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[轉載]全固態波導激光材料的研究進展-光波導原理及其結構

已有 2388 次閱讀 2016-7-14 09:28 |個人分類:透明陶瓷|系統分類:科研筆記|文章來源:轉載

光波導原理

光波導的實現是以光的全反射為理論基礎,即當光以大于臨界角的角度由折射率大的光密介質入射到折射率小的光疏介質時,將發生全反射,入射光全部反射到折射率大的光密介質,折射率小的光疏介質內將沒有光透過。最簡單的波導結構是一維光波導,也就是平面波導,如圖1a所示。它3層介質組成,中間是厚度為微米級的波導層,折射率為n1,上面的覆蓋層折射率為n2,下面的襯底層折射率為n3。襯底與覆蓋層材料可以相同也可以不同,假設二者相同,即n2=n3,此時為對稱平面波導(1b)。

對于對稱平面波導,根據全反射的定義和光傳播法則中入射角i、折射角q以及反射角Ψ的關系,可推出入射角i應滿足以下方程:

                      (1)

假設波導材料置于空氣中,則n0=1,極限入射角ic滿足關系:

                  (2)

方程(2)是數值孔徑NA的定義式,它決定于耦合光的最大入射角。在波導結構中,NA是一個重要的參數,它反應了泵浦光的耦合效率。NA值越大,即波導層與包覆層的折射率差越大,越容易實現光的波導傳播,對波導激光而言,泵浦光的耦合效率越   [15]。目前,包層與芯層的折射率差>10-4時便可實現光波導[13]。此外,為了在激光增益介質中實現光波導,除了折射率差外對材料還有一定的要求:1) 包層與芯層材料的熱膨脹系數要接近,防止受熱產生應力;2) 包層材料對泵浦光的吸收要小,整個固體材料對工作波段的激光應具有高的透過性;3) 同時包層與芯層的界面光滑平直,以降低光的散射[16];4) 為了有效散熱,包層的熱導率要高于芯層材料。通常波導層的厚度根據應用需求控制在幾微米到數百微米,同時通過控制波導層厚度、NA值以及泵浦方式,可實現單;蚨嗄5募す廨敵[14]。


光波導的結構類型

對于最簡單的波導結構,光沿y軸方向傳播,只在厚度z方向受到限制,這樣的一維平面波導結構通常具有較高的比表面積,有助于散熱。受雙包層光纖的啟發,2000年,英國南安普敦大學Shepherd領導的研究小組采用熱鍵合技術制備了雙包層Sapphire/YAG/Yb:YAG/YAG/Sapphire平板波導結構激光晶體[17]。其中藍寶石、YAG以及10%Yb:YAG的折射率為泵浦光在941 nm處的折射率,隨著光波長的變化,折射率變化較小。泵浦光耦合到內包層與芯層的端面,在內包層與外包層之間形成全反射,同時在芯層實現激光輸出。相對于YAG/Yb:YAG/YAG,藍寶石與Yb:YAG的折射率差更大,擴大了泵浦光耦合進入波導激光器的數值孔徑(NA),能夠有效地提高泵浦光耦合效率。同時相比于Sapphire /Yb:YAG/Sapphire,YAG 晶體作為復合介質鍵合在Yb:YAG晶體外層,在激光器內熱量傳輸的過程中,能有效的降低芯層邊緣的溫度梯度,從而有效降低熱效應。內包層與芯層構成的波導能有效地抑制高階激光模式的傳輸,從而保證激光單模輸出[18]。

在某些實際應用中,需要同時對x方向上的光進行限制,這樣就產生了二維光波導。二維光波導主要包括條形與光纖結構,圖2為一些常見的條形波導結構。當光束在自由空間傳播時,衍射效應會造成光束的發散或擴張。然而,在二維波導中,光波被限制在一定的范圍內,保持了一定的波場形式,同時波導器件更加小型緊湊[5]。

圖2 幾種常見的平面波導類型

參考文獻:

[13]  KONYUSHKIN V A,NAKLADOV A N,KONYUSHKIN D V,et al. Ceramic planar waveguide structures foramplifiers and lasers [J]. Quantum Electron, 2013, 43(1): 60-62.

[14]  RAYTHEON. Next-generation lasers for advancedactive EO systems [J]. Raytheon Technol Today, 2008, 1: 9-12.

[15]  GRIVAS C. Optically pumped planar waveguidelasers, Part I: Fundamentals and fabrication techniques [J]. Prog QuantElectron, 2011, 35(6): 159-239.

[16]  梁宇磊. 平面光波導損耗測試 [D]. 長春:吉林大學, 2003.

[17]  BONNER C L, BHUTTA T, SHEPHERDD P, et al.Double-clad structures and proximity coupling for diode-bar-pumped planarwaveguide lasers [J]. IEEE J Quant Electron, 2000, 36: 236-242.

[18] 楊天新,于超,李樹青,等.雙包層平面波導激光器中熱應力的分析.中國激光,2010, 37(1): 26-29.




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