激光模式测量
摘要：
本实验我们将研究半导体激光器的激光模式（空间尺寸和形状），学会怎样准直和扩束光模式得到激光到单模光纤的最佳耦合。这些知识将在激光到光纤耦合中使用。
你将用到与实验1中描述的一样为1550nm激光器，将利用刀口法测量放大尺寸、椭圆光模式。利用这些结果将计算出激光输出端面的激光模式。
有关安全问题同实验1的描述。
步骤：
刀口法测量激光器模式
如图4.1是利用刀口法测量半导体激光器半轴模式的实验装置。如同实验1一样让激光器工作在18℃，输出2mW，用功率计检查一下。用焦距为5.0mm的透镜准直。我们从高斯光束理论知道准直光束的经典概念是不现实的。这里校准是指在足够长的距离上使光束模式粗略一致。
在准直光束中加入机械斩波器并且保证整个光束都能被探测器接收到。如何保证整个光束被接收到？（提示：先把光束聚焦到探测器并测量其总功率），你可能不得不使用透镜把扩束激光束所有能量会聚。你可以选择在实验2和实验3中使用New Focus光电接收器，或者Thorlabs的光电探测器。当然，因为Thorlabs的光电二极管接收面积大，因此容易使用。这里选择一种最适合的即可。测量中带宽要求相对是次要的，但动态范围是重要的。
图4.1激光器模式测量装置。

探测器偏置电路已给出，选择你认为能够很好地完成测量系统先前给出的光电探测器电路。
通过示波器波形沿激光模式主轴的上升时间（或下降时间）来估测准直激光束的宽度。主轴可能与水平和垂直方向不相符，这样得仔细检查最小和最大宽度方向。这是一件很乏味的工作，但却是系统地测量准直激光束的宽度最节约时间的方法。
要特别注意的是斩波频率不能太高，如果测量上升时间与探测器的上升时间具有可比性，测量将是不准确的。如果你的测量结果给出了关于光束尺寸的信息，或者受到带宽限制，你将如何检查？
激光束半轴（朝刀口移动方向）有下式确定（见图4.2）：

其中d10-90从10～90%积分强度对应的光束宽度，t10-90示波器幅度从10～90%对应的上升（下降）时间，R是斩波器半径，f是斩波器转动频率，如果要计算模式，你必须数一下斩波器的狭缝个数。怎样做？答案是找到斩波器控制器显示的频率，因此必须检查斩波器操作指南（或最好自己测量）。
图4.2.刀口法测量激光器模式示意图

由于刀口挡住（或不挡住）大部分光束，探测器将接收到少（多）的光功率，所以接收到的光信号的下降（上升）时间是激光束的宽度的一个基本估量，要精确测量需要上升或下降的时间需要与系统的其他时间常数相比较。
利用本章后面注解的高斯光束透镜变换方程，通过对准直后光束的测量，便可以得到激光器的输出模式尺寸。算出激光模式尺寸（半轴），包括次轴和主轴。主轴和次轴对应于SLD面的什么方向？与波导模式中边缘辐射半导体激光器的理论相符吗？
透镜高斯光束变换
我们测量的激光器空间光模式是间接的，因为测量是经过透镜准直后的模式，因此必须找到测量值与激光器输出端光模式的关系，即需要知道准直透镜束腰间的关系方程

图4.3.高斯光束的透镜变换
考虑图4.3描述的情形，发散的高斯光束经透镜变换为会聚的光束。这样出现距透镜前d1处束腰成像在透镜后距离d2处
高斯光束束腰半径间的关系为：

而距离为

这里 当 该方程可简化为 ，正好与几何光学一致。

和

可见光束半径在两个焦点处成倒数关系，这正好与傅立叶光学一致。
看起来利用方程4.5可以很容易地计算出来激光器的模式，但是是在d1 = d2 = f条件下得到的。实验中不可能把透镜置于距离激光器端面正好等于焦距，也不可能在透镜焦距处测量输出模式，因此需要应用下面程序：
首先确信光束准直最佳（即光束经透镜后发散最小），这样激光器—透镜间的距离接近等于焦距（即条件d1=f满足，方程4,4有效）。之后可以沿光轴不同点（至少2个）测量光束的半径，依次计算出束腰（d2=f）。得到束腰半径后，便可以根据方程4.5求出激光出射端半径。

当然,光束通过透镜以后如果其瑞利长度足够大的话,就可以测量在瑞利长度范围内理想位置(透镜焦点)的光束半径,那么我们就可以直接利用方程4.5.但是大多数情况下这个条件是不被满足的,我们必须在理想情况和实际光束尺寸的发散作一如上所述的补偿.
在下一实验（实验5）中将用近似表达式（方程4.5）分析简单的双透镜耦合系统。将会建立双透镜（望远镜）激光到光纤耦合设备（双透镜聚焦），入纤光束尺寸与激光器光束尺寸有下面的简单关系：

其中f1 和 f2为两个透镜的焦距。
实验设备
1 1550nm F-P半导体激光器
2 带热—电制冷器及准直透镜的激光器支架
3 焦距f＝5mm激光器支架用准直透镜
4 热—电制冷器控制器
5 精密电流源
6 信号发生器
7 InGaAs光电探测器 (功率计) /衰减器
8 功率计显示单元
9 示波器
10 红外感应卡
11 InGaAs光电探测器
12 带前置放大器的InGaAs 光电探测器
13 运算放大器
14 运算放大器电源
15 光学斩波器
16 光学斩波器控制器
17 电池（供探测器偏压）
18 电缆、导线、电阻器、印制电路板和各种连接器
19 光学实验台
20 三维调整支架
21 光机部件（支架、柱）
22 操作手册、表格