（光学工程专业论文）双波长振荡的外腔半导体激光器设计及数值模拟.pdf

浙江大学硕上学位敝簟 8 7 7 2 7 7 摘要 本论文主要研究双波长振荡的外腔半导体激光器。外腔半导体激光器由普通 半导体激光器外部引入光学反馈元件构成，而双波长激光器能同时输出两个波长 激光。本文采用外腔反馈的方法来实现双波长输出，为采用双波长激光器实现连 续太赫兹波( t h z ) 辐射研究做准备。 论文首先综述了双波长反馈外腔半导体激光器及其应用前景，并提出了本研 究课题的任务和意义。接着介绍了目前已有的外腔反馈半导体激光器的基本理论 成果，论述了外腔反馈中的动态变化机理等。按双波长可调i 皆输出要求，设计了 以表面镀有v - 形金条的毛玻璃为光学反馈元件( 金条反射率在9 9 以上) 的傅 立叶变换外腔来实现双波长反馈与调谐，并对其进行光路计算得到反馈镜移动距 离x 与反馈的双波长波长差丑之间的关系为丑：堕竺! 坐，同时我们将该外 m ， 腔结构做一些改变还可以得到其他类似的傅立叶外腔。论文对外腔反馈激光器的 模式特性进行数值模拟，结果得到随着等效腔反馈率k 值的增大，半导体激光器 内稳定振荡的模式数目明显增加且总数为奇数2 n + l ，n = 0 ，1 ，2 ，工作模式由单 模，向多模、混沌转化。在双波长反馈中两光波的反馈率基本相等时，有两个输 出光波，且强度基本一致，而反馈率不等时两光波的输出强度出现明显变化，甚 至只有一个光波输出，可见双波长之间是存在着明显的竞争关系。最后我们做了 可调谐光栅单波长反馈半导体激光器实验研究，得到了反馈半导体激光输出的一 些特性。 本文研究的内容涉及双波长振荡的外腔半导体激光器设计及数值模拟，同时 进行了光栅单波长反馈实验，能够为双波长振荡外腔激光器以及t h z 波产生的 进一步研究提供指导。 关键词：外腔，双波长，半导体激光器，太赫兹波 浙江犬举硕士学位诧立 d e s i g na n d n u m e r 噎c a ls i n l u l a t i o no nd u a i - w a v e l e n g t h o s c 硼a t i n go f al a s e rd i o d ew i t ha ne x t e r n a lc a 嘶 a b s t r a c t a d u a l - w a v e l o n g mo s c i l l a t i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e rs u b j e c t e dt 0e x t e m a lo p t i c a l 蠡e d b a c ki si n 姬g 稚e d 1 色e 铡协m 出c a v 酶王a s e fi sa c t u 酿l y ac o m m o n s e m i c o n d u c t o rl a s e rw i 协ao p t i c a lf c e d b a c kc o m p o n e n tb e ”n dt 嘛l a s e r si n t 嘶o f c a v i t y a n d 也ed u 矗- 州e l e n g f hl a s e rc a ne m 建t w oc o l o ro p t i c a lw a v e s s i m u l t a n e o u s l yu s i n gae x t c m a lc a v i 母l a s e rt og e n e f a t et 、oc 0 1 0 ro p t i c a l 剐e si s t h ea i m 协咖d y 主n 粕sp a p 。fw h i c hm a k e st l l e 乒。p 嬲“o nf o rc o n l i n u o u s e r t z ( t h z ) w a v eg e n e r a t i o nu s i n gad u a l 一w a v e l e n g t hl a s e r f i 博蛆y ，t h ep r o g r e s sa n df o r e g r o u n do fe x t e m a lc 趣v i t yl a s o r 锄dt e r a h e r z t e c h n o l o g ya r ef c v i e w e d ，a n dm et a s ka 1 1 ds i g n 湎c a n c eo ft l l i sp a p e ri si n t r o d u c e d t h e nt h 。b a s i ct h e o r ya b o u ts e m i c o n d u c t o rl a s e rs u b j c c t e dt oe x t e m a lo p t i c a l f e e d ki sd e s c 舳e d ，m a j 柚yi n c l u d n g 出em o d 。d ”锄i c st og e td u a l w a v e e n g m t u n a b l ej a s e laf 0 州e r - t r a n s f 0 n “翩_ 【1 a ic a v “yw i t l lav - s h a p e d 嚷o l d e n 协e d b a c k m i 订。“t b 。掉n e c d v 主t yi s 坤t o9 9 ) i sd e s i g n e dw h i c hc a n 撑出i t 啸o l o rl a s e r s e l e c t i v ef e e d b a c ka 1 1 dt u n i n g 。a f t e rt i l eo p t i c a lc a l c u l a t i o l l ，、v eg e t l er e i a t i o n s h i p b e t 计e e n h em i f5 sa d j 璐妇b l ed i s t 嚣n e e a x 锻l d 也ed i a f e n t 蠹# q u e n e yb 。t w e e n d u mw a v e l e n 磬h 垂矗：a 五= 皇j 旦! 兰箬垒曼。i np r a c t i c a la p p l i e a l i 。n s ，w ec 鞠s l i 窑h t l y 豫 c h a t l g et h ec a v i t yc o n 矗g w et og e to t h e rk i n d so ff o l l r i e r a j l s f o 蝴e x t e l n a jc a v i 畔 1 km o d ec h a f a c 钯糟o f s e m i c o l 话u e 董o rl a s e r 翱韬e e t 硝 oe x 据翔a lo p 埴e 蠢f e e d b 矗c k 扭 n u m e r i c a l l ys i m u l a t e da 1 1 dg e tt h er e s u l t t h a tt h en 1 b e ro fs c a b l em o d e si n s e m 渤棚u e t 。fl 躺e ri n e r e 鞋s o sa st b 矧b a c k 犯耙o fe q t 垂碱e n 圭e 船i t yk 糯雅豁砖 a 1 1 d t h e l o t a l n u m b e rr e t a i n so d d2 n + 1 ，n = 0 ，1 ，2 t h eo r i g i n a ls i n g l e m o d e w o u l d 继m s 勤辩n st om 波蠹n o d ee v e n 曲a o 蛙e ，k 如越- w 蠢v e l 糕g 逊1 8 s e rs i m h l 矗t 诗建，w h e n i l 新援大学疆拳接论文 也ef e e d b a c kr a t e so fe 神hc o l o ra r ee q 豫l ，t h e r e l lb el 、v ow a v e l e n g mo u 单u tw i n l i d e n t i c a li n t e n 8 i q b u t 谢1 e nm er a t e sa r ed i 虢r e n t ，懒e i r 。u i p u ti n t e n s i t yw i nb e o b v i o u s l yd i f 轮揩n t ，e v e nt h e r ei so n l yo n ec o l o rl a s e ro u t p u t f r o mt 量1 ea b o v e ，w e c a ns e et l l a tt h e r ei s c o m p e d 商mk 钾嘴棚t h et w oc o l o rl a s e r s a tl a s t ，、w d e m o n s t r 引ee x p c 血n e n t a 量s t u d yo n 也ec h a r a c t e r i s t i c so fg r a t i n g t u n e de x t e m a l c a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s 甜s u b j e c t e dt os n g l ew a v e 话e d b a c k t h i sp 印e rr e f e 硌t oe x t e 蛐越c a v i t y d e s i g na n dm 皿e r i c a l s i m u l a t i o nf o r d u 出w w a v e l e n g mo s c i l l 越i n ge 硪渤a lc a v i t y8 e m c o n d u c t o rl 矗s e ra n d 也e 尊x p e 矗m e n t o n 科a t i n g - h m e de x t e m a lc a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s e lt h e s er e s u l t sc a no 糕打s o m e g u i d a n c ef o r 最哦h e fs n l d y 主n 佃。c o 王o r1 8 s e r sa n dt e f a h e mg e 畦睨。 k e r o 娜s ：e x t e r n a l 叩乱a 1f e e d b a c k ，d l l a i 讯v e l e n g 血，s e m i c o n d u d o r l a s e 如t e r 出e n z w 子v e i i i 浙淹夫学硬圭举位论文 1 1 引言 第一章绪论 敢波长激光器是一种能同时输出两个不问波长激光的特辣激光光源h 】。由于 多个波长的激光同时与物质相互体用时有藩与单波长不同的效应，多波长激光器 特别怒双波长激光器在一些科技领域中有着重要的应用，例如光谱分析、差分吸 收激光雷达、半导体激光器参数测量、吉赫兹( g h z ) 和太赫兹( t h z ) 产生、 双波长干涉仪、波分复确系统、光存储等等1 2 。 囱1 9 7 3 年n d ：y a g 晶体激光器首次实现双波长输出以来，双波长激光器的 研究就取得了徭大的进媵，从近红外到通讯波段都有研究，爵前已在多种激光嚣 中实现了双波长输出，有些还具有较好的输出性能，但各自都还有一些缺点如体 积庞大、结构复杂、可调性差等丽不能真正褥到广泛瘦用，因此需要研俸l 一静熊 够同时输出两个甚至多个波长激光、且简单、实用、波长能调谐的多波长激光器。 鹾前研究酶多波长激光器已膏十多秭，涉及至气体激竞器，蕾露激光嚣，液 体激光器以及半导体激光器等多种类型，石j f 究较多有：1 ) 染料双波长激光器【1 】， 这是一释研究簸翠静磺波长激光嚣；2 ) 钦絮磊霰波长激竞器嘲，可敬输出脉冲 或者谶续的双波长激光；3 ) 光纤双波长激光器【3 l ，带有不同增益介质的多耦合 整或者一个共塌奔凄静环缮驻，可产生双波长或者多波长激光，常瑁纛波分复嗣 的光网络中；4 ) 半导体舣波跃激光器【9 】，嗣它具有半导体激光器的众多优点而 藏为燕磺究最多、瘟蔫蒋豢最荛广泛熬多波长澈嵬嚣之一。 目前研究的双波长输出的方法大致有以下几种【l ，5 “1 ”，1 ) 双微腔的垂直表 囊发射激光器，密嚣个渡长靛垂鸯澄勰舍褐藏，它其春单缀搂工作模式，激光器 闽值低。高致密的二维阵列等特性，易于控制；2 ) 非线性晶体，利用龉体的非 线性效应壹接鲶出霰波投激光；3 ) 集藏鹣v 澎结方法，矮 拿集袋豹鞴塞器避 免器件的双通道互相于扰，两个不同的波长通过v 形结耦台进一个单输出口形 鞭瞧大学藤圭攀秘论文 成双波长：4 ) 双分布布拉格反馈 = 一节c o s ( 2 ) 为常数 ( 29 ) 激进五学聚士学位避文 其中a l = q 护+ 球拶n 8 一蟹秽s i n ( 1 ) 2 = q 口+ 搿口n o 一婶目s i n ( 2 ) 叉l 拦呸毋，a ：毒岛毋，出越霹褥： s ( i ) = c o s ( 2 ) 即2 = 2 万n l ，n = 1 ，2 ， ( 2 。】o ) ( 2 1 1 ) a 2 一l = 节口( s i n ( 1 ) 一s i n ( 2 ) ) 峦遮援式可篱纯褥 一小枷矾”埘- 珂1 ( 鬻 泣 将( 2 1 2 ) 式和( 29 ) 代入到( 2 1 0 ) 式缁 盎 = q 8 毋一留臻一矗1 ) 江e 。，) + j ) ( 2 ，1 3 ) 由此便可得，拂n 。的表达式，熟中 n o = 一p 一( 万n 一i ) c o t ( 】) ( 2 1 4 ) 该式溃是强囊装这式睾募导。翡要装。蔑乓穗甄舞特定爱镶率豹媾况下豹 ( 2 ，1 ) 式的嬲即为双外腔模式瓣，也可蕾蕾# 是在大t 值( s _ o ) 得情况下的 一个近似解，对每一个整数n 都对应有一个可能的解。设上述特定反馈率为临界 反馈率点口= 堍，出( 2 ，9 ) 式知这两个终腔模式的n 。相等，即存在蕊个强度一 样、频率不同的e c m ，即，= 。，a ：= ：o ，0 ；而且s = o ，即点 ( 糯，# ) = ( 蕊，为篱并点。如图2 * 2 中所示，当反读率夫子一怒值后便酝麓了竣井 腔模式甚至多外腔模式( 多个双外腔模式的组合) ，且处于斜率大于线上的点为 稳定模式解。嫩予斜率小于零线上的那些点为非稳定模式，特剿在7 ；= o 1 ( 瞬 中黑点处) 寄辑个外脏模式的强鹱扭等，此时为稳是模式与非稳定模式共存点， 而且由陶中可以看出除了单一e c m 解外，外腔模式解总是成对出现，故解的总 数日为奇数。与单外脏模式捆比，趣羚腔摸式磐的光强l y 21 不是誊数，西是一个 时间周期性变化的量 浙江大学硕士学位论文 f y o l 2 = j a i 2 + 1 a ：1 2 + 2 f a 。 卜：f c o “s + 却 ( 2 1 5 ) 其中为一个露数捆位，m 为鞭枣。* 扩1 b 。一a 。净1 一l t 最大值为 b 。f + l a 。f 。 2 。2 。3 势菠方程 分蛙方程即主要研究模式在分歧点模式般现稆消失与反馈搴之间的关系，我 们把反馈率写成1 3 7 舯，4 5 4 6 】： 警一+ 研+ ，其中褊即为翦露分据黪一个取镰裟模式点，然后我们寻我 一个两个时间变最的解： j 要= 乓囊，穆十5 骂秘，d + ，( 2 1 6 ) 川；o + f i ( s ，v ) + ， 其中；l 入p = s 怒考纛s o 靖对势照绂模频率静修正。嚣个时溺变量s 秘v 瞳舍 个链式规则： 倭竺嚣刚严卿叫刚朋一硼刚朋+ 泣柳 l 曰( s 一口) = 嚣( j 一疗，v 一卿= e ( s 一日，v ) 一s 秽鼠( 3 一口，v ) + 这里的下标均表示攘徽分。其主要缀次解没变，还是出( 2 ，6 式绘出，鄄 f 岛= 4 e x p ( 心。( l o 一哦印s ) + 呜e x p ( 秽叫( 2 0 一瑶护) s ) i n 。5 筏 其中，吗= ，。，口，u = 1 ，2 ) t 为了数学简化，4 和4 按下列简单形式： a 。c j “p ( i ，v ) ，0 = l ，2 ) 其中振幅c ，和频率q 。均为常数。最和尽的0 ( 曲问题通过下式确定： 您。嗡心柳j 动+ 醋蛾班白焉妒针强菇p 铲前卜劝( 2 1 8 ) = p 一心一( 1 + 2 ) i 岛 首先考虑( 2 1 8 ) 式第二式，为了使m ( 在s _ 时有解，需要满足下面的 条件，即 浙江大学硕士学位论文 ，一风一( 1 十2 岛) | 4 4 + 4 互卜o ，即p 一编一( 1 + 2 瑞) f 砰+ 鼋| = o ，这是关于 霹岛褥第一个方程，我们还需要褥关予g 和q 第二令方程，为魏主要分辑 ( 2 1 8 ) 式。首先从( 2 1 7 ) 式的第二个方程我们可以得到： 1 = 两埘( 1 + 2 岛) 燕吲州妒2 0 瑚慨 ( 2 1 9 ) 萁中c 。表示菱共辘，两为一常量。将上式代入爨( 2 1 8 ) 式并考虑蔓| 擞 靛模 式解的情况，我们可得： 仆刚塌学e x p ( 哦) ) + 哺e x p ( 嘲。) + ( t 俐可例1 嘲) 蒜岛) 】- 。 甜州1 w e x p ( - f 2 0 ) ) + 碣唧( “2 0 ) + ( 1 恤厩堋1 + 2 岛) 蒜岛肛。 再把这两个方程的实部与瘟部分嵩捌可瑷褥剿西个关于，q ，瓦q ，啦，豹方程 从而可以分别求出他们。我们发现多外腔模式解分支在双外腔模式解处商两个 h 0 p f 分歧点，按照( 2 1 5 ) 式有陬 2 = | c 】i 2 + c 。1 2 + 2 c ，c ：c 。s ( m s + ) ，这些解分 在如图2 3 所示，模拟参数与圈2 2 一样。 反馈率n ( ) 嚣2 0 髓模式解躲分歧整 匿a 表示单个或多， 照模式瓣的强凄，可隧毳窦单个努腔模式的强度镶持隽霉数 浙江大学硕士学位论文 不变，而多个外腔模式解强度则表现为时间周期性变化，且在榴继的两个h o p f 分歧点( 图a 、b 中的黑点处，分别位于两个不同外腔模式解处) 出现和消失。 图b 为潮a 的部分放大图，其中的方块黑点为图2 1 中的非简并点，可觅一个双 外腔模式解连接者两个h o p f 分歧点，第一个h o p f 分歧点来自一个稳定的外腔 模式，粥第二个h p o f 分歧点粥为个不稳定的外脏模式解。袄藏类推多， 靛模 式解在笫一个h o p f 分歧点附近为稳定的，而在第二个h p o f 分歧点处则为不稳 定的，遮表聪在遮两个点乏翔鹃多静腔模式有一个稳定性静交纯，这将在下一个 论述。 2 艺4 双乡| 、驻模式翦稳定蠖 针对上一节的讨论我们考虑这个阍题：一个稳定的双井腔模式能够连接两个 稳定的 o p f 分歧点吗? 我们将从激光器的线宽加强因子着手分析9 7 0 7 。”。从圈 2 ，2 中可眺看至第一个单雏腔模式躲的强度为单调增加，但是第二个步 脏模式分 支( 即双外腔模式) 却表现出一个分歧点或称极限点，从这点出现了一个稳定的 和不稳定的外腔模式解，分歧的上半部为稳定解，下半部为非稳定解，这个极限 j 。 点满足条件：兰= o ，由( 2 5 ) 式便可得到在极限点处的外腔模式频率方程： d 群o o a ) + s i n ( ) + ( 掰护一固【s ( 矗) 一g s i n ( ) 】= o ( 2 ，1 9 ) 而一个频率分别为。和：的取外腔模式点可能与模式2 的极限点连接在一起 为确定这一点，我们考蠹方程( 2 1 3 ) 其中a = 2 m a ：，n = l ，十2 ，懿及方程 ( 2 1 9 ) 其中= a ：，她们是关于矗2 ，g 和8 螅疆个方程，出姥我们可以在取 外腔模式极限点处得到函数a = 口( 目) ，推导如f ，首先将( 2 1 3 ) 式和( 2 1 9 ) 式清除m 毋，褥到； m 秽= ：+ e ”一，r “c 。t c ，+ t ，= t 一：i ! ! ；! ；妄蔷：器 再对上式进行化简我们可以得到个简单的“与，之间的关系式 浙江大学硕士学位论文 一南c 蛳+ 券警 汜2 ” 这样我们便得到了两个方程p = p ( 色) 和d = 口( ：) ，迸而可以得a = 哎( 挣) ， 再一f a ，( 外腔纵模间隔) 心( 滤波器带宽) ，两个滤波器分别选择一个激光单纵模，并单独调节反馈强 度，使每枣模式茨净增益穰等，最蜃褥妥嚣个渡长辕搿，遁这嚣令毙渡怒不完全 相干的，因为每个波长内部还存在多个外腔纵模，他们的光强叠加后除了一个正 弦包终快速调铡( 嚣令波长麴拍频) 外，内部还奄含一个亚一g z 的慢龟络调制 ( 由多个外腔模式引起) ，该区域易于实现，可以用于对单色性要求不商的t h z 波产生黻及t 珏z 鹱像。 2 相干双波长区域，该区域内心以乃，与上面一样调节反馈装置 楚每个模式静净增盏稳等，毙时箨腔模式足够宽，遂避复合整模式簸瘟黥够选择 性的降低外腔和内腔模式的存在，滤波器选择的每个激光模式中只包含个外腔 鳜摸，嚣令赣出毙渡完全穗予，实器中该区域兹穆魄较难实臻，是奄 z 产生及 其应用的晟好区域。 3 + 多模竣波长区壤，该区域y ， a 彭a ，_ l | 二瓣每拿反镶环路帮支持多个 激光纵模模式，而外腔中又存在大鬣频率间隔为3 7 5 m h z 外腔模式，故每个反馈 毙渡都包台了崮多个良靛模式帮羚胶摸式形成高密瘦复台麓模式，模式秘互之闻 塑垩点堂堡主兰缝丝苎 存在强烈的耦合，并会抑制了内腔模式，这种结构就不再需要为两个反馈波的净 增益进行补偿了，因为它已经通过频率包内的几个内脏模式得到了补偿。所以由 于这些寄生模式的存在，这个区域虢不适合羽柬产生t 王z 渡。 表2 - l 积波长激光器五个工俸蕊域相关参数衰 区域 擎相干相干菪模潍淹 筘横涅淹 注：( ”分别为两个波长的反馈强度； 2 ) 滤波器能磁过的每个技皓啦带宽： f 3 ) 滤波器选择的两个主被长的频率之麓 浙江大学硕士学位论文 4 混沌双波长区域，该区域一乃 儿，这个关系与半相干区域一样， 每个滤波器只通过一个激光纵模，多个外腔纵模，但半导体激光增益材料一般具 有很大的线宽加强因子口，每个模式线宽得到加强，此时每一个滤波模式为混沌 振荡状态，其光场或者强场都表现为宽带宽信号，而且两个信号的相干图像包括 很多亚包络，因此这个区域只适合用来产生混沌的t h z 信号。 5 多模混沌双波长区，该区域，r 一心与多模区一样，而激光器增益 介质与混沌区一样，此时每个滤波器可以通过多个激光纵模以及外腔纵模，与多 模相比，也是由多个内腔模式和外腔模式形成高密度复合腔模式，但每个激光模 式都表现了出混沌宽带信号，其强场分布表现出许多脉冲，这是由不同的纵模干 涉引起的，内腔模式则为准周期的快速包络调制。目前，人们对混沌结构的稳定 性做了许多研究，观测到许多的混沌现象，如前面提到的相干塌陷、脉冲波以及 低频漂移等。 因此t h z 波产生来说，相干区域是理想t h z 波的产生条件，但这些条件一 般难以满足，可以采用集成短外腔来克服了外腔的不稳定等缺点。相比之下，半 相干和多模区的条件易于满足，对系统的稳定性要求也不是那么严格，但此时所 得的t h z 波单色性、带宽等均不如相干区域，可以应用在一些对t h z 波相干性 要求不高的应用中如t h z 成像等。而两个混沌区的实现条件最易满足，产生的 t h z 波特性较之前者也最差，它可以用来研究半导体激光器内的混沌现象以及一 些t h z 成像等应用中。 2 4 双波长激光器内的四波混频 由于载流子与光场复杂的相互作用，半导体激光器内常表现出一些非线性现 象，在双波长半导体激光器中则表现为各种非线性光学效应，特别是内腔非简并 四波混频( n d f w m ，频率不等的四个波相互作用的非线性过程) 阳，1 9 ，2 1 ，5 2 ” 。 一般来况四波混频的基本过程是这样的：两个主要光波频率一和同时作 用在半导体激光器增益介质中时，它将会在差频，= t t 处对增益介质系数 和折射率进行调制，形成动态的增益和折射率光栅，两个主光波存动态光栅上发 浙江大学硕士学位论文 生散射，并分别在距两个主光波频率，处产生两个新光波。这种现象的机理已 经被广溅研究，并提出了多耪嘏释如载漉子浓度脉动、载流子热髑频谱烧空效应 等，而关于可调双波长半导体激光器n d f w m 的研究目前还不多。 2 0 0 4 年s h o 衢n a n n 剥罔实验和数值模拟研究了双波长半导锩激光器内的聪 波混频，得出：如果在双波长半导体激光器输出光谱中有该双波长四波滴颁的边 频出现，则表明这两个光波是完全间步的，遂与2 0 0 4 年os a s a 妊报道的实验 也是一致的( 双波长要用柬产生t h z ，则要求两光波必须是同步的，过去一般利 用取波长自相关测量来分析) 。同年i c k s o o np a r k 报道了可调戏波长半导体激光 器内的n d f w m ，在激光器的输出光谱中的两个主光波兀和正附近观测到几个 叛懿光波，懿五+ 蟛、一琴、厶+ 2 够戳及五一2 鲈等，每个薮的光波都困 四波混频和谐振胶得到放大加强，且n d f w m 的转换效率节是双波长失谐，的 函数，当失谐频率4 r 为正时，口先随着，增加而增大( 或者保持常数值) ，之 后在一定点开始减少，蔼墨失谐频零鲈为受时，口德变钝过稳刚好捐发，朝先 减少后增大。如图2 - 4 分别为以无和为主频率的频率失谐波的转换效率，实 心表示雁失谐4 厂 o ，空心表示受失谐鲈 口范围内满足谐振条件的激发波长如图3 4 ( b ) 所示。每一种波 长的光场分布成为一个模式，如果忽略折射率变化，其纵模间隔为： 厶= 2 h f 其中n 为介质折射率，f 为本征腔腔长。对于8 0 0 n 珈波段半导体激 光器，厶约为1 5 到2 n m ，而丑约为1 2 0 n m ( 与注入电流等因素有关) ，丑约 为厶的6 0 倍，所以似乎有6 0 多个模同时满足激光产生的条件。其实不然， 这是由于在半导体激光器中所有的光波模式消耗共同的提供放大的粒子数，模之 间存在竞争，某些模变强了，某些模必然变弱。图3 4 ( a ) 所示增益曲线g 和损耗碍 的位置是激光尚未产生时的初始位置，随着激光的产生，消耗了提供放大的粒子， 经历弛豫振荡过程，增益曲线将均匀下降。理想情况下，激光增强达到稳定值时， 增益将下降到图a 中的虚线位置，增益中心处g = q ，其他波长处g q ，所以只有 位于增益曲线中心处的单一模存在。上述过程成为增益饱和模竞争。但由于半导 体激光器增益曲线很平缓等原因，实际上增益曲线中心附近的多个纵模增益损耗 差别不大。又由于半导体激光器的自发发射几率很大( 各个模的初始光子来源于 白发发射) ，由于空间烧孔效应这些纵模将同时存在。激光输出多纵模如图3 4 ( c ) 所示。 8 二| | 茁止畚 iuu | l 。 图3 _ 4 普通半导体激光器频谱结构示意蚓 注：( a ) 半导体激光