CN88100570A - 具有大体平面的波导的激光器 - Google Patents

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Abstract

一种包含大体平面的波导的激光器，其中，所述波导由沿光传播方向的一些高增益和低增益区的不同组合构成，使得从光谐振腔的一端到另一端的累积增益作为沿所述波导内一条垂直于所述光传播方向的直线的位置的一种函数而变化。

Description

本发明涉及含有大体平面的波导的激光器。更具体地说，它涉及这样一种激光器：其中波导沿着激光传播方向由一些高增益和低增益区的不同组合所构成。
激光器是这样一种器件：它具有通过来自工作媒质的原子或分子（这些原子或分子已经通过输入能量而从基态激发到较高的能级）的光子受激发射而产生单色相干光线的能力。这种器件含有由强烈反射的表面（这些表面形成光线的闭合的往返路径）限定的光谐振器，而所述工作媒质容纳在该光谐振腔中。
如果由于工作媒质的激发而产生粒子数反转的话，那么，由受激原子、分子或离子返回其基态而引起的光子自发发射就会激发来自其他受激原子、分子或离子的相同能量的光子发射。结果，初始光子在光谐振腔的反射表面之间引起具有相同能量和精确相位的光子的雪崩效应。然后，雪崩效应的一部分光子通过光谐振腔的一个或几个反射表面输出。
可以通过各种方法来完成对激光器工作媒质的激发。但是最通常的方法是利用放电的光泵激励以及通过半导体激光器的P-n结的电流流通。
半导体激光器含有构成二极管的P-n结，并且该P-n结起激光器的工作媒质的作用。又称为激光二极管的此类器件通常由例如砷化镓和砷化镓铝合金材料构成。此类激光器在把电功率转换成输出辐射方面的效率是比较高的，例如，能够超过40%。
激光二极管通常含有一种用于把激光约束在光谐振腔中特定区域内的波导。这种波导可以是增益导引结构或是折射率导引结构。这种增益导引结构是在将泵激电流注入激光二机管期间暂时形成的，并且人们相信：这种增益导引结构至少部分地起因于该器件工作期间在有源层和包层中形成热感生折射率梯度。另一方面，折射率导引结构含有平行于P-n结并且把光约束在平行于该P-n结的区域中的内折射率分布。
激光二极管的波导一般具有条形几何形状，其中波导的宽度是可以同该激光器的光波长相比拟的。使用这种几何形状可以实现最低阶或基本横向模式工作。但是，已经认识到：通过使用宽的和大体平面的波导（或称为平板波导）可以增加输出辐射的量。这种平板波导具有通常比条形波导大几十倍的宽度、因此，能够容纳较大体积的工作媒质，从而在减小电流和功率密度的条件下提供较大的输出功率。
遗憾的是，在使用平板波导的同时不希望有地损失了对横向模式的控制。因为平板波导的宽度大到足以维持许多横向模式，所以来自该激光器的输出光束沿波导宽度的分布非常不规则，并且这种分布会随着时间和泵激电平而变化。来自这种平板波导的输出光束的分布还随着任何微小的缺陷和不均匀性而变化。这些缺陷和不均匀性产生光丝现象（filamentation），这是这样一种现象：其中，有源区的一些部分彼此具有独立性地起提供近场图的作用，这些近场图由有限区域中一些发亮的光丝构成，而不是由整个波导宽度范围内光滑的强度分布构成。目前，在不严重地使激光二极管的制造工艺复杂化（这增加了该器件的成本）的情况下还没有完全令人满意的方法来解决这些问题。
在克服与平板激光器有关的这些难题的努力中，已经开发了各种类型的多条形激光器。例如，已由J.E.Ripper等人〔App.Phys    Lett.，17，371（1970）〕描述的一些相邻的平行条形激光器的光耦合。美国专利第4，255，717号（Scifres）公开了一种含有多个相邻条形激光器的激光器件，其中任何一个条形激光器所产生的一部分辐射被偏折和耦合到一个或几个相邻的条形激光器中。此外，已由D.F.Welch等人（Electronics    Lett.，21，603（1985）〕描述了一种非对称的偏置的条形激光二极管阵列。然而，所有这些方法都涉及一些单个条形激光器的耦合，而并没有解决与平板激光器有关的上述问题。
J.Salzman等人〔Appl.Phys.Lett.49，611（1986）〕已描述了一种具有平板波导的二极管激光器，所述波导由于多个在垂直于一些小平面的方向上伸出大约10微米的隆起物的结果而具有一些相同的周期性扰动。该激光器是适当的多光丝型，并且产生一种单瓣的、差不多由稍微限制的远场图。然而，该参考文献未能提出一种具有如下的平板波导的激光二极管：该波导被以某种方式扰动，该方式不是具有同一重复方式的周期性的。此外，J.SalZman等人〔Appl.Phys.Lett.，46，218（1985）〕描述了一种使用两个具有凸面形状的反射镜的GaAs二极管激光器的制造和工作过程，并且其中增益区的横向宽度由80微米的接触条形所限定。据报道，该激光器在整个注入电流范围内稳定地工作在单一横向模式。但是，该激光器的光谐振腔不包含由一些高增益和低增益区构成的组合。
我们已经发现：在具有平板波导的激光器中能够实现横向模式控制，其方法是：在该波导的宽度范围内，在激光器的光谐振腔的反射表面之间、随着位置的变化改变由一些高增益和低增益区构成的组合。通过按局部横向本征函数分布，在所需横向模式固有地具有较高幅度的位置提供较高的增益，能够从允许的过多模式（即，该波导可能维持的那些模式）中选择那些需要的模式。
本发明的一个实施例是包括含有工作媒质和大体平面的波导的光谐振腔的激光器，该波导用于把激光约束在一个平面内，其中所述波导由工作媒质的一些高增益和低增益区构成，该波导由沿着激光传播方向的一些高增益和低增益区的不同的组合构成，使得从光谐振腔的一端到另一端的累积增益随着沿所述波导平面内一条垂直于所述光传播方向的直线上的位置而变化，以及所述变化不以同一重复方式进行，即为非周期性的，从而该光谐振腔的某些横向模式比该腔的其余横向模式经受较高的增益。
本发明的另一个实施例是包括含有工作媒质和大体平面的波导的光学谐振腔的激光器，该波导用于把激光约束在一平面内，其中，所述波导由工作媒质的一些高增益和低增益区构成，该波导由沿着激光传播方向的一些高增益和低增益区的不同的组合构成，使得从光学谐振腔的一端到另一端的累积增益沿着所述波导平面中一条垂直于所述光传播方向的直线逐点地变化，所述各点沿着所述直线以不大于10微米的间距均匀地隔开，以及所述累积增益沿着所述直线从一对相邻点到下一对相邻点以非重复的方式变化，从而，使该光谐振腔的某些横向模式比该腔的其他横向模式经受较高的增益。
本发明的一个目的是要提供一种改进的，具有平板波导的激光器。
本发明的另一个目的是要提供一种在平板激光器的输出光束中控制横向模式的方法。
本发明的另一个目的是要提供一种用于激光器中的具有改进结构的波导。
本发明的另一个目的是要提供一种在激光输出功率电平的宽范围内具有稳定的输出光束分布的平板激光器。
本发明的再一个目的是要提供这样一种平板激光器，即把横向模式控制和提高光谐振腔中工作媒质的利用率结合起来。
本发明的又一个目的是要提供一种容易制造的、其输出具有可控制的横向模式结构的半导体平板激光器。
附图中的图1是通常的激光器的图解表示。
图2是具有P-n结和嵌入波导的单条形半导体激光二极管的透视图。
图3是图2中所描述的激光二极管的波导部分的透视图。
图4是先有技术的多条形半导体激光二极管的波导的透视图。
图5是本发明的一个实施例的波导的透视图。
图6是本发明的第二个实施例的波导的透视图。
图7是本发明的第三个实施例的波导的透视图。
图8是本发明的第四个实施例的波导的透视图。
图9是本发明的第五个实施例的波导的透视图。
图10是本发明的第六个实施例的波导的透视图。
图1中用图解法举例说明通常的激光器的工作。该激光器的工作媒质11被用箭头12表示的能源所激励。由于产生粒子数反转的结果，于是工作媒质11发射光线，该光线由反射镜13和14约束在由这两个反射镜限定的光谐振腔中。由反射镜13和14反射的光线通过工作媒质激发更多的光发射，引起的光子雪崩效应产生光束15。光束15的横截面具有确定的、轮廓分明的、称为横向模式的空间分布。一个特别需要的横向模式-TEMoo模式在束直径范围内有高斯强度分布图。两个反射镜之一-反射镜14预定部分地透射在光谐振腔中产生的光线，而所产生的输出光束用箭头16表示。
图2说明一个半导体激光二极管。该器件含有图1中用图解法显示的通常的激光器的所有元件。工作媒质21是在n型半导体22和P型半导体23之间的一个P-n结。工作媒质21由经过引线24、穿过电极25、横穿P-n结21，并进入二极管激光器底座上的散热片和电接点26的电流激励。限定激光腔的各反射镜是半导体材料本身的抛光或解理端面。此外，二极管激光器具有位于电极25下边的光波导，该波导含有激光器工作期间经受泵激的那部分工作媒质。
因为本发明主要涉及激光器的光波导以及在该波导中由一些高增益和低增益区构成的组合，所以图3至10中仅仅说明这两个特点。
图3说明如图2中所示二极管激光器的条形或通道波导31。激光器的工作媒质被容纳在波导31中，而工作媒质的受泵激区即高增益区位于波导31的上表面上画点的区域32之下。通常由用来泵激工作媒质的电极的几何形状限定这种高增益区的界限。波导31可以是一种折射率导引结构或者增益导引结构。在折射率导引结构中，波导31由具有比其周围的介质或包层更高的折射率的芯子构成。在增益导引结构中，当泵激电流流入受泵激的区域中并在其中感生较高的折射率时，在该受泵激的区域中形成波导31。在增益导引结构中，波导芯子和其包层之间的折射率变化通常比折射率导引结构中的小一个或两个数量级。尽管如此，增益导引波导在约束由激光二极管产生的光线方面通常是令人相当满意的。
如图3中所示的通道波导将具有可以同所产生的激光的波长相比拟的，例如，大约1微米数量的厚度33和宽度34。当使用这种波导时，所得到的激光束通常是由基本横向模式构成的光束。即，对于每一种光偏振只有一种导波分布。这种通道波导的基本模式具有单瓣的近场和远场图，对于大多数应用场合，这是最理想的图形。这种基本模式的强度分布通常是高斯分布或类高斯分布。
用于增加二极管激光器的输出功率的一般方法是使用如图4中所示的宽式多通道波导。该激光器的工作媒质被容纳在波导41中，而该工作媒质中的受泵激区即高增益区位于波导41的上表面上画点区42之下。这些高增益区或通道由用于泵激该二极管激光器的P-n结的各电极的几何形状所限定。各相邻通道以可以同激光器输出波长或其几倍相比似的距离隔开。结果，各通道在光学上是耦合的，并且相位是锁定的。用双头箭43表示波导41中的光传播的方向。
与图4中所示的那种多通道波导有关的主要问题是使用这种波导的激光束通常分裂成两个大瓣，在两个大瓣上通常叠加着随机的和不规则的精细结构。出现这种场分裂的原因是：最高阶横向模式对激光作用而言具有最高模式增益，因而，支配着其他模式。这种输出光束不能聚焦成许多通常的应用场合所需要的单一清晰的点。
我们已经发现：如果使泵激的总量随波导宽度范围内的位置而变，那么，就能够减小或消除宽型波导中的上述场分裂。这一点能够在二极管激光器中方便地实现，其方法是：在波导宽度范围内，随着位置的变化改变沿光传播方向的泵激长度。例如，图5说明在根据本发明的一个实施例的大体平面的波导中的高增益和低增益区。工作媒质容纳在波导51中，而工作媒质的高增益区位于波导51的上表面上画点区52之下。波导51中光传播的方向由双头箭头54表示。当然，在激光二极管中，高增益区将由用于泵激工作媒质的电极的几何形状来限定。以低于高增益区泵激电平的某种电平泵激位于波导51的上表面区域53之下的低增益区，并且如果需要的话，各低增益区中的泵激电平可以是零。
在由图5说明的实施例中，当沿着波导平面内一条垂直于光传播方向的直线、随着位置的变化测量时，沿着光传播方向从波导的一端到另一端的累积增益在波导中心附近具有最大值，并且向各波导边缘逐渐减小。在本实施例中，最高泵激电平位于波导51的宽度55的大约中点处，因而对在该中间处具有较高强度的那些模式有利。因此，有利于基本模式或类似高斯模式。从而输出光束分布将在中心处具有最高强度。虽然本发明将不限于这一点，但是人们相信：当高增益和低增益区之间的界线是横跨波导51的宽度55的位置的（1-cosine）或抛物线函数时，将最大限度地有利于基本模式。因此，这样的关系是可取的。
图6说明根据本发明的最佳实施例的大体平面的波导中的高增益区。工作媒质容纳在波导61中，而工作媒质中的高增益区位于波导61上表面的画点的区域62之下。低增益区位于波导61的上表面的未画点的区域、例如63之下。用双向箭头64表示波导61中光传播的方向。
除了已经用许多平行于光传播方向的高增益和低增益区的交替的条形代替图5的低增益区之外，图6的波导与图5的波导相同。这些条形用于避免激光器工作期间可能出现的不希望有的光丝现象，当然，这种光丝现象可以包括仅仅出现在工作媒质的单一细光丝中的激光作用，而工作媒质的剩余部分未能产生激光。图6中所示的高增益和低增益区交替的条形起空间过滤器的作用，它使光束沿光传播方向成一直线。因此，即使出现任何完全的光丝发射，高增益区的多条形也保证激光作用将发生在多光丝而不是单光丝中，从而使承受激光作用的工作媒质的数量达到最大值。虽然，对这些高增益区条形的宽度和间距要求不严格，但是：（a）它们具有的所希望的宽度约在1至10微米范围内，并且该宽度最好是在约2微米至约6微米范围内，以及（b）它们以在约2微米至约20微米范围内的所需距离彼此隔开，并且此距离最好在约3微米至约10微米范围内。
图7说明根据本发明的另一个最佳实施例的大体平面的波导中的高增益和低增益区。工作媒质容纳在波导71中，而工作媒质中的高增益区位于波导71的上表面的画点区域72之下。低增益区位于波导71的上表面的未画点的区域73之下。用双向箭头74表示波导71中光传播的方向。
除了用许多平行于光传播方向的高增益和低增益区的交替条形代替图5的高增益区之一外，图7的波导与图5的相同。和在图6所示的波导中一样，图7的高增益和低增益区的交替的条形起空间过滤器的作用：它使激光器的光束沿光传播方向成一直线。因此，即使出现任何完全的光丝发射，高增益区的多条形也保证激光作用将发生在多光丝而不是单光丝中，从而使承受激光作用的工作媒质的数量达到最大值。对这些高增益区条形的宽度和间距要求并不严格。但是：（a）它们具有在约1微米至约10微米范围内的所希望的宽度，并且该宽度最好是在约2微米至约6微米范围内，以及（b）它们以在约2微米至约20微米范围内的所需要的距离彼此隔开，并且此距离最好在约3微米至约10微米范围内。
图8说明根据本发明的另一个最佳实施例的大体平面的波导中的高增益和低增益区。工作媒质容纳在波导81中，而工作媒质中的高增益区位于波导81的上表面的画点区域82之下。低增益区位于波导81的上表面的未画点的区域83之下。用双向箭头84表示波导81中光传播的方向。
在由图8所说明的实施例中，当沿着波导平面内一条垂直于光传播方向的直线、随着位置的变化进行测量时，沿着光传播方向从波导的一端到另一端的累积增益在波导中心附近具有最小值，并且向各波导边缘逐渐增大。这种结构形式将导致产生可能的最高次模、从而保证产生具有两个明显分开的强度峰值的输出光束。这种输出光束将类似于从图4中所说明的那种普通多通道波导可能得到的输出光束。但是，来自图8波导的输出光束将更加始终如一地是一种最高次模，并且将没有那样多随机的和不规则的细微结构叠加其上。
图9说明根据本发明的另一个实施例的大体平面的波导中的高增益和低增益区。工作媒质容纳在波导91中，而工作媒质的高增益区位于波导91的上表面的画点区域92之下。低增益区位于波导91的上表面的未画点的区域93之下。用双向箭头94表示波导91中光传播的方向。除了沿光传播的方向从波导的一端到另一端的累积增益（其中增益规定为具有与距离成反比的单位）是沿所述波导平面内一条垂直于所述光传播方向的直线上的位置的线性函数之外，本实施例与图5的实施例基本上相同。在图5的实施例中，这种关系是非线性的。
图10说明根据本发明的又一个实施例的大体平面的波导中的高增益和低增益区。工作媒质容纳在波导101中，而工作媒质中的高增益区位于波导101的上表面的画点的区域102之下。工作媒质中的低增益区位于波导101的上表面的未画点的区域103之下。用双向箭头104表示波导101中的光传播的方向。
除了图10的各低增益条形103是矩形的、而在图6中每条低增益条形的两侧边是非平行的之外，图10的波导基本上与图6的相同。和在图6和7所说明的波导中一样，图10中高增益和低增益区的交替的条形起空间过滤器的作用：它使激光器的光束沿光传播方向成一直线。
在本发明的实施例中，从光谐振腔的一端到另一端的累积增益随着沿波导平面内一条垂直于光传播方向的直线上的位置而变化，并且这种变化不是具有同一重复方式的周期变化。当然很清楚，累积增益的这种变化可以是周期性的，但是，当沿着上述直线横过波导宽度、从累积增益的峰值到峰值或谷值到谷值进行测量时，在任何周期中测到的结果都与在下一个周期中测到的不重复。例如，图6、7和10所说明的波导在累积增益方面都具有周期性，因为，它们包含高增益和低增益区的条形。但是，当横越波导宽度时，在给定周期中累积增益的变化与在下一个周期中累积增益的变化不重复。
在本发明的一个实施例中，从光谐振腔的一端到另一端的累积增益沿着波导平面中一条垂直于光传播方向的直线逐点地变化，其中所述各点沿着所述直线均匀地隔开，并且其中所述累积增益沿所述直线从一对相邻点到下一对相邻点以非重复的方式变化。要求这些相邻点之间的距离不大于10微米，更可取的是不大于5微米，而最好是不大于1微米。
在图5以及图7至9所说明的本发明的最佳实施例中，累积增益随着沿所述波导平面内一条垂直于所述激光传播方向的垂直线上的位置而连续地变化。如果需要的话，这种连续变化可以是一种横过整个波导宽度的光滑的变化，如图5、8和9所说明的，或者，换个办法这种连续变化可以是一种由一个或多个突变所割断的光滑变化（如图6和7所说明的）。正如图6、7和10所说明的，累积增益可以作为沿着横跨波导宽度的上述直线的位置的阶跃函数而变化。
就本发明的主题来说，对激光反射镜的位置要求不高。参考图5至10，该反射镜可以位于波导的两端或者位于沿光传播路径、但是离开这些末端一段距离的各点。这些反射镜可以具有任何通常的结构。但是，由于平面反射镜容易制造，所以在二极管激光器中，反射镜最好是平面形的。
本发明的大体平面的波导可以具有任何通常的厚度。例如，对于激光二极管来说，将要求波导厚度小于约10微米，更可取的是小于约5微米，而最好是小于约2微米。沿着波导平面内一条垂直于波导中光传播方向的直线所测到的波导宽度不是严格要求的，但是在激光二极管中，将要求该宽度至少约10微米，更可取的是至少约50微米，而最好是至少约100微米。沿着光传播方向测得的波导的长度不是严格要求的，而可以具有任何通常的值。
本发明的波导可以用作任何传统型激光器的元件。同理，可以使用任何通常的工作媒质和泵激技术。适当的泵激技术包括（但不限于）光泵激和穿过半导体二极管激光器的电流流通。
本发明的非常可取的实施例包括把所研究的波导用作二极管激光器的元件。合适的二极管激光器包括（但不限于）那些含有简单P-n结，异质结以及多量子井双异质结构的二极管激光器。所述二极管激光器可以由适于用作激光器工作媒质的任何普通半导体材料构成。最常用的半导体材料包括砷化镓（GaAs）和砷化镓铝合金（AlxGa1-xAs）（可以改变其中镓和铝的原子比率）。多量子井或超点阵的砷化镓铝是特别有用的。因此，这种半导体材料是可取的。但是，其他合适的半导体材料还包括（但不限于）：InGaAsP，InAsP，GaAlP，GaAlSb和PbSnTe。
任何通常的波导都可以用于本发明的实施中，只要它含有所需要的高增益和低增益区的组合。例如，在二极管激光器中，合适的波导包括通常结构形式的增益导引和折射率导引结构。合适的折射率导引结构包括（但不限于）那些由或者杂质分布、或者材料成份变化所产生的折射率导引结构。
在本发明的实施中将很清楚，以比高增益区低的电平泵激波导中的低增益区。如果需要的话，可以不泵激低增益区，因此，低增益区中的增益可以是零或者基本上是零。

Claims (20)

1、一种包括光谐振腔的激光器，该光谐振腔含有工作媒质和用于把激光约束在一平面内的大体平面的波导，其特征在于：
-所述波导由工作媒质的一些高增益和低增益区构成，
-所述波导由沿着激光传播方向的一些高增益和低增益区的不同的组合构成，使得从光谐振腔的一端到另一端的累积增益作为沿所述波导内一条垂直于所述光传播方向的直线的位置的函数而变化，以及
-所述变化不是具有同一重复方式的周期性变化，从而所述的光谐振腔的某些横向模式比该腔的其他横向模式经历较高的增益。
2、如权利要求1中所述的激光器，其特征在于：所述累积增益作为沿所述波导平面内所述直线的位置的函数而连续地变化。
3、如权利要求1中所述的激光器，其特征在于：所述累积增益作为沿所述波导平面内所述直线的位置的阶跃函数而变化。
4、如权利要求1中所述的激光器，其特征在于：所述各低增益区中的增益是零。
5、如权利要求1中所述的激光器，其特征在于：所述工作媒质包括至少一种半导体材料。
6、如权利要求5中所述的激光器，其特征在于：所述工作媒质包括至少一种从由砷化镓和具有式AlxGa1-xAs的砷化镓铝合金构成的一组材料中选择的半导体材料。
7、如权利要求6中所述的激光器，其特征在于：所述工作媒质由至少一种具有式AlxGa1-xAs的砷化镓铝合金组成。
8、如权利要求7中所述的激光器，其特征在于：所述工作媒质是一种超点阵材料。
9、如权利要求5中所述的激光器，其特征在于：所述波导是一种增益导引结构。
10、如权利要求5中所述的激光器，其特征在于：所述波导是一种折射率导引结构。
11、如权利要求10中所述的激光器，其特征在于：所述折射率导引结构由杂质分布所形成。
12、如权利要求10中所述的激光器，其特征在于：所述折射率导引结构由材料成份的变化所形成。
13、如权利要求1中所述的激光器，其特征在于：所述波导至少部分地由许多高增益和低增益区的交替条形组成，并且所述条形平行于所述光传播方向。
14、如权利要求1中所述的激光器，其特征在于：当随着沿所述波导平面内一条垂直于所述光传播方向的所述直线的位置的变化进行测量时，所述累积增益在波导的中心附近具有最大值，并且向各波导边缘逐渐减小。
15、如权利要求14中所述的激光器，其特征在于：高增益和低增益区之间的界线是沿垂直于所述光传播方向的所述直线的位置的（1-cosine）函数。
16、如权利要求14中所述的激光器，其特征在于：高增益和低增益区之间的界线是一个沿垂直于所述光传播方向的所述直线的位置的抛物线函数。
17、如权利要求1中所述的激光器，其特征在于：当随着沿所述波导平面内一条垂直于所述光传播方向的所述直线的位置的变化进行测量时，所述累积增益在波导的中心附近具有最小值，并且向各波导边缘逐渐增大。
18、一种包括光谐振腔的激光器，该光谐振腔含有工作媒质和用于把激光约束在一平面内的大体平面的波导，其特征在于：
-所述波导由工作媒质的高增益和低增益区构成，
-该波导由沿激光传播方向的一些高增益和低增益区的不同的组合构成，使得从光谐振腔的一端到另一端的累积增益沿着所述波导平面内一条垂直于所述光传播方向的直线逐点地变化，
-所述各点沿着所述直线以不大于10微米的间距均匀地隔开，
-所述累积增益沿着所述直线从一对相邻点到下一对相邻点以非重复的方式变化，从而，该光谐振腔的某些横向模式比该腔的其他横向模式经历较高的增益。
19、如权利要求18中所述的激光器，其特征在于：所述各点沿着所述直线以不大于1微米的间距均匀地隔开。
20、如权利要求18中所述的激光器，其特征在于：所述工作媒质包括至少一种半导体材料。
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