锥形放大器 tapered amplifiers

2022-10-25 11:22:08 浏览:588

定义

包含锥形截面的光放大器,其中光束面积逐渐增加。

锥形放大器是包含锥形截面的光学放大器,其中放大光束的横截面积逐渐增加。该术语主要与半导体光放大器(SOA)结合使用,尽管原则上也可以用稀土掺杂的锥形光纤制造锥形放大器。本文重点介绍锥形半导体器件,这些器件既可以作为裸半导体芯片,也可以作为包含此类芯片的放大器模块使用。它们可以产生几瓦的输出功率,同时保持高光束质量,比其他高功率半导体激光器件(如广域激光二极管)要好得多。

理念

图 1:简化锥形半导体放大器的设置。蓝色区域是活动(放大)区域,至少在垂直维度上也充当波导。

图1显示了基本设置,该设置是在单个半导体芯片上实现的,例如长度为5 mm。输入光被注入到只有几微米宽的脊波导中,并且可能仅支持每个偏振方向的单一传播模式。此后,光进入锥度区域,其宽度可以线性或非线性地向输出端增加(例如,高达数百微米),而高度通常保持不变(但可能与输入区域略有不同)。整个锥度区域覆盖着用于提供泵浦电流(通常为几安培)的电极,这使得器件放大,就像在传统的半导体光学放大器中一样:注入电流用载流子填充价带(通常在多个量子阱中),从而获得激光增益。输入波导区域通常也被泵送 - 可能通过单独的电极。

虽然输入脊波导通常是索引引导,但锥度区域也可以基于增益引导。

光束轮廓在锥形区域中不断水平扩展,通常保持平滑的振幅包络,因此光束质量保持相当高 - 通常具有M2因素水平方向远低于2,垂直方向甚至更接近1(衍射极限)。水平方向的光束质量远远优于广域激光二极管,具有很强的多模输出。

为了优化性能,锥形放大器设计可以包含其他元件,例如接近脊波导和锥度区域之间过渡区域的空腔破坏小树林,这可以抑制寄生激光。

请注意,还有锥形激光二极管,它可以在没有额外光学反馈的情况下进行激光。

带锥形放大器的 MOPA 系统

通常使用锥形放大器作为主振荡器功率放大器(MOPA)系统的一部分(见图2)。种子激光器通常是激光二极管,例如具有窄线宽的分布式反馈激光器,或者可能是波长可调的某种其他类型的激光二极管。也可以使用外腔二极管激光器作为种子激光器。

在大多数情况下,这种系统与连续波操作一起使用。只有在有限的程度上,脉冲的放大是可能的,因为半导体放大器的饱和能量非常小。

图 2:设置包含锥形放大器的 MOPA。

由于来自输入的菲涅耳反射很难完全抑制,因此通常需要在种子激光器和放大器之间使用法拉第隔离器。此外,在隔离器之前和之后需要一些准直和聚焦光学元件。由于高增益放大器的反馈灵敏度,可能需要在输出端增加一个法拉第隔离器。

这种放大激光系统可以安装到一个相当紧凑和坚固的封装中,为了方便起见,可以配备光纤耦合。

外腔二极管激光器

还可以将锥形放大器集成到外腔二极管激光器(ECDL)中,其中可以引入额外的光学元件以进行波长调谐或线宽减小。通常,这些元件将包含在放大器的输入侧,输出侧的菲涅耳反射(可能用涂层修改)可用作输出耦合器反射镜。例如,这种放大器可以配备准直透镜和Littrow配置中的可旋转衍射光栅,以实现可调谐激光(见图3)。

图 3:设置包含锥形放大器的可调谐外腔二极管激光器。

倍频

为了达到较短的波长区域,可以采用频率加倍。虽然这在其他半导体激光器系统中通常很困难,但由于高功率和高光束质量的结合,锥形放大器使频率倍增相对容易。一种可能性是,如果实现单频操作,则使用谐振频率倍增。或者,可以在非线性波导中执行有效的单通频率倍增。

锥形放大器系统的性能

锥形半导体放大器系统可以提供几瓦的输出功率,同时保持高光束质量,通常与窄线宽和波长可调性相结合,例如超过20 nm甚至50 nm。放大器增益通常约为20 dB。

这种光源可以与光纤放大器系统竞争,并且可以在一些甚至没有合适的光纤放大器的波长区域(例如,大约850 nm)轻松实现。此外,锥形放大器系统的成本可以大大降低。

但请注意,锥形放大器的输出光束非常不对称 - 在水平方向上要宽得多 - 并且在垂直方向上具有很强的发散性。因此,例如,需要更复杂的光学元件(带圆柱透镜)来生成具有圆形光束轮廓的准直光束。在这方面,光纤放大器更容易处理;此外,它们可以产生更高的输出功率。

应用

锥形放大器系统用于各种应用,其中一种应用需要1 W或几瓦的输出功率,并具有高光束质量和可能的窄线宽。一些例子:

  • 人们可以在各种科学和技术应用中使用高功率窄线宽激光器,如拉曼光谱,光学计量,干涉测量,激光冷却和激光吸收光谱。
  • 有双倍频率激光系统可用于RGB光源。

参考文献

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光学器件

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