激光谐振腔的模式计算研究

激光谐振腔模式研究的MATLAB 实现

光信1001班 刘吉祥 U201013222

摘要：谐振腔内的模式计算是分析激光器输出光束质量的前提和基础。本文在matlab 环境下，采用Fox_Li 数值迭代法计算了条形腔、矩形腔、圆形腔、倾斜腔的自再现模的振幅分布和相位分布，并比较了腔形、菲涅尔数、初始光强分布、倾斜扰动等因素对最终模式的影响，具有一定的实际应用价值。

1. 原理说明

设初始时刻在镜I 上有某一个场分布1u ，则当波在腔中经第一次渡越而到达镜II 时，将在镜II 上形成一个新的场分布2u ，场2u 经第二次渡越后又将在镜I 上形成一个新的场分布3u 。每次渡越时，波都将因为衍射损失一部分能量，并引起能量分布变化，如此重复下去……由于衍射主要是发生在镜的边缘附近，因此在传播过程中，镜边缘附近的场将衰落得更快，经多次衍射后所形成的场分布，其边缘振幅往往都很小（与中心处比较），具有这种特征的场分布受衍射的影响也将比较小。可以预期：在经过足够多次渡越之后，能形成这样一种稳态场：分布不再受衍射的影响，在腔内往返一次后能够“再现”出发时的场分布，即实现了模的“自再现”。

光学中的惠更斯—菲涅尔原理是从理论上分析衍射问题的基础，该原理的严格数学表示是菲涅尔—基尔霍夫衍射积分。设已知空间任意曲面S 上光波场地振幅和相位分布函数为),(y x u '',由它所要考察的空间任一点P 处场分布为),(y x u ，二者之间有以下关系式：

??+=-S ik dS e y x u ik y x u ')cos 1()','(4),(θρπρ

式中，ρ为),(y x ''与),(y x 连线的长度，θ为S 面上点),(y x ''处的法线和上述连线之间的夹角，s d '为S 面上的面积元，k 为波矢的模。

本文采用Fox —Li 数值迭代法实现了条形腔、矩形腔、圆形腔、倾斜腔的自再现模的形成。

2. 实现方案

2.1条形腔

条形腔是一种理想模型，即一个方向有限长，而另一个方向上无限延伸的腔形，故只在长度有限的那个方向上发生衍射现象，迭代公式为一维的菲涅尔—基尔霍夫衍射积分：

?+-'---'

'=a a L x x ik ikL x d x u e e L i x u )()

(2)(2λγ

将条形腔的左镜面S 上沿着)(a a ，-之间划分N-1等分，则有N 个点，每个区间为)1/(2-N a 。右边镜面P 上每一点的求解都需将左边镜面上的点逐点计算一遍并相加，如此循环迭代下去，最终会达到稳态分布。

2.2矩形腔

在矩形腔中，),(y x ''与),(y x 连线的长度ρ可以表示为

222)()(L y y x x +'-+'-=ρ，经过计算与推导可知：矩形腔的计算不需考虑整个面上的点的影响，可以按照x 、y 两个方向分离变量为)()(),(y u x u y x u =，其中)()(y u x u 、的计算与条形腔相同。

2.3 圆形腔

圆形腔的迭代思想与矩形腔相同，只是划分与矩形腔不同。圆形腔是按照径向和角向划分，在极坐标(r,Φ)下完成数值迭代，但在最后显示的时候，需要将极坐标还原成笛卡尔坐标系。

具体思路是：由极坐标和直角坐标的转换关系，X=r COS Φ，Y=r sin Φ，其 中，r 、Φ为极坐标参量。将X 、Y 用相应的极坐标参量代换并代入衍射方程，得

（4）

为了分离变量，对圆形镜谐振腔，其场分布函数经常采用如下形式：

（5）

式中：p 表示场分布在径向的变化；f 表示场分布按方位角以不同的正弦或余弦方式变化。将式(5)代入式(4)，可得：

式中，右边积分可以分离为Φ和r的积分，方括号内Φ的积分可以仿照圆形镜共焦腔来进行，利用积分关系

为l阶第一类贝塞尔函数。再将式(7)代入式 (6)，可以将方程(6)化式中，J

l

简为只含径向的本征方程：

模，设初始场分布为均数值迭代开始前需要给定初始的场分布尺，对TEM

00

匀平面波，将0≤r≤a等分为N个点，令R1L(r)=1，即镜面上各点振幅均为1。

第q次迭代后，r1,r2,…rN各点本征值为

2.4 倾斜腔

严格的平行平面腔只是一种理想情况，实际情况下出现一定的不平行性是不可避免的，这里主要考察倾斜条形腔对自再现模的影响，如图3所示：

图3 倾斜平行平面腔的示意图

两个镜面相对其理想位置(即两镜面与其公共轴线严格垂直的位置) 沿相反方向偏离同样大小的微小角度β, 在镜的边缘处与理想位置的偏离线度δ。在δ甚小的情况下,且只考虑腔的旁轴光线,镜面上两点的距离M1′M2′与理想情况下相应两点的距离M1M2之差为:

)()(2121x x a x x M M M M I '+=

'+=-''='δβ，故)(2121x x a M M M M '++=''=δρ，

于是衍射积分方程变为： ?+-'+-'---''??=a a x x a ik L x x ik ikL x d x u e e e L

i x u )()()(2)(2δλγ，类似于条形腔，可以计算

出倾斜条形腔的自再现模。 3. 实验结果与分析

3.1 激光谐振腔模式的各种分析方法的比较

特征向量矩阵法，Fox —Li 数值迭代法、厄米一高斯展开法、快速傅立叶变换法（FFT ）、有限差分法（FDM ）和有限元法（FEM ）。特别是Fox —Li 数值迭代方法，它是一种模式数值求解中普遍适用的一种方法，只要取样点足够多，它可以用来计算任何形状开腔的自再现模，而且还可以计算诸如平行平面腔中腔镜的倾斜、镜面的不平整性等对模的扰动。其缺点是在菲涅耳数F 很大时，计算工作量很大。 特征向量法是对腔镜进行有限元单元划分的，构造光束传输矩阵，通过求解特征矩阵的特征向量，即可获得腔镜光场分布的振幅和相位分布。矩阵运算时间与矩阵维数有着近似平方的关系，二维衍射积分方程的传输矩阵的维数高，计算需要数小时甚至数天的时间，对于大菲涅耳系数的谐振腔计算难度更大。

3.2 菲涅尔数对结果的影响

对于条形腔，菲涅尔数F 定义为：L a F λ/2=。菲涅尔数越大，衍射损耗越

小。当谐振腔的菲涅尔数较大时，低阶模式和高阶模式的衍射损耗非常接近，以至于高阶模在有限的迭代次数下不能有效地消除；而谐振腔的菲涅耳数比较小时，高阶模具有更高的颜色损耗，从而更能有效地抑制高阶模振荡。下图依次为条形腔菲涅尔数F=0.9，2.5，10时，自再现模的振幅分布和相位分布的比较。

从图中可以看出，对于大菲涅尔数腔而言,振幅分布在镜边缘处的值很小,相位分布在镜中心区域可近似看成平面波分布；菲涅尔数越小,场分布曲线上的起伏越小,曲线越趋于平滑，振幅分布曲线越接近于标准高斯分布,相位分布曲线则越接近于球面波分布。由于平行平面腔的基模振幅分布就是高斯分布，相位分布越接近于球面波分布，故可以得出结论：在小菲涅尔数情况下，高阶模的损耗比基模大得多。

3.3 腔镜的倾斜扰动对最终模式的影响

实际上的谐振腔很难做到完全平行，而是有一定的倾斜量。在计算的过程中发现，当50/λδ=时就很难达到稳态分布（本实验中，稳态分布的判据是：归一化后，前后两次对应点的差值均小于0.0001），100/λδ=、200/λδ=、400/λδ=到达稳态分布的迭代次数分别为945、426、305，可见倾斜线度越大，越难达到稳态分布。

3.4 圆镜腔与矩形腔的迭代输出结果的比较

外腔用半导体激光管基本原理及应用

外腔用半导体激光器基本原理及应用 1. 外腔用半导体激光器的概念 早期普通FP腔结构的半导体激光管腔长一般在800μm—1500μm, 后反射面的反射率接近全反射,出射端面的反射率一般在百分之几十以内。由于谐振腔的精细度不够高,而自由光谱范围又很宽,造成普通FP腔半导体激光器的线宽比较宽,甚至会出现多模运转,所以通常不能直接用在原子分子精密光谱，光频标，冷原子操控，原子干涉仪等研究领域。后续出现了DFB/DBR等激光器，因为内置光栅的原因，线宽得到了一定的压窄，可以达到2MHz甚至更小，基本可以应用到上述领域中。但随着对研究精度的提高，MHz级别的线宽已经不能满足更高要求的实验需求了，于是通过在激光管外再增加一些光反馈元件,使得激光管的后反射面和光反馈元件之间形成一个外腔,这样的激光器称为外腔半导体激光器(ECDL)。由于外腔对激光器的模式选择作用,可以大幅度压窄半导体激光器的线宽到KHz级别,同时通过外腔光学元件的调谐作用,使得激光波长可以精确调谐。由于外腔半导体激光器具有易于调谐、谱线宽度窄、维护简单等特点,成为精密光谱研究中一个重要的工具。当然外腔用半导体激光器也有结构稳定性和紧凑度不如DFB激光器的情况，但更窄的线宽以及更高的功率依然是它的最大优势所在。 两种典型的外腔半导体激光管结构（Littrow结构和Littman结构）

2. 外腔用半导体激光管的线宽压窄原理 设入射光的波长为λ0 ，为了使1级光形成外腔反射，必须满足以下方程组： 从激光管出来的光谱范围较大，波长成分较多，但只有满足第一个方程的波长成分才会发生一级闪耀反射回去，同时腔长必须满足第二个方程，反射回去的光才能形成谐振放大。零级出射光里的波长成分主要是一级反射光的波长，其它波长成分因为没有放大过程会大幅衰减，表现出来的光谱特性就是极窄的线宽。 3. 主要应用 外腔用半导体激光器因为它极窄的线宽和较高的光功率，在冷原子，原子分子精密光谱研究领域具有广泛的用途，目前主要应用在原子冷却，光频标，原子干涉仪，激光陀螺，高精度原子钟和光钟。 ?????==0002sin 2λλθq L d

LASCAD-激光谐振腔设计软件

LASCAD-激光谐振腔设计软件 LASCAD 介绍 ?计算机上的光学工作平台 ?激光谐振腔分析与设计工具 ?教学工具 LASCAD 计算机上的光学工作平台 尽管LASCAD提供复杂的工程工具，它的一个基本原则是创造一个容易使用的程序。它提供了一个程序化用户界面，可作为PC上的光学工作台，用于激光谐振器的直观设计。这样人们就可以在实验室或交流会上了解实验结果，而不需花费很长时间去看复杂的说明书或者键入大量数字： ?光学元件如平面镜、透镜、或晶体可以用单击鼠标来加入、合并、拉动、调整、或消除 ?全面考虑了谐振器和晶体的象散现象 ?有限元分析、ABCD矩阵及波动光学编码可以在菜单条中选择 LASCAD 激光腔体分析与设计工具 LASCAD 激光腔体分析与设计工具 FEA 可以用于计算激光器晶体的温度分布、变形、应力和机械断裂。计算过程中需要考虑材料的参数、泵浦构型以及冷却结构等。FEA 是技术物理领域中

一种众所周知的求解差分方程的数值方法，例如，热传导方程。虽然在其他许多工程领域，FEA 得到广泛的成功应用并且是一个不可或缺的方法，但是目前还没有在其他任何一款商用激光设计软件上实现。 为了让FEA 能够直接应用于激光腔的设计，LASCAD对重要构型进行FEA 模型预设计，例如，端面或者侧面泵浦的棒状、条状以及盘状激光器。多种材料或者掺杂的晶体也有相关的模型，例如未掺杂的端面镜。用户可以自定义尺寸、FEA 网格、边界条件以及模型中的其他参数。与温度相关的材料参数也可以通过解析式添加到模型中去。 被吸收的泵浦功率密度分布采用基于超高斯函数的解析近似表达式进行表征。为了实现吸收泵浦光的数值建模，LASCAD?支持从ZEMAX和TracePro的光线追迹程序导入数据。这些程序可以生成吸收泵浦功率密度的三维数据，可以直接导入到LASCAD中。ZEMAX 和TracePro对模拟闪光灯泵浦或者非常规的泵浦结构时的泵浦光分布非常有用。 ABCD 高斯光束传播代码 LASCAD提供一个开放的图形语言，可以将泵浦光的分布，边界状态和FEA 结果利用复杂的2D和3D图形工具形象化。 将FEA 的结果应用到ABCD 传输矩阵，温度分布，以及温度相关的折射率函数，在垂直光轴方向进行抛物线拟合。在拟合过程中，有限元网格在沿着晶体轴和垂直的方向上又进行划分。用同样的方法可以完成晶体端面变形的拟合。对于很多结构，例如端面泵浦的晶体棒，上述拟合近似可以得到的激光模式的可靠解。

激光谐振腔的模式计算研究

激光谐振腔模式研究的MATLAB 实现 光信1001班 刘吉祥 U201013222 摘要：谐振腔内的模式计算是分析激光器输出光束质量的前提和基础。本文在matlab 环境下，采用Fox_Li 数值迭代法计算了条形腔、矩形腔、圆形腔、倾斜腔的自再现模的振幅分布和相位分布，并比较了腔形、菲涅尔数、初始光强分布、倾斜扰动等因素对最终模式的影响，具有一定的实际应用价值。 1. 原理说明 设初始时刻在镜I 上有某一个场分布1u ，则当波在腔中经第一次渡越而到达镜II 时，将在镜II 上形成一个新的场分布2u ，场2u 经第二次渡越后又将在镜I 上形成一个新的场分布3u 。每次渡越时，波都将因为衍射损失一部分能量，并引起能量分布变化，如此重复下去……由于衍射主要是发生在镜的边缘附近，因此在传播过程中，镜边缘附近的场将衰落得更快，经多次衍射后所形成的场分布，其边缘振幅往往都很小（与中心处比较），具有这种特征的场分布受衍射的影响也将比较小。可以预期：在经过足够多次渡越之后，能形成这样一种稳态场：分布不再受衍射的影响，在腔内往返一次后能够“再现”出发时的场分布，即实现了模的“自再现”。 光学中的惠更斯—菲涅尔原理是从理论上分析衍射问题的基础，该原理的严格数学表示是菲涅尔—基尔霍夫衍射积分。设已知空间任意曲面S 上光波场地振幅和相位分布函数为),(y x u '',由它所要考察的空间任一点P 处场分布为),(y x u ，二者之间有以下关系式： ??+=-S ik dS e y x u ik y x u ')cos 1()','(4),(θρπρ 式中，ρ为),(y x ''与),(y x 连线的长度，θ为S 面上点),(y x ''处的法线和上述连线之间的夹角，s d '为S 面上的面积元，k 为波矢的模。 本文采用Fox —Li 数值迭代法实现了条形腔、矩形腔、圆形腔、倾斜腔的自再现模的形成。 2. 实现方案 2.1条形腔 条形腔是一种理想模型，即一个方向有限长，而另一个方向上无限延伸的腔形，故只在长度有限的那个方向上发生衍射现象，迭代公式为一维的菲涅尔—基尔霍夫衍射积分：

894nm外腔半导体激光器

收稿日期：2011-03-07；修订日期：2011-04-19 基金项目：国家自然科学基金(10874012，10974177)；国际科技合作计划(2010DFA04690) 作者简介：黄凯凯(1971-)，男，讲师，博士，主要从事激光与物质相互作用方面的研究。Email:huangkaikai@https://www.sodocs.net/doc/409349981.html, 894nm 外腔半导体激光器 黄凯凯，李 楠，陆璇辉 (浙江大学物理系光学研究所，浙江杭州310027) 摘 要：介绍了一种基于Littrow 结构的894nm 外腔半导体激光器的设计原理，给出了光栅转轴的 优化点计算，分析了无跳模范围和实际转轴位置的关系，指出了实际光栅转轴点的合理位置。针对铯原子激光抽运磁力仪的应用要求，通过外腔的选频功能，以及低噪声激光电流源、低温漂温控器和低噪声压电陶瓷驱动器，实现了自由运转波长为904nm 的激光管调谐到894nm 的单模运转，连续无跳模范围在3GHz 以上。共焦FP 腔的观测表明，外腔半导体激光器对自由运转激光管的线宽进行了有效压窄。搭建了饱和吸收谱装置，成功观测到了Cs 原子D 1线的F =3->F ′=3,4和F =4->F ′=3,4两套饱和吸收谱线。 关键词：外腔半导体激光器；铯D 1线；饱和吸收谱中图分类号：TN248.4 文献标志码：A 文章编号：1007-2276(2011)11-2129-05 894nm external cavity diode laser Huang Kaikai,Li Nan,Lu Xuanhui (Institute of Optics,Physics Department,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China) Abstract:The design principle of 894nm external cavity laser diode with Littrow configuration was introduced.The calculation on optimized grating mount pivot point position was given.Analysis of the mode -hop -free range versus practical pivot point position as well as the reasonable pivot point position were pointed.By frequency selection of external cavity and application of low noise current driver,low temperature drift controller and low noise piezo driver,single mode operation of the laser at 894nm was realized on a laser diode with a free running wavelength of 904nm,which was to be applied in laser pumped Cesium magnetometer.The mode -hop -free range was above 3GHz.It could be seen from the confocal FP cavity that the laser linewidth was effectively narrowed in the external cavity.In order to obtain Cs D 1spectrum,a saturation absorption spectroscopy layout was built and the hyperfine lines spectrum of F =3->F ′=3,4and F =4->F ′=3,4transition were successfully obtained.Key words:external cavity diode laser; cesium D 1lines; saturation absorption spectroscopy 第40卷第11期 红外与激光工程 2011年11月Vol.40No.11 Infrared and Laser Engineering Nov.2011

一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器讲解

一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器 沈少棠 北京工业大学应用数理学院 000611 指导教师:宋晏蓉 摘要介绍了一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器的结构、制作工艺、优点及其应用。 关键词激光器,半导体,垂直外腔面 一、引言 垂直腔面发射激光器(VCSEL及其阵列是一种新型半导体激光器,它是光子学器件在集成化方面的重大突破,它与侧面发光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同。端面发射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面;与此相反,VCSEL 的发光束垂直于晶片表面。它优于端面发射激光器的表现在:易于实现二维平面和光电集成;圆形光束易于实现与光纤的有效耦合;有源区尺寸极小, 可实现高封装密度和低阈值电流;芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验;在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作;价格低。

二、垂直腔面发射激光器的结构 图 1为 VCSEL 的结构示意图,由布拉格反射镜,有源层和金属 层接触组成。其衬底的选择有以下 3种。 1、硅衬底在硅 (Si 上制作的 VCSEL 还不曾实现室温连续波工作。 这是由于将 AlAs/GaAs DFB直接生长在 Si 上,其界面不平整所致, 使 DFB 的反射率较低。日本 Toyohashi 大学的研究者由于在 GaAs/Si 异质界面处引入多层(GaAsm(GaPn 应变短周期超晶格(SSPS 结构而降低了 GaAs-on-Si 异质结外延层的密度。 2、蓝宝石衬底美国南方加利福利亚大学的光子技术中心为使 VCSEL 发射的850nm 波长光穿过衬底, 采用晶片键合工艺将 VCSEL 结构从吸收光的 GaAs 衬底移开,转移到透明的蓝宝石衬底上,提高了 wall-plug 效率,最大值达到 25%。 3、砷化钾衬底基于砷化钾(GaAs基材料系统的 VCSEL 由于高的 Q 值而备受研究者青睐,目前 VCSEL 采用最多也是生长在 GaAs 衬底上。但以 GaAsSb QW作为有源区的 CW 长波长 VCSEL 发射波长被限制在 1.23 微米。发射波长 1.3 微米的 GaAsSb-GaAs 系统只有侧面发射激光器中报道过。日前美国贝尔实验室的 F.Quochi 等人演示了室温 CW 时激射波长为~1.28 微米的生长在 GaAs 衬底下的光泵浦 GaAsSb-GaAs QW VCSEL。这个波长是目前报道的 GaAsSb-GaAs 材料系最长的输出波长。 三、垂直腔面发射激光器的制作新工艺 1、氧化物限制工艺氧化物限制的重大意义在于:能较高水平地控制发射区面积和芯片尺寸,并能极大地提高效率和使光束稳定地耦合进单模和多模光纤。因此,采用氧化物限制方案器件有望将阈值电流降到几百 A,而驱动电流达到几个 mA 就

光学谐振腔的分类之一

光学谐振腔的分类之一 腔内傍轴光线几何逸出损耗的高低：稳定腔、非稳腔、临界腔。 稳定腔：腔内傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔。 非稳腔：腔内光线经过有限次往返传播后逸出腔外的谐振腔。 临界腔：能够保证截面平行于反射镜面的光束在反射镜间传播不逸出。 什么样几何形状的谐振腔？共轴球面腔的三个参数：腔镜的曲率半径R 1、R 2、腔长 L 需要满足什么样的条件呢？ 本节讨论光学谐振腔的稳定性条件。 1.共轴球面谐振腔的稳定性条件 光线在球面谐振腔内往返n 次的光学变换矩阵： = 往返n 次后光线的空间位置坐标与方向坐标： 如果在无论n 取多大值、任何值的情况下，An 、Bn 、Cn 和Dn 都是在一定范 围内的有限值，那么 和 就是有限值，只要反射镜的镜面横向尺寸足够大，就可以保证傍轴光线在腔内往返任意次、无限次而不会从侧面逸出。 从M n 的表达式中可以看出，角度 的大小对矩阵中的四个元素An 、Bn 、Cn 和Dn 起着决定性的作用。 和 取值大小，反映的是光线偏离光轴能力的大小，即造成激光几何 损耗的大小。 下面我们就分三种情况对 角的取值加以讨论，并希望能从中寻找出谐振腔的稳定性条件。 n n n n n A B M C D ??=?????? ? ???----???? ???)1sin(sin sin sin )1sin(sin sin 1n n D n C n B n A 1111n n n n n n r A r B C r D θθθ=+?? =+? ?n r n θn r n θ????? ??? ??? - --=+-=-=-=1212121222)21)(21() 11(24)1(221R L R L R L D R R R R L C R L L B R L A

电子科大激光原理课程设计—谐振腔光束仿真

课程设计 题目：谐振腔的稳定性分析和自再现高斯光束计算姓名： 学号： 指导老师： 时间： 电子科技大学光电信息学院

任务一： 如图A 所示的谐振腔，用Matlab 程序计算光线在腔内的轨迹，演示腔的稳定和不稳定时光线在腔内往返次数增加时光线轨迹。初始光线任意选择。 图A 两球面镜组成的谐振腔 实现方法： 首先利用列阵r θ??????描述任光线的坐标，而用传输矩阵i i i i i A B T C D ?? =? ??? 描述光线经过一段空间后所引起的坐标变换。假设光线在腔内经n 次往返时其参数的变换关系以矩阵的形式表 示： n n r θ?? ???? =1 n i i T =∏ 11r θ?? ???? 用 计算出光线的路径。 如此循环得到腔内的光线轨迹。 实现程序： 见 源程序（1） 模拟结果： 稳定情况下 非稳定情况下 R1=500mm,R2=600mm,L=700mm R1=250mm,R2=300mm,L=700mm

任务二： 如图所示的谐振腔，由球面放射镜和平面放射镜之间插入一薄透镜构成。 图B 平面镜和凹面镜之间插入薄透镜谐振腔 （1）分析计算透镜与平面镜之间的距离在什么范围内腔是稳定的； （2）在腔稳定情况下，演示在腔内往返100次以上时光线轨迹； （3）计算自再现高斯光束的q参数，并演示往返一周腔内光斑半径曲线自再现（波长为 0.5um）。 实现方法： （1）计算谐振腔的传输矩阵 ，利用公式计算的值，判断当 时，谐振腔是稳定的，当不再范围内时，谐振腔是非稳定的。 （2）其实现方法同任务一的方法一样。 （3）计算谐振腔内各个平面上的q参数，根据，求得和，利用 求得，用画出光线在谐振腔内往返一周的光斑半径曲线，同时验证谐振腔模式的自再现。 实现程序： 见源程序（2.2）和（2.3）

半导体激光器

半导体激光器 半导体激光器又称激光二极管[1](LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。 A 小功率LD 用于信息技术领域的小功率LD发展极快。例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈(DFB)和动态单模LD、窄线宽可调谐DFB-LD、用于光盘等信息处理技术领域的可见光波长(如波长为670nm、650nm、630nm的红光到蓝绿光)LD、量子阱面发射激光器以及超短脉冲LD等都得到实质性发展。这些器件的发展特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐以及短波长化和光电单片集成化等。 B 高功率LD 1983年，波长800nm的单个LD输出功率已超过100mW，到了1989年，0.1 mm条宽的LD则达到3.7W的连续输出，而1cm线阵LD已达到76W输出，转换效率达39%。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵LD连续波输出功率达121W，转换效率为45%。现在，输出功率为120W、1500W、3kW等诸多高功率LD均已面世。高效率、高功率LD及其列阵的迅速发展也为全固化激光器，亦即半导体激光泵浦(LDP)的固体激光器的迅猛发展提供了强有力的条件。 近年来，为适应EDFA和EDFL等需要，波长980nm的大功率LD也有很大发展。最近配合光纤Bragg光栅作选频滤波，大幅度改善其输出稳定性，泵浦效率也得到有效提高。 【特点及应用范围】半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。 【半导体激光器的发展及应用】半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。 在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家的火车上他写下了有关数据。回到家后，哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗，他们的计划获得成功。

外腔半导体激光器

For personal use only in study and research; not for commercial use 外腔半导体激光器 半导体激光器就是将载流子注入激光器有源层，实现粒子数反转，通过谐振腔实现光子共振。载流子注入主要有电注入和光注入两种，电注入通过p-i-n结构，将电子注入有源区的导带，空穴注入价带，也称激光二极管（LD: laser diode）；光注入就是用外来光源（主要是激光），将电子子从有源区的价带激发至导带。 半导体很容易做成光子和载流子限制结构，如量子阱、谐振腔，容易实现粒子数反转和光子共振。 半导体激光器的优点：成本低、体积小（器件本身尺寸以微米量级，包括封装也能用手拿住）、电注入（电磅浦）、寿命长。缺点：光束是发散的，得用透镜系统来聚束。 上面提到了谐振腔，半导体激光器的谐振腔分外腔和内腔： 内腔主要是半导体解理面（端发射）或分布布拉格反射镜（DBR: distributed Bragg reflector）（面发射），内腔都是在器件内实现。 外腔就是将谐振腔延伸至器件外面，用光学反射镜面实现。 内腔的优点：成本低，工艺简单，易于实现；缺点：腔长短，很难实现大功率单模发射，输出发散角大。 外腔的优缺点正好和内腔反过

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1.激光谐振腔的品质因数Q

1. 固体激光器的基本结构与工作物质 固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图7.1.1是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。 固体工作物质是固体激光器的核心。影响工作特性的关键是工作物质的光谱特性。最常用的是红宝石和掺Nd 3+激光器。 1) 红宝石激光器 工作物质为Al 2O 3＋Cr 2O 3，Cr 3＋决定光谱性能，从红宝石中铬离子的能级结构图（7.1.2）红宝石激光器为三能级系统，激光谱线：0.6943μm+0.6929μm ；0.6943μm 占优势。泵浦源为脉冲氙灯。由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一般用光泵浦源激励。 优缺点：阈值高、温度效应非常严重、室温下不适于连续和高重复率工作。 图7.1.1 固体激光器的基本结构示意图 图7.1.2 红宝石中铬离子的能级结构

2) Nd 3＋ :YAG 激光器 突出优点：阈值低和具有优良的热学性质，这就使得它适于连续和高重复率工作。 Nd 3＋:YAG 是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质，在中小功率脉冲器件中，特别是在高重复率的脉冲器件中，目前应用Nd 3＋:YAG 的量，远远超过其它固体工作物质。可以说， Nd 3＋:YAG 从出现至今，大量使用，长盛不衰。 工作物质:将一定比例的A12O 3、Y 2O 3，和Nd 2O 3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd 3＋)， YAG 中Nd 3＋与激光产生有关的能级结构如图7.1.3所示。它属于四能级系统。 2. 固体激光器的泵浦系统 1) 固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。泵浦光源应当满足两个基本条件。 2) 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。 3) 图7.1.4所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。 4) 固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。 5) 泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。 图7.1.3 Nd 3＋ :Y AG 的能级结构

He-Ne激光器谐振腔调整及纵横模观测

He-Ne激光器谐振腔调整及纵横模观测 相对一般光源，激光具有单色性好的特点，也就是说，它具有非常窄的谱线宽度。这样窄的谱线，不是受激辐射后自然形成的，而是受激辐射经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉后形成的。所形成的一个或多个离散的、稳定的又很精细的谱线就是激光器的模。每个模对应一种稳定的电磁场分布，即具有一定的光频率。相邻两个模的光频率相差很小，我们用分辨率比较高的分光仪器可以观测到每个模。当从与光输出的方向平行（纵向）和垂直（横向）两个不同的角度去观测和分析每个模时，发现又分别具有许多不同的特征，因此，为方便每个模又相应称作纵模和横模。 在激光器的生产与应用中，我们常常需要先知道激光器的模式状况，如精密测量、全息技术等工作需要基横模输出的激光器，而激光稳频和激光测距等不仅要求基横模，而且要求单纵模运行的激光器。因此，模式分析是激光器的一项基本而又重要的性能测试。 一、实验目的 1．了解激光器的模式结构，加深对模式概念的理解。 2．通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。 3．对本实验使用的分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能，学会正确使用。 二、实验原理 1．激光器模的形成 我们知道，激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式，在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射的作用，将有一定频率的光波产生，在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、 放大，如图2-1所示。实际上，由 于能级总有一定的宽度以及其它因 素的影响，增益介质的增益有一个 频率分布，如图2-2所示，图中) ( G 为光的增益系数。只有频率落在这 个范围内的光在介质中传播时，光 强才能获得不同程度的放大。但只 有单程放大，还不足以产生激光，图 2-1 粒子数反转分布生激光还需要有谐振要产腔对其进行光学反馈，使光在多次往返传播中形成稳定、持续的振荡。形成持续振荡 的条件是，光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍，即

半导体激光器设计

半导体激光器设计 摘要:半导体激光器产生激光的机理,即必须建立特定激光能态间的粒子数反转，并有光学谐振腔。由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性,一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处,另一方面所产生的激光光束也有独特的优势,使其在社会各方面广泛应用。从同质结到异质结,从信息型到功率型,激光的优越性也愈发明显,光谱范围宽, 相干性增强,使半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。 关键词:受激辐射;光场;同质结;异质结;大功率半导体激光器 0 前言 半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器,又称半导体激光二极管(LD) ,是20世纪60年代发展起来的一种激光器。半导体激光器的工作物质有几十种,例如砷化镓(GaAs) ,硫化镉(CdS)等,激励方式主要有电注入式,光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器从最初的低温(77K)下运转发展到室温下连续工作;从同质结发展成单异质结,双异质结,量子阱(单,多量子阱)等多种形式。半导体激光器因其波长的扩展,高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展.半导体激光器的体积小,重量轻,成本低,波长可选择,其应用遍布临床,加工制造,军事,其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展最为突出。 1半导体激光器的工作原理 1.1激光产生原理 半导体激光器是一种相干辐射光源,要使它能产生激光,必须具备三个基本条件: (1)增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布,在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带,因此在半导体中要实现粒子数反转,必须在两个能带区域之间,处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多,这靠给同质结或异质结加正向偏压,向有源层内注入必要的载流子来实现。将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用。

激光谐振腔

激光谐振腔 摘要：本实验通过对He-Ne激光器的调节加强学生对激光谐振腔以及相关知识的理解，熟悉和掌握激光器调节的原理和技巧。 关键词：光模式；谐振腔；He-Ne激光器 Laser resonator Duo Wang (School of Science, BUPT. Beijing, 100876) Abstract:In this study, through the regulation of the He-Ne laser to enhance students' understanding of the laser resonator and knowledge and master the principles and techniques of laser adjustment. Keywords:Light mode; Resonator; He-Ne laser 自1960年激光器问世以来，作为一种新光源，激光器具有光束发散角小、亮度高、单色性和相干性好的特点。He-Ne激光器是一种应用很广的典型激光器件，它是由（1）起放大作用的工作物质；（2）具有选频（或者说滤波）和正反馈作用的光学谐振腔；（3）激励能源等三部分组成。激光模式的研究对激光器研制和激光应用技术都有很大意义。 1 实验原理 1.1谐振腔和纵模频率 由两块互相平行的平面反射镜组成的平行平面腔是一种典型的光学谐振腔。其原理如图1所示。 图 1 平行平面腔示意图 平行于轴线传播的平面波A在两反射镜间经过偶数次发射后得到光波B、C……，这些光波和A叠加在一起，根据干涉现象的原理，A、B、C等只有当它们的相位相同是才能互相加强，腔内才能发生“谐振”，最后才能形成激光。设谐振腔长度为L，腔内工作物质的折射率为μ，光波的频率为ν，相应的真空中波长为λ0=cν，式中c是真空中的光速。工作物质中的波长为λ=cμν，于是可得平行平面腔的谐振条件为 L=Nλ 2 =Nλ0 2μ （1）式中N是整数。上式也可写作 ν=N c 2μL （2）在工作物质的增益及腔镜反射率都不随频率改变的理想情况下，只考虑谐振腔的正反馈（靠反射镜实现）及谐振选频作用，由（2）式可得到如图2所示的一些列等间隔的频谱线，每种谐振频率的光振荡成为一种模式。 图2 腔的谐振频率示意图 图2中相邻亮谱线频率间隔Δν 由谐振