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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到的相干長度長、譜線寬度窄的特點。在激光雷達、激光測距、激光遙感、激光醫(yī)療、光譜學、光頻標準和非線性光學頻率變換等領(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；nr是有效折射率；l是正整數(shù)。DFB激光器的激射波長為
λ0=λB±[(q+1/2)λB^2/2nrL]
式中L是DFB激光器長度；q=0，1，2，3…，也允許有許多縱模存在。不過最靠近布拉格波長的兩個縱模損耗最低。它們和次相鄰布拉格波長的模式損耗差至少在5cm-1以上，所以對于無端面反射調(diào)節(jié)選模的對稱光柵DFB激光器，可能出現(xiàn)雙模。一般可通過控制端面反射率或通過激光器中心光柵的λ/4相移來解決，已提出的增益耦合DFB激光器也可解決雙模問題。
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，應(yīng)考慮激射波長、波導層厚度、光柵深度以及光柵長度等因素，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)過光柵選模，其光發(fā)射譜一般是雙?；騿文?，主邊模抑制比可達30～40dB。②溫度特性，常規(guī)的異質(zhì)結(jié)激光器發(fā)射波長的溫度變化率為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l0Gbit/s量級。④光譜線寬窄，一般分布反饋激光器線寬為數(shù)十兆赫，已達到的最高水平低于100kHz。
理論基礎(chǔ)
激光模式
電磁場理論表明，在具有一定邊界條件的腔內(nèi)，電磁場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
從光子的觀點來看，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)定場分布稱為諧振腔的橫模。
常見的動態(tài)單縱模激光器
常見的動態(tài)單縱模激光器有：
①短腔激光器，通過縮短腔長加大縱模間隔來實現(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，此時尚難避免多縱模出現(xiàn)。腔長為數(shù)微米量級的豎直腔面發(fā)射激光器則是短腔的重大突破，已可做到毫安級閾值電流并能動態(tài)單縱模工作。
②復(fù)合腔激光器，通過外腔、腐蝕腔或解理耦合腔實現(xiàn)縱模選擇。
③具有光柵反饋的激光器，它是通過腔內(nèi)的周期性折射率變化來實現(xiàn)光反饋的。當光柵置于有源區(qū)內(nèi)時，稱為分布反饋（DFB）半導體激光器；當光柵置于有源區(qū)外時，稱為布拉格反射（DBR）半導體激光器。
以下重點介紹最有實用價值的DFB半導體激光器，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、應(yīng)用領(lǐng)域、性能特點等方面存在顯著差異。以下是詳細的區(qū)別介紹：
一、激光器波長
單頻激光器：通常指的是輸出波長非常穩(wěn)定的固體激光器或光纖激光器，其波長范圍一般在1550nm左右。這類激光器在諧振腔內(nèi)部只有單一縱模進行震蕩，并且輸出光強呈現(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的激光器，可以是半導體激光器或氣體激光器。其波長范圍更加廣泛，包括可見光、近紅外光和中紅外光等。窄線寬激光器的輸出帶寬很小，即激光波長的變化范圍很小，這使得它們在光譜分析、光學干涉等領(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、光子學實驗等領(lǐng)域。由于其穩(wěn)定的輸出波長和高相干性，單頻激光器能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯嶒灁?shù)據(jù)的準確性。此外，在激光雷達、激光測距、激光遙感、激光醫(yī)療、光譜學、光頻標準和非線性光學頻率變換等領(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、光譜測量、光學干涉等領(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量精度和更準確的數(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檢測等，窄線寬激光器也具有重要的應(yīng)用價值。
三、性能特點
| 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 | 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較窄 | 通常相對較低，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 | 非常窄，通常在幾百千赫茲到幾千千赫茲之間，甚至可以實現(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，有助于保證實驗數(shù)據(jù)的準確性 | 低相位噪聲和低強度噪聲，有助于提升測量精度 |
| 單縱模輸出 | 是，確保輸出的激光波長穩(wěn)定且單一 | 是，以單一的縱模模式進行輸出，有利于精確控制和測量 |
四、其他考慮因素
在實際應(yīng)用中，選擇合適的激光器應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用場景和要求來進行。例如，對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；而對于需要高精度測量和光譜分析的應(yīng)用，窄線寬激光器則更具優(yōu)勢。
窄線寬激光器的設(shè)計需要考慮多個因素，包括實現(xiàn)單頻操作、減少外部噪聲影響以及優(yōu)化激光器設(shè)計以最小化噪聲等。這些設(shè)計優(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、應(yīng)用領(lǐng)域和性能特點等方面存在明顯的區(qū)別。在選擇激光器時，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求進行綜合考慮。
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