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什么是激光跳模?

发布时间:2022-06-14 17:27:31 浏览量:5351 作者:Robert

摘要

MOGLabs外腔半导体激光器有这样一个参数——Mode-hop free,称为无跳模,那么半导体激光器为什么会发生跳模呢?

正文


什么是激光跳模?


大多数外腔半导体激光器(ECDL)面临的一个问题是二极管内腔模式、光栅(或滤光片)和外腔模式的色散之间的竞争。这些元件随温度、腔长或光栅(或滤光片)角度的变化体现出的不同模式表现,限制了激光频率的稳定性和频率可连续调谐的范围。


首先需要知道的是在激光器谐振腔内部会发生模式竞争,虽然各模式的频率不同,但使用相同的反转粒子数,因此在均匀加宽的激光器中,满足阈值条件纵模在振荡过程中相互竞争,导致只有相对靠近中心频率的纵模取胜,而其他模式都被抑制。


而跳模正是因为模式竞争而引发的。如下图所示,在图(a)中νq相比νq+1更靠近中心频率ν0,因此在模式竞争中νq取胜,激光器输出激光频率即为νq。但是由于半导体激光器的输出频率受到温度以及腔长的影响,当腔内温度升高,放电管热膨胀,粘在放电管两端的反射镜片距离增加,即腔长变长,而纵模的频率由如下公式决定:




因此当腔长L变长后,频率整体向低频方向移动,如图(b)所示,此时由于νq+1相比νq更靠近中心频率ν0,对于激光器来说输出频率从本来的νq突变为νq+1的激光,这就发生了一次跳模。由驻波条件可知腔长即半波长的整

数倍,两个本征纵模频率间隔为激光频率在范围内来回变化。



上图中表示外腔半导体激光器的各种频率相关因素的示意图。净增益是半导体增益、光栅(滤光片)、以及内外腔的综合产物,图中黑色曲线的一个个峰代表不同的模式。在相邻的外腔模式下,净增益可以非常相似。当腔内模式或光栅(滤光片)角度的微小变化,会导致与目前激光器振荡模式相比,相邻模式的整体增益更大,激光器就会跳转到更该高增益模式,即发生了跳模。


半导体激光器跳模现象多由温度和电流的改变引起。半导体的禁带宽度随温度升高更变窄,温度升高时,半导激光器的发射波长以阶梯形式跳跃变化。同样,注入电流的变化会导致载流子浓度的变化,从而引起材料折射率和增益系数的改变,也会使激光器的发射波长以阶梯形式跳跃变化。


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