跳模 Mode hopping

2022-11-08 16:06:05 浏览:313

定义

激光表现出光学频率突然跳跃的现象,这与谐振器不同模式之间的转换有关。

跳模是一种现象,主要在单频激光器的背景下讨论。 在某些外部影响下,这种激光器可能会在单个谐振器模式下工作一段时间,但随后突然切换到其他模式。 这意味着另一种模式突然接管了所有的光功率;在短时间内,两种模式下都有电源。

在激光器的多模操作中,不同模式集之间也可能存在转换。 然而,许多模态上的同时振荡是最常见的,而不是完全的模跳,通常有更多的连续转换,光功率逐渐重新分配。 动态会进一步受到非线性效应的影响,例如空间孔洞燃烧。

模跃还可以涉及高阶模式,或在具有偏振无关增益的激光器中具有不同偏振的模式。

模式跃点的原因

模式跃点通常由外部影响引起。 例如,增益介质温度的漂移将改变最大增益的波长,同时不会将谐振器模式的频率偏移到相同的程度。 (例如,在激光二极管中,温度变化通常比腔共振对最大增益的影响更大。 以前的激光模式可能不再是增益最高的模式,因此具有更高增益的竞争模式的功率可以迅速上升。

激光谐振器的长度漂移基本上也会出现相同的现象,它改变了谐振器模式的频率,而不会改变最大增益。

模跃的两种起源通常都源于试图调整激光的波长。 当然,外部影响也可能只是随机噪声,例如镜面振动、温度波动或泵功率变化,或外部光学反馈。

模式跃点的后果

模式跳跃显然会令人不安,因为它们会使获得连续波长调谐变得困难。 根据激光设置的各种细节,波长可能会进行显着的跳跃,而这些跳跃之间只有很小的变化,或者它可以像锯齿曲线一样变化。

模跳还会产生激光噪声,例如以强度噪声和其他参数噪声的形式,特别是如果模式跳频频繁发生。

避免跳模

当激光谐振器具有较大的自由光谱范围(即其基本模式的较大频率间隔)时,通常更容易避免跳模。 一些可调谐激光器仅配备相应短的激光谐振器,调谐范围受到接近自由光谱范围的值的限制,例如,对于紧凑型非平面环形振荡器(NPRO或MISER),该值可能是几千兆赫兹。

通过协调谐振器模式频率和最大增益,或使用额外的腔内光学滤波器,可以实现比自由频谱范围宽得多的连续(无跳模)调谐范围。

随机模式跳跃可以通过最小化外部噪声影响(例如通过温度稳定)以及使用具有大自由光谱范围的谐振器(见上文)来抑制。

也可以采用各种非线性,这些非线性有利于已经激光模式而不是竞争模式。 一个例子是在准三能级激光增益介质的非泵浦区域中燃烧空间空穴[3]。 腔内倍频可以实现类似的效果[2]。

参考文献

[1] G. A. Ball and W. W. Morey, “Continuously tunable single-mode erbium fiber laser”, Opt. Lett. 17 (6), 420 (1992), doi:10.1364/OL.17.000420
[2] K. I. Martin et al., “Self-suppression of axial mode hopping by intracavity second-harmonic generation”, Opt. Lett. 22 (6), 375 (1997), doi:10.1364/OL.22.000375
[3] R. Paschotta et al., “Single-frequency ytterbium-doped fiber laser stabilized by spatial hole burning”, Opt. Lett. 22 (1), 40 (1997), doi:10.1364/OL.22.000040
[4] C. Petridis et al., “Mode-hop-free tuning over 80 GHz of an extended cavity diode laser without antireflection coating”, Rev. Sci. Instrum. 72 (10), 3812 (2001), doi:10.1063/1.1405783

激光器

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