单频激光器

激光器名称

单频激光器，即单纵模激光器，它的特点是输出的激光模式既满足单横模又满足单纵模，其谐振腔内部只有单一纵模进行震荡，并且输出光强呈现高斯分布。除了激光本身良好的单色性和方向性外，单频激光器拥有普通激光器难以达到的相干长度长、谱线宽度窄的特点。在激光雷达、激光测距、激光遥感、激光医疗、光谱学、光频标准和非线性光学频率变换等领域中具有广泛的应用。

常见的动态单纵模激光器

常见的动态单纵模激光器有：①短腔激光器，通过缩短腔长加大纵模间隔来实现单纵模工作的。常规结构和工艺的短腔极限在50μm左右，此时尚难避免多纵模出现。腔长为数微米量级的竖直腔面发射激光器则是短腔的重大突破，已可做到毫安级阈值电流并能动态单纵模工作。②复合腔激光器，通过外腔、腐蚀腔或解理耦合腔实现纵模选择。③具有光栅反馈的激光器，它是通过腔内的周期性折射率变化来实现光反馈的。当光栅置于有源区内时，称为分布反馈（DFB）半导体激光器；当光栅置于有源区外时，称为布拉格反射（DBR）半导体激光器。以下重点介绍最有实用价值的DFB半导体激光器，它是高速大容量光纤通信广泛使用的光源，有着广阔的市场前景。

工作原理

分布反馈激光器的光栅周期为

Λ=lλB/2nr

式中λB是布拉格波长；nr是有效折射率；l是正整数。DFB激光器的激射波长为

λ0=λB±[(q+ )λ/2nrL]

式中L是DFB激光器长度；q=0，1，2，3…，也允许有许多纵模存在。不过最靠近布拉格波长的两个纵模损耗最低。它们和次相邻布拉格波长的模式损耗差至少在5cm-1以上，所以对于无端面反射调节选模的对称光栅DFB激光器，可能出现双模。一般可通过控制端面反射率或通过激光器中心光栅的λ/4相移来解决，已提出的增益耦合DFB激光器也可解决双模问题。

器件结构

分布反攒激光器纵向结构与常规异质结激光器类似（见半导体激光器），只是引入了光栅以实现反馈功能。图1给出掩埋条形的分布反馈激光器结构。

光栅的设计，应考虑激射波长、波导层厚度、光栅深度以及光栅长度等因素，以提高光栅的耦合系数，改善光反馈功能。要求光栅均匀、表面完整，有预期的深度和组形。

器件特性：①纵模特性，分布反馈激光器最具特色性能为单纵模特性。经过光栅选模，其光发射谱一般是双模或单模，主边模抑制比可达30～40dB。②温度特性，常规的异质结激光器发射波长的温度变化率为0.3nm/k，而DFB激光器则为0.lnm/k以下，而且在数十度范围不跳模。③高速调制特性，在高速调制下仍保持单纵模特性，最高调制速率已达l0Gbit/s量级。④光谱线宽窄，一般分布反馈激光器线宽为数十兆赫，已达到的最高水平低于100kHz。

理论基础

激光模式

电磁场理论表明，在具有一定边界条件的腔内，电磁场只能存在于一系列分立的本征状态之中。将激光腔内可能存在的电磁场的本征态称为腔的模式，也就是激光模式。

纵模与横模

从光子的观点来看，腔的模式也就是腔内可以区分的光子状态，同一模式内的光子具有完全相同的状态，腔内电磁场的空间分布可分解为沿传播方向(腔轴线方向)的分布和在垂直于传播方向的横截面内的分布。其中，腔模沿腔轴线方向的稳定场分布称为谐振腔的纵模，而在垂直于腔轴的横截面内的稳定场分布称为谐振腔的横模。

选模方法

多纵模的形成原因

当光波在腔镜上反射时，入射波和反射波会发生干涉，多次往复反射将发生多光束干涉。为了能在腔内形成稳定振荡，要求光波因干涉而得到加强。由多光束干涉理论可知，发生相长干涉的条件是：波从某一点出发，经腔内往返一周再回到原来位置时，应与初始出发波同相。激光沿腔的轴线方向形成驻波，不同的驻波有不同的波节数。由于谐振腔的腔长远大于光波波长，一般波节数具有10~10数量级。所以，一般对纵膜不加以控制的激光器，具有成千上万个不同的纵模。

单纵模的选频方法

1.短腔长法，缩短谐振腔长使纵模间隔大于增益曲线。

2.色散腔法，在谐振腔内加入棱镜或光栅构成色散腔，使只有某一特定频率的纵模能够振荡。

3.标准具法，在谐振腔内插入一参数合适的标准具，使只有单一纵模能通过标准具振荡。

4.滤光片法，在腔内插入一双折射滤光片，使通过滤光片的光频率间隔大于增益线宽。

单横模的实现方法

获得单横模的主要方法是采取适当措施抑制高阶横模，保证谐振腔内只有基横模能够振荡，以保证单横模输出。

谐振腔组成元件

半导体激光器、耦合镜组、激光晶体、偏振片、复合腔镜、端面腔镜、激光晶体支架、偏振片支架、复合腔镜架、输出腔镜座、端面腔镜架、壳体，在谐振腔体内同时含有偏振片和复合腔镜二种选纵模器件。

应用领域

单频激光器凭借它光束质量好、相干长度长、谱线宽度窄的特点在激光雷达、激光测距、激光遥感、全息影像、激光医疗、光谱学、光频标准和非线性光学频率变换等领域中具有广泛的应用。其中小型红光单纵模激光器在精密测量、全息、照片冲印等领域有着重要的应用前景。

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