激光器也可以提供极高的平均（CW，200 kWCO激光）和脉冲光输出（1.5 kJ），得益于高损伤阈值和特定于气体（例如气体流动）的热减缓技术9。激光技术 波导激光器的研究进展与展望张建心1，杜飞1
4、，孙海竹1，刘佳玉1，李森森2，樊心民1*（1.潍坊学院 物理与光电工程学院，山东 潍坊；2.光电信息控制和安全技术重点实验室，天津）摘要：首先综述了气体波导激光器、空芯光纤气体激光器和固态波导激光器的发展史，然后分别介绍两类激光器的工作原理，最后根据两类激光器的发展现状对未来的研究进行了展望和分析。关键词：气体波导激光器；空芯光纤气体激光器；固态波导激光器中图分类号：TN248.2文献标识码：A文章编号：1673-1255（2022）-06-0028-05Research Progress and Prospect of Waveguide LasersZHANG Jianxin1，DU F
5、ei1，SUN Haizhu，LIU Jiayu，LI Sensen2，FAN Xinmin1*(1.Department of Physics and Optoelectronic Engineering,Weifang University,Weifang,China;2.Science and Technology on Electro-Optical Information Security Control Laboratory,Tianjin,China)Abstract：At first,the development history of gas waveguide laser,
6、hollow-core optical fiber gas lasers and solid-state waveguide laser is reviewed.And then,the working principles of the two kinds of lasers are introduced respectively.At last,the future research is prospected and analyzed according to the development status of the twokinds of lasers.Key words：gas w
7、aveguide laser;hollow-core optical fiber gas lasers;solid-state waveguide laser waveguidelaser收稿日期：2021-10-19基金项目：山东省自然科学基金（ZR2020QA072）第6期张建心等：波导激光器的研究进展与展望在光抽运气体激光器中可以达到很高的量子效率（例如在Rb中为98%10），文献11报道了81%的斜率效率。二极管泵浦碱激光器（DPALs）的输出功率高达145 W12。自1961年发明以来，光纤激光器取得了显著的进步，单光纤可以获得10 kW的功率输出13。但光纤激光器的功率仍然低于气体
8、激光器1。空芯光子晶体光纤（HC-PCF）14的出现，因其在极长相互作用长度和微尺度模态区域中承载气体的能力15，使新的基于气体的非线性光学元件成为可能。在使用HC-PCF验证的非线性光学现象中，有低损伤阈值受激喇曼散射15，高能孤子形成和引导16，精确饱和吸收光谱17，气体填充光纤喇曼激光器的研制18-19，以及多倍频程喇曼频率束20。空芯光子晶体光纤激光器的增益由在一个中空的光纤芯内的气体提供，从而结合了光纤和气体激光器的优势。这种激光器还可以实现从紫外到红外的宽光谱范围的激射，这可以通过光纤芯内填充的不同的气体活性介质而实现。由于原子和分子气体的跃迁性质，在没有额外的带宽限制元件的情形下
9、，这种混合激光器的发射光谱很窄。第二类波导激光器包括固态波导激光器21。该种激光器可以追溯到1961年，当时SNITZER E实现了由低折射率包层和有源玻璃芯棒构成波导的固态波导激光器激射22-23。1971 年西门子公司的ZEIDLER G报道了一种制备光波导结构和集成激光器的新技术。激光染料被溶解在有机溶剂中，其折射率在1.31.6之间。如果这些透明的液体被折射率比溶液稍小的无损耗介质表面包围，那么光波导模式就会被限制在液体24。1972年HIROYOSHI Y等人制作出首个发光波长为1.06 m的有源光波导掺钕激光器25。1992年南安普顿大学的HANNA D C等人报道了第一个激光二极
10、管阵列侧面泵浦的Nd：YAG外延平面波导激光器26。2012年Raytheon公司采用单个 Yb：YAG 平面波导激光器得到了峰值功率为3 mW的激光输出27-28。目前固态波导激光器因其具有体积小、稳定性高、易于集成等优势，为光子学系统中可集成、高效率的激光光源提供了一种可能的选择方案21。山东大学物理学院的陈峰教授课题组在文献21、文献29中分别详细总结了采用不同饱和吸收器件的被动调Q锁模固体波导激光器的研究进展和基于激光晶体的固态波导激光器的最新研究进展。2波导激光原理2.1气体波导激光器原理如图1所示4，气体波导激光器由波导管、增益介质、反射镜和激励源等构成。图中的波导管和反射镜构成了
11、波导谐振腔。MARCATILI等人计算得到的空芯圆介质波导的本征模式分为三种模式：第一种是横向圆形电场模式TE0m，其场分量只有E、Hr和Hz；第二是横向圆形磁场模式TM0m，其场分量为H、Er和Ez；第三种是混合模式EHnm，包含所有极化方向的电场和磁场。磁场和电场是三维的，在内部介质中轴向场分量相对较小。因此，混合式EHnm几乎是横向的。当波导介质材料的折射率小于2.02时，根据理论计算，波导管内损耗最小的模式是EH11模式，其场分布为J0贝塞尔函数。本征模式对应的单位长度的传输损耗为L=B(2/a3)db/m（1）因此，通过选取相对于波长足够大的波导管半径可以使得损耗足够小。为了使本征模
12、式在中空介质波导中传播时，波导管内必须填充增益介质，以保证本征模式的净增益即有源介质引起的放大和侧壁引起的损耗之差为正。GORDON E I等人指出，在充入适当的压力和适当的He和Ne混合物的管中，增益G与管的半径a成反比，G=（A/a）db/m，其中半径a以米为单位，常数A=0.000 66 db。则波导管单位长度的净增益为G-L=A/a-B(2/a3)db/m。净增益对波导管半径求导数可以获得最有波导半径。相比于普通的气体激光器，波导激光器可以在更短的长度获得相同的增益，因此气体波导激光器可以更R=8 cmCOATEDGERMANIUMMIRRORPLATINUMANODEGASMIXTU
13、REINLETTOVACUUMPUMPKOVARCATHODER=8 cmGOLD COATEDPYREX MIRRORCOOLANTOUTLETCOOLANTINLETCAPILLARYWAVEGUIDE7.5 cm12.25 cm7.5 cm图1 SMITH P W等人设计的二氧化碳气体波导激光器的原理图29光电技术应用第37卷加紧凑。美国宇航局戈达德太空飞行中心的JOHN J D曾综述了对理解波导气体激光器比重要的基本物理原理，讨论了当时波导激光器的许多应用以及各种可能的激光器结构30。2.2空芯光子晶体光纤激光器原理图2为空芯光子晶体光纤激光器的中心元件的示意图。激光器的核心元件是一个
14、空芯光纤（HCF），它的两端是气体填充的和包含光学窗口的小真空室。原则上，真空室可以被移除，可以通过光学焊接窗口把气体封闭在光纤两端内部。第一个空芯光子晶体光纤激光器使用了一个脉冲光参量振荡器（OPO）作为泵浦源31。OPO泵浦脉冲从一端耦合到充气光纤中，在另一端观察到激光输出。OPO或OPA的纳秒脉冲调谐到与特定的吸收跃迁的活性气体共振。活性气体的增益高到足以单次泵浦产生激光，避免了额外的反射镜。激光的输出端使用合适的滤光片将传输的泵浦光与光纤内产生的激光脉冲分离。快速探测器D2记录激光输出，近红外扫描光谱仪记录激光光谱1。2.3固态波导激光器原理LANCASTER等人利用如图2所示的实验设
15、置实现了 2.9 m的连续波激光输出32。以其为例说明固态波导激光器的原理。该种激光器的泵浦源为连续波输出的1 150 nm二极管激光器，在自由空间耦合到25 mm直径、NA为0.1 nm光纤中。光纤输出后通过两个AR涂层的平凸透镜耦合到波导中。当光波导尺寸大于泵浦光斑时，耦合效率较高。扁平的介质镀膜腔镜与未镀膜光波导的两端对接。输入耦合器在1 150 nm处具有高透射性，在预期的2.05 m和2.9 m的钬（Holmium）激光发射波长处具有高反射性。输出耦合器对1 150 nm的泵浦光具有高反射性，对=2.05 m和2.9 m的光的反射率R95%。这样做的目的是实现泵浦能量有最大的输入，同
16、时实现2.9 m激光的谐振激射如图332所示。如果在光波导和耦合输入端之间使用折射率匹配的油，激光器的性能会有所下降，因为高强度的泵浦光的输入会造成油的退化。但是在光波导和耦合输出端之间使用折射率匹配的油可以削弱菲涅尔反射（约为每个表面0.2%），激光性能得到改善。图4示意了非对称和对称平板波导结构。对于固态波导激光器，光波导是激光器谐振腔的重要组成部分。光波导包括具有一维限制的平板光波导和具有二维限制的通道光波导21。以波导OPOD1VCVCHC-PCFD2FWSpectrometer图2在中红外光谱区工作的空芯光子晶体光纤激光器示意图（采用 Kagome结构的空芯光子晶体光纤，其芯径为 40 m，VC为充满活性气体的真空室。D1，D2为探测器，F为锗滤光片，将残余泵浦与激光分离。W是一个无涂层的CaF2窗口1）图3 1 150 nm二极管激光泵浦Ho3+：ZBLAN(ZrF4,BaF4,LaF4,AlF3,NaF3)激光器的示意图CLADDING（n3）CORE（n2）SUBSTRATE（n1）（a）非对称平板波导（n2n1n3）的几何形状图 4非对称平板波导（n2n1n3）和对称
