单模激光器和多模激光器原理及特点的对比分析

单模激光器和多模激光器原理及特点的对比分析单模激光器和多模激光器本质区别就是单模激光器输出的光束中有且仅有 一种模式，而多模激光器输出的光束模式可以有多种。其中，我们可以用光束 质量M2因子的大小来判断激光器输出是单模还是多模。根据M2因子的不同， 我们将M2因子小于1.3的激光称为纯单模激光，其LP01模的能量占比接近 100%； M2因子在1.32.0之间的激光称为准单模激光，其LP01模的能量占比超 过90%并出现少量的LP11模和LP02模；M2因子大于2.0的激光称为多模激 光。对于M2因子的大小，可用光在光纤中的传播的波导来求知，接下来我们 将从理论上求解M2因子。光本质上是一种电磁波，可以用麦克斯韦方程组来描述。根据麦克斯韦方 程组，可推导出光在光纤中传播的波动方程为：V2 +亦*0捋鸟=0V2,o + 口2%卜0 捋鸟=0其中E0为导波光电场E分布的振幅，E = E0（xy）expJ（t -的其中H0为导波光磁场H分布的振幅，H = H0（x,y）expU3 - 的而传播常数2n6 = k0n. cos 3 = n. cos 3。为光在光纤中内反射传播的传播角。对于光纤纤芯和包层两种折射率不同的 介质，在不连续界面上的边界条件为（鸟-，=0（H1 -线）X n = 0其中n为界面的单位法向矢量，边界条件的物理意义表示，在界面的两侧矢量 E和H的切向分量必须相等。图1圆柱光纤的坐标系对于圆柱对称的光纤（如图1）,令纤芯的折射率为ii,包层折射率为当, 用和屯分别代表电场和磁场的z向分量。dE IdE 1 dET2 d021 d2H+ (k2n2 &2)H = 0r2 d02 ozf + +ac Z + （fc2712 &2）E = 0or2r or r?. oh? ozd2H IdHZ _|_Z _|_dri r dr而折射率n按下式分布712 （r）=in采用分离变量法，用三角函数表示角度。的相关性，与失径r的关系可分为纤芯和包层两种情况：在纤芯中（rWa）E = A J (kr)cos(l。+ (p )AjL LLHz = BJi(lcr)cos(lO + 4)在包层中（ra）J7 (kci)=4(仃)cos (弟 + 甲)L (ya) L1-J1 (ka)引入归一化频率(ka)2 + (ya) 2 = V2可得此时的边界条件为r=a处T 气0）= H（r t a_）由此可以求解鸟和的两个振幅系数A】和B,根据场的纵向分量Ez,Hz的存 在与否，可将模式命名为：横电磁模（TEM）,E = H = 0z z横电模（TE）,E = OH 主 0zz横磁模（TM）,弓葺z = 混杂模（HE,HM）,Ez OH z 壬 在实际情况中，光纤中存在简并模，有时两类模式特性叠加会使某一横向分量归于抵消，使场的表达式大为简化，构成一种新的模式一一线偏振模LPlm 模。当导模数足够大时，导模数可近似为：41M =四4四混2几种典型的低阶本征模式的强度分布图如图2所示，一般称LP01为基模， 其他模式均称为高阶模。图2几种本征模式强度分布图通过计算，V值介于1至12之间时不同本征模式的M2因子如图3所示。 当V1.5时，LP01模的M2因子接近1，然而，随着V值的增加，光纤中能够 支持的高阶模的数量也逐渐增加，并且高阶模的阶数越高，M2因子也越高。因 此，通常的观点认为在大功率光纤激光器中实现高光束质量输出就等同于通过 模式控制技术抑制高阶模，实现等效单模输出。这也是区分单模激光器与多模 激光器的关键所在。图3不同V值下不同本征模式的M2的变化那么单模激光器和多模激光器的区别有哪些？接下来我们将对其进行分析 说明。首先，单模激光器只有一种模式，而多模激光器有多种模式。由于模式的 不同会直接影响能量的空间分布，单模激光和多模激光的能量如图4所示。从 能量分布空间分布上看，单模激光呈现典型的的高斯分布，而多模激光呈现典 型的平顶型，能量比较平均，是由多个模式叠加而成，光束质量较单模也要差 一些。单模激光能量较为集中，在同等激光功率经相同的光学系统聚焦后，焦 点处单模激光的能量远高于多模激光。为了方便比较，表1给出了 5000W准单 模激光和多模激光的聚焦参数，通过对比他们的光束质量因子、聚焦（或离 焦）光斑直径、发散角、聚焦（或离焦）功率密度，都能看出单模激光优于多模激光。因此单模激光在激光焊接上有很好的应用。图4单模和多模激光能量分布示意图表1 500W准单模激光和多模激光的聚焦参数对比对比参数DK准单槌典型雾度M2L811焦点光斑直径LZ5jm爰散角（半韬32mrad62.5mracl窟点处功毫密度450MW/i:m340MW/crn2堂焦5mm处光斑直径3S0pn75-0 inn莒瘁处功率幽度5 MWcm21.1 MW/cm2其次，由于多模激光器中，存在着高阶模式，在长距离传输中多模激光较 单模激光的色散大，能量损耗较大，因此多模激光不适于长距离传输。然而，单模激光在某些方面并不优于多模激光。传统的单模激光使用的光 纤纤芯较细，直径很小（一般为10!1以内），光纤的损伤阈值很低，难以承 受较大能量的光波。光纤激光器需要信号激光和泵浦光同时在纤芯内传输，因 此光纤激光器的输出功率很低，而且光纤端面面积小，较难进行泵浦光耦合， 使得光纤激光器光一光转化效率很低。由于单模激光器的光纤纤芯较细，单模 激光的非线性效应较大。多模激光在单模激光的基础上增大光纤纤芯的直径， 使激光在光纤中存在多个模式，并且支持多个模式同时传输。多模激光中的多 个模式场相干叠加后，整个纤芯中的模场分布较平坦，可以减小光传输过程中 的自聚焦效应，在光纤内的高功率信号光的传输距离可以相对较长并且稳定性 较强。多模激光器不仅提高了损伤阈值，通过增大光纤横截面积的方法更能使 得激光功率密度降低，以有效抑制光纤中的非线性效应。由于单模激光器的光纤较细，光纤的损伤阈值很低，当激光能量过大时， 很容易将单模激光器的纤芯烧毁。这也为单模激光器向更高功率方向的发展增 加了难度。由于多模激光器输出的激光光斑质量较差，而且还存在高阶模式的 色散，能量损耗较大。