DBR基本原理

激光器的两个基本概念,一是受激发射,二是谐振腔。本文对VCSEL类型激光器中构成谐振腔的DBR(Distributed Bragg Reflector)的基本原理进行介绍。分别介绍两个基本的物理知识:反射相变与薄膜干涉。

DBR在VCSEL激光器中的位置如下图:

from spie.org

反射相变

当光从光疏介质n1射向光密介质n2(折射率n2>n1)时,反射光会在界面处发生180度相变。而从光密介质射向光疏介质时则不会发生相变。

从工程角度理解,光也是一种电磁波,光的反射与电信号在阻抗变化时的反射可以类比。当电信号由高阻抗传输线进入低阻抗传输线时,会产生负相反射(相变180度),从低阻抗进入高阻抗时,会产生正相反射(无相变)。光传输介质的折射率类比于电信号传输的阻抗。

更深层次的解释不在本文讨论范围内。

薄膜干涉

光在穿过一层薄膜时,会在上下表面发生两次反射,薄膜的厚度会影响两次反射的光程差,如果控制薄膜厚度为(1/4+N)倍的波长,则两次反射的光程差为(1/2+2N),该光程差对应180度相变,而其中一次反射又会发生180相变,则两次的反射光最终同相,叠加增强,即增加了总体的反射系数。而DBR实际就是两种折射率的介质交替叠层,光经过DBR时,每过一层都会增加一定的反射系统,最终DBR的反射系数可以达到很高的水平。

薄膜干涉机制示意图:

图注1:为显示清晰将三束光分开画,实际是叠在一起的;

图注2:蓝色的第一次反射(180度相变)与黄色的第二次反射光(因光程差导致180度相位差)最终同相,叠加增强。

from skullsinthestars.com

总结

这里只介绍了一种DBR的工作机制,实际还有其它类型的DBR,如DFB激光器中使用的DBR与VCSEL中使用的在结构上就有差别。但DBR都是使用干涉原理工作的,所以DBR对特定一些波长范围的光才会有高反射率,并且可以做到极低的损耗,与其它类型反射器(如金属表面)在反射特性上有差别。

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