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Jia Yuechen, Chen Feng. Compact solid-state waveguide lasers operating in the pulsed regime: a review [Invited][J]. Chinese Optics Letters, 2019, 17(1):012302 

固体波导激光是固体激光器的一种，它能将光场的传输限制在微米尺寸的波导结构中，并可以在较大的相互作用长度下稳定地保持激光模场分布。在有效提升了激光性能的同时，小型紧凑的波导几何结构也极大地压缩了器件的整体尺寸，这也使得波导激光可以方便地与其他光学元件集成在同一单片器件中。

随着近年来波导制备和微加工技术的迅速发展，在复杂的集成光子学系统中搭建灵活多样的波导几何架构已不再是设想。可以说，紧凑型的波导器件为多功能集成光学的设计提供了丰富的可能性。

波导脉冲激光是一种能够提供高重复频率超短脉冲的紧凑型光源。它在波导激光技术的基础上通过结合迅速发展的纳米材料作为可饱和吸收体来实现有效的调Q和锁模运转。波导脉冲激光一直以来都是激光、材料和微纳加工领域的研究热点之一。

山东大学陈峰教授课题组在Chinese Optics Letters发表特邀综述文章，总结了波导脉冲激光的研究进展，并对相关的技术要点,如常用的波导谐振腔、前沿的波导制备工艺以及其激光性能进行了归纳和比较。

波导激光谐振腔

根据光场与可饱和吸收体材料的相互作用方式不同，波导脉冲激光谐振腔的设计可主要分为直接作用和倏逝场（间接）作用两种类型。

前者是将承载有吸收体的腔镜或薄膜（如图1中SA’）贴附于波导的端面，使得光在传输过程中直接与吸收体相互作用；而后者是基于光的倏逝波与附着在波导表面的吸收体（如图1中SA2’’）之间的相互作用。

很明显，直接型设计相对简单，参与相互作用的光能更高，方便实现色散补偿，并且这种设计适合几乎所有的波导结构类型，因此被更广泛地采用。然而在器件的紧凑程度和可集成度方面，倏逝场型具有更广阔的应用前景。

在倏逝场型方案中，吸收体紧密贴附于波导的表面，因而不存在额外的光学准直问题。此外，参与相互作用的倏逝场光能较低，这也有效地降低了吸收体的光损伤阈值。然而，要利用光的倏逝场就需要其与吸收体能够接触。换言之，倏逝场型要求吸收体能够覆盖在波导表面上，因此仅仅适合表面型的波导结构，与埋层波导不能兼容（图1列举了几种典型波导结构）。

波导激光的制备和实现

波导的制备技术大体可归类为两种方式：

1）在低折射率衬底上生长或粘结高折射率波导层（阶跃型折射率波导），代表性的有脉冲激光沉积、液相外延生长和接触粘结等；

2）通过表面或局部微加工技术在体材料中引入折射率变化（渐变型折射率波导），主要包括离子注入、离子交换和飞秒激光直写等。

每种技术在制备不同几何类型的波导脉冲激光方面都有各自的优势以及适合的材料，但同时也都有自身的局限性。

1）接触粘结的Nd:YAG平面波导激光在高功率激光二极管的抽运下能够产生峰值功率超过20 kW的调Q脉冲，但其整体器件尺寸较大；

2）离子交换是一种比较成熟的波导制备技术，能够在微米尺寸的波导中实现有效的调Q和锁模，但离子交换技术仅仅适用于玻璃和少数几种晶体材料；

3）飞秒激光直写是近年来发展最快、关注度最高的波导制备技术，几乎适用于所有的固体增益介质。迄今为止，重复频率大于20 GHz的飞秒脉冲已经在钛宝石波导锁模激光中实现。飞秒激光直写的主要优势是能够实现三维微加工，可以在衬底中制备具有不同功能的波导器件并灵活地结合在一起形成复杂的光子芯片，如图2所示。但飞秒激光引起的材料改性会增加器件的损耗并改变原有衬底材料的性能，在一定程度上影响了器件的功能性。

总结和展望

基于固体增益介质的紧凑型波导脉冲激光在近年来取得了一系列进展，但大部分的研究仍集中在近红外波（如图3）。因此拓展波导脉冲激光到可见光和中红外波段是接下来的研究重点。另外，可集成在波导中的色散补偿器件的制备工艺也值得进一步探索。