什么是法布里-珀罗（FP）激光二极管？

法布里-珀罗（FP）激光二极管是一种利用法布里-珀罗谐振腔来控制工作模式并实现波长稳定的激光二极管。FP激光腔的功能类似于法布里-珀罗干涉仪，基于多束干涉的基本原理。这是一种边缘发射的激光二极管，能够产生高单色性的激光输出。该激光二极管在379 nm至1610 nm的范围内发射多个不同的波长，并提供从2 mW到1W的输出功率。其紧凑的设计和精确的发射特性使其在电信、传感和科学研究等多个领域得到了广泛应用。

法布里-珀罗激光二极管的构造

法布里-珀罗激光二极管由半导体材料构成，通常使用砷化镓（GaAs）或磷化铟（InP）。该激光二极管由多个层组成，包括光发射发生的活性区域。其结构类似于PIN二极管，活性区域夹在p型和n型半导体层之间。活性区域是实现光增益的地方，从而产生激光输出。

激光二极管内的本征区域的折射率高于周围的n型和p型区域。这种较高的折射率允许光的横向约束，起到有效的波导作用，从而使光沿着活性区域传播。

法布里-珀罗激光二极管在其最简单的形式中，由一个活性区域和一个法布里-珀罗腔体组成。活性区域的两端是平行且垂直于活性区域长度的切割面。其中一个面作为高反射镜（HR），而另一个面作为部分反射镜（PR）。这些面是通过精确切割半导体材料而形成的，具有特定的反射特性。法布里-珀罗谐振腔的使用使FP激光二极管能够精确控制激光输出的纵向模式，从而产生高单色性的光束。

法布里-珀罗谐振腔

法布里-珀罗谐振腔是一个光学结构，由两个部分反射的镜子放置在法布里-珀罗激光二极管增益介质的两端。只有频率与谐振模式匹配的光子才能在腔内传播。这些光子在切割面之间经历多次反射，并在腔内的半导体增益介质中得到放大。在这种设计中，激光二极管两端发生显著的光反射，而在增益介质内的反射则较少。

法布里-珀罗激光二极管的工作原理

当在激光二极管两端施加电压时，注入电流会驱动电流流过它。该电流使n区的电子和p区的空穴进入活性区域并复合，从而发射光子。这些光子通过受激发射的过程刺激额外光子的发射，从而产生相干的激光输出。

谐振模式与输出光谱

在FP谐振腔中，只有能够在腔内形成驻波模式的特定波长被允许振荡。这些波长对应于激光波长一半的整数倍，并与腔的尺寸相匹配。这一特性导致了FP谐振光谱，它由一系列离散的谐振模式组成。

此外，只有在增益介质光谱内的波长，即在激光活性区域具有足够增益的波长范围，才会出现在输出中。这意味着并非所有由FP腔支持的谐振模式都会实际贡献于激光输出。

对于法布里-珀罗谐振器，谐振条件为：

其中：

    n为腔内介质的折射率，

    L为腔的长度，

    m为代表模式数的整数，

    λ为光的波长。

该方程表示光波在FP腔内相干干涉并形成谐振模式的条件。当从两个镜子反射的光波之间的路径长度差是波长的整数倍时，就会出现谐振模式。

谐振条件方程可以确定FP激光二极管所支持的允许波长或谐振模式。通过调整腔的长度或介质的折射率，可以实现不同的谐振模式。这为激光二极管在特定波长或频率范围内发射相干光提供了控制。

FP腔所支持的输出激光波长数量是有限的，取决于FP谐振光谱与增益介质光谱的组合。落在增益介质光谱内并具有足够增益的谐振模式将是实际发射的激光输出。FP谐振光谱与增益介质光谱的叠加定义了贡献于FP激光输出的特定波长。

法布里-珀罗激光二极管的应用

法布里-珀罗（FP）激光二极管因其精确的发射特性和紧凑的设计，在各个领域中具有广泛的应用。一些显著的FP激光二极管应用包括：

• 电信：FP激光二极管在光纤通信系统中发挥着至关重要的作用，作为光学发射器和接收器。它们通过提供高度单色性和聚焦的激光束来实现长距离通信。
• 传感与计量：在光纤传感器、干涉测量和光谱学中，它们用于精确测量诸如距离、位移、应变和压力等参数。
• 光学数据存储：它们是光学存储系统（如CD、DVD和蓝光驱动器）的重要组成部分，提供读取和写入光盘上数据所需的激光束。
• 生物医学应用：在生物医学领域，FP激光二极管用于激光手术、组织分析、流式细胞术和DNA测序。其相干和单色输出使得精确和可控的医疗程序成为可能。
• 科学研究：FP激光二极管在研究实验室中广泛用于光谱学、显微镜、激光诱导荧光和其他需要稳定光源的科学技术。