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除了激光本身良好的單色性和方向性外，單頻激光器擁有普通激光器難以達(dá)到的相干長(zhǎng)度長(zhǎng)、譜線寬度窄的特點(diǎn)。在激光雷達(dá)、激光測(cè)距、激光遙感、激光醫(yī)療、光譜學(xué)、光頻標(biāo)準(zhǔn)和非線性光學(xué)頻率變換等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。
工作原理
分布反饋激光器的光柵周期為
Λ=lλB/2nr
式中λB是布拉格波長(zhǎng)；nr是有效折射率；l是正整數(shù)。DFB激光器的激射波長(zhǎng)為
λ0=λB±[(q+1/2)λB^2/2nrL]
式中L是DFB激光器長(zhǎng)度；q=0，1，2，3…，也允許有許多縱模存在。不過(guò)最靠近布拉格波長(zhǎng)的兩個(gè)縱模損耗最低。它們和次相鄰布拉格波長(zhǎng)的模式損耗差至少在5cm-1以上，所以對(duì)于無(wú)端面反射調(diào)節(jié)選模的對(duì)稱光柵DFB激光器，可能出現(xiàn)雙模。一般可通過(guò)控制端面反射率或通過(guò)激光器中心光柵的λ/4相移來(lái)解決，已提出的增益耦合DFB激光器也可解決雙模問(wèn)題。
器件結(jié)構(gòu)
分布反攢激光器縱向結(jié)構(gòu)與常規(guī)異質(zhì)結(jié)激光器類似，只是引入了光柵以實(shí)現(xiàn)反饋功能。圖1給出掩埋條形的分布反饋激光器結(jié)構(gòu)。
光柵的設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮激射波長(zhǎng)、波導(dǎo)層厚度、光柵深度以及光柵長(zhǎng)度等因素，以提高光柵的耦合系數(shù)，改善光反饋功能。要求光柵均勻、表面完整，有預(yù)期的深度和組形。
器件特性：①縱模特性，分布反饋激光器最具特色性能為單縱模特性。經(jīng)過(guò)光柵選模，其光發(fā)射譜一般是雙?；騿文?，主邊模抑制比可達(dá)30～40dB。②溫度特性，常規(guī)的異質(zhì)結(jié)激光器發(fā)射波長(zhǎng)的溫度變化率為0.3nm/k，而DFB激光器則為0.lnm/k以下，而且在數(shù)十度范圍不跳模。③高速調(diào)制特性，在高速調(diào)制下仍保持單縱模特性，最高調(diào)制速率已達(dá)l0Gbit/s量級(jí)。④光譜線寬窄，一般分布反饋激光器線寬為數(shù)十兆赫，已達(dá)到的最高水平低于100kHz。
理論基礎(chǔ)
激光模式
電磁場(chǎng)理論表明，在具有一定邊界條件的腔內(nèi)，電磁場(chǎng)只能存在于一系列分立的本征狀態(tài)之中。將激光腔內(nèi)可能存在的電磁場(chǎng)的本征態(tài)稱為腔的模式，也就是激光模式。
縱模與橫模
從光子的觀點(diǎn)來(lái)看，腔的模式也就是腔內(nèi)可以區(qū)分的光子狀態(tài)，同一模式內(nèi)的光子具有完全相同的狀態(tài)，腔內(nèi)電磁場(chǎng)的空間分布可分解為沿傳播方向(腔軸線方向)的分布和在垂直于傳播方向的橫截面內(nèi)的分布。其中，腔模沿腔軸線方向的穩(wěn)定場(chǎng)分布稱為諧振腔的縱模，而在垂直于腔軸的橫截面內(nèi)的穩(wěn)定場(chǎng)分布稱為諧振腔的橫模。
常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)單縱模激光器
常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)單縱模激光器有：
①短腔激光器，通過(guò)縮短腔長(zhǎng)加大縱模間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)單縱模工作的。常規(guī)結(jié)構(gòu)和工藝的短腔極限在50μm左右，此時(shí)尚難避免多縱模出現(xiàn)。腔長(zhǎng)為數(shù)微米量級(jí)的豎直腔面發(fā)射激光器則是短腔的重大突破，已可做到毫安級(jí)閾值電流并能動(dòng)態(tài)單縱模工作。
②復(fù)合腔激光器，通過(guò)外腔、腐蝕腔或解理耦合腔實(shí)現(xiàn)縱模選擇。
③具有光柵反饋的激光器，它是通過(guò)腔內(nèi)的周期性折射率變化來(lái)實(shí)現(xiàn)光反饋的。當(dāng)光柵置于有源區(qū)內(nèi)時(shí)，稱為分布反饋（DFB）半導(dǎo)體激光器；當(dāng)光柵置于有源區(qū)外時(shí)，稱為布拉格反射（DBR）半導(dǎo)體激光器。
以下重點(diǎn)介紹最有實(shí)用價(jià)值的DFB半導(dǎo)體激光器，它是高速大容量光纖通信廣泛使用的光源，有著廣闊的市場(chǎng)前景。
和窄線寬激光器區(qū)別
單頻激光器和窄線寬激光器在激光器波長(zhǎng)、應(yīng)用領(lǐng)域、性能特點(diǎn)等方面存在顯著差異。以下是詳細(xì)的區(qū)別介紹：
一、激光器波長(zhǎng)
單頻激光器：通常指的是輸出波長(zhǎng)非常穩(wěn)定的固體激光器或光纖激光器，其波長(zhǎng)范圍一般在1550nm左右。這類激光器在諧振腔內(nèi)部只有單一縱模進(jìn)行震蕩，并且輸出光強(qiáng)呈現(xiàn)高斯分布，具有極高的單色性和方向性。
窄線寬激光器：特指能夠輸出窄線寬激光信號(hào)的激光器，可以是半導(dǎo)體激光器或氣體激光器。其波長(zhǎng)范圍更加廣泛，包括可見(jiàn)光、近紅外光和中紅外光等。窄線寬激光器的輸出帶寬很小，即激光波長(zhǎng)的變化范圍很小，這使得它們?cè)诠庾V分析、光學(xué)干涉等領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用。
二、應(yīng)用領(lǐng)域
單頻激光器：主要應(yīng)用于光纖傳感、光纖通信、光子學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。由于其穩(wěn)定的輸出波長(zhǎng)和高相干性，單頻激光器能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。此外，在激光雷達(dá)、激光測(cè)距、激光遙感、激光醫(yī)療、光譜學(xué)、光頻標(biāo)準(zhǔn)和非線性光學(xué)頻率變換等領(lǐng)域中，單頻激光器也發(fā)揮著重要作用。
窄線寬激光器：主要用于光譜分析、光譜測(cè)量、光學(xué)干涉等領(lǐng)域。由于其高能量密度的窄線寬激光，窄線寬激光器能夠提供更高的測(cè)量精度和更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果。在傳感器領(lǐng)域，如用于應(yīng)變和/或溫度的光纖傳感器、各種類型的干涉?zhèn)鞲小⒑哿繗怏w檢測(cè)等，窄線寬激光器也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
三、性能特點(diǎn)
| rgb(0, 24, 70); font-weight: 500; border-right-style: solid; border-right-color: rgba(231, 229, 238, 0.7); border-top-style: solid; border-top-color: rgba(231, 229, 238, 0.7); letter-spacing: 0px; max-width: 300px; border-left-style: solid; border-left-color: rgba(231, 229, 238, 0.7); border-top-left-radius: 10px; background: rgba(207, 222, 254, 0.2) !important; text-align: left !important; vertical-align: top !important;">特點(diǎn) | 單頻激光器 | 窄線寬激光器 |
|---|---|---|
| 輸出功率 | 通常較高，但輸出功率范圍相對(duì)較窄 | 通常相對(duì)較低，但輸出的激光線寬非常窄 |
| 線寬 | 較窄，但具體數(shù)值取決于激光器類型和設(shè)計(jì) | 非常窄，通常在幾百千赫茲到幾千千赫茲之間，甚至可以實(shí)現(xiàn)低于1 kHz的超窄線寬 |
| 頻率穩(wěn)定性 | 高，適用于需要穩(wěn)定頻率輸出的應(yīng)用 | 高，對(duì)于精確頻率控制的應(yīng)用非常重要 |
| 噪聲水平 | 低，有助于保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性 | 低相位噪聲和低強(qiáng)度噪聲，有助于提升測(cè)量精度 |
| 單縱模輸出 | 是，確保輸出的激光波長(zhǎng)穩(wěn)定且單一 | 是，以單一的縱模模式進(jìn)行輸出，有利于精確控制和測(cè)量 |
四、其他考慮因素
在實(shí)際應(yīng)用中，選擇合適的激光器應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和要求來(lái)進(jìn)行。例如，對(duì)于需要高相干性和穩(wěn)定輸出的應(yīng)用，單頻激光器可能是更好的選擇；而對(duì)于需要高精度測(cè)量和光譜分析的應(yīng)用，窄線寬激光器則更具優(yōu)勢(shì)。
窄線寬激光器的設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)因素，包括實(shí)現(xiàn)單頻操作、減少外部噪聲影響以及優(yōu)化激光器設(shè)計(jì)以最小化噪聲等。這些設(shè)計(jì)優(yōu)化措施有助于提升激光器的性能和應(yīng)用效果。
綜上所述，單頻激光器和窄線寬激光器在激光器波長(zhǎng)、應(yīng)用領(lǐng)域和性能特點(diǎn)等方面存在明顯的區(qū)別。在選擇激光器時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行綜合考慮。
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