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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