单频激光器

       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。

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+1/2)λB^2/2nrL]

       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，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。

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。

和窄线宽激光器区别

       单频激光器和窄线宽激光器在激光器波长、应用领域、性能特点等方面存在显著差异。以下是详细的区别介绍：

一、激光器波长

       单频激光器：通常指的是输出波长非常稳定的固体激光器或光纤激光器，其波长范围一般在1550nm左右。这类激光器在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，具有极高的单色性和方向性。

       窄线宽激光器：特指能够输出窄线宽激光信号的激光器，可以是半导体激光器或气体激光器。其波长范围更加广泛，包括可见光、近红外光和中红外光等。窄线宽激光器的输出带宽很小，即激光波长的变化范围很小，这使得它们在光谱分析、光学干涉等领域中具有重要应用。

二、应用领域

       单频激光器：主要应用于光纤传感、光纤通信、光子学实验等领域。由于其稳定的输出波长和高相干性，单频激光器能够保证数据传输的可靠性和实验数据的准确性。此外，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，单频激光器也发挥着重要作用。

       窄线宽激光器：主要用于光谱分析、光谱测量、光学干涉等领域。由于其高能量密度的窄线宽激光，窄线宽激光器能够提供更高的测量精度和更准确的数据结果。在传感器领域，如用于应变和/或温度的光纤传感器、各种类型的干涉传感、痕量气体检测等，窄线宽激光器也具有重要的应用价值。

三、性能特点

四、其他考虑因素

       在实际应用中，选择合适的激光器应根据具体的应用场景和要求来进行。例如，对于需要高相干性和稳定输出的应用，单频激光器可能是更好的选择；而对于需要高精度测量和光谱分析的应用，窄线宽激光器则更具优势。

       窄线宽激光器的设计需要考虑多个因素，包括实现单频操作、减少外部噪声影响以及优化激光器设计以最小化噪声等。这些设计优化措施有助于提升激光器的性能和应用效果。

       综上所述，单频激光器和窄线宽激光器在激光器波长、应用领域和性能特点等方面存在明显的区别。在选择激光器时，应根据具体的应用需求进行综合考虑。