Singlemode-Laser vs. Multimode-Laser

Definition

Der wesentliche Unterschied zwischen einem Single-Mode-Laser und einem Multimode-Laser besteht darin, dass es im Ausgangsstrahl eines Single-Mode-Lasers nur einen einzigen Modus gibt, während es im Ausgangsstrahlmodus eines Multimode-Lasers mehrere Modi gibt. Somit können wir anhand von M2 (Strahlqualität) beurteilen, ob es sich um einen Singlemode- oder Multimode-Laser handelt. Entsprechend dem Unterschied von M2 können Laser in drei Typen unterteilt werden. Ein Laser mit M2<1,3 ist ein reiner Single-Mode-Laser, M2 zwischen 1,3 und 2,0 ist ein Quasi-Single-Mode-Laser, während M2>2,0 als Multimode-Laser betrachtet wird. Der wesentliche Unterschied zwischen einem Single-Mode-Laser und einem Multimode-Laser besteht darin, dass es einen und nur einen Modus im Ausgangsstrahl eines Single-Mode-Lasers gibt, während es im Ausgangsstrahlmodus eines Multimode-Lasers mehrere Modi gibt. Somit können wir anhand von M2 (Strahlqualität) beurteilen, ob es sich um einen Singlemode- oder Multimode-Laser handelt. Entsprechend dem Unterschied von M2 können Laser in drei Typen unterteilt werden. Ein Laser mit M2＜1,3 ist ein reiner Singlemode-Laser, M2 zwischen 1,3 und 2,0 ist ein Quasi-Singlemode-Laser, während M2＞2,0 als Multimode-Laser gilt.

Unterschied

Die verschiedenen Modi wirken sich direkt auf die räumliche Energieverteilung aus. Aus Sicht der Energieverteilung weist der Single-Mode-Laser eine typische Gauß-Verteilung auf, während der Multimode-Laser eine typische Verteilung mit flacher Spitze aufweist, bei der die Energie relativ durchschnittlich ist und er aus mehreren überlagerten Moden besteht, sodass die Strahlqualität nicht so gut ist wie die eines einzelnen Modes. Die Energie eines Singlemode-Lasers ist relativ konzentriert. Nachdem die gleiche Laserleistung durch dasselbe optische System fokussiert wurde, ist die Energie eines Singlemode-Lasers im Brennpunkt viel höher als die eines Multimode-Lasers. Durch den Vergleich ihrer Strahlqualität, ihres Fokus- (oder Defokus-)Punktdurchmessers, ihrer Divergenz und ihrer Fokus- (oder Defokus-)Leistungsdichte kann festgestellt werden, dass Singlemode-Laser hinsichtlich dieser Spezifikationen besser sind als Multimode-Laser. Darüber hinaus weisen Multimode-Laser aufgrund der Existenz von Moden höherer Ordnung in Multimode-Lasern im Vergleich zu Single-Mode-Lasern eine größere Streuung und einen höheren Energieverlust auf. Daher sind Multimode-Laser für die Übertragung über große Entfernungen keine gute Wahl.

Vor- und Nachteile

Allerdings ist ein Singlemode-Laser einem Multimode-Laser in einigen Aspekten nicht überlegen. Der Faserkern eines herkömmlichen Singlemode-Lasers ist sehr dünn und sein Durchmesser ist sehr klein (im Allgemeinen weniger als 10 μm). Die Schadensschwelle von Glasfasern ist sehr niedrig, so dass es schwierig ist, einer Lichtwelle mit großer Energie standzuhalten. Der Faserlaser benötigt den Signallaser und das Pumplicht, um gleichzeitig im Kern zu übertragen, daher ist die Ausgangsleistung des Faserlasers sehr gering und die Endfläche der Faser klein, so dass es schwierig ist, die Pumplichtkopplung durchzuführen, was die optisch-optische Umwandlungseffizienz des Faserlasers sehr niedrig macht. Da der Faserkern eines Singlemode-Lasers dünn ist, ist der nichtlineare Effekt eines Singlemode-Lasers groß. Ein Multimode-Laser vergrößert den Durchmesser des Faserkerns auf Basis eines Single-Mode-Lasers, sodass mehrere Moden in der Faser vorhanden sind und gleichzeitig eine Mehrmodenübertragung unterstützt wird. Nach der kohärenten Überlagerung mehrerer Modenfelder in einem Multimode-Laser ist die Modenfeldverteilung im gesamten Faserkern relativ flach, was den Selbstfokussierungseffekt im Prozess der optischen Übertragung verringern kann. Die Übertragungsentfernung von Hochleistungssignallicht in der Faser kann relativ lang und mit hoher Stabilität sein. Multimode-Laser verbessern nicht nur die Schadensschwelle, sondern verringern auch die Laserleistungsdichte durch Vergrößerung der Querschnittsfläche der Faser, um so den nichtlinearen Effekt in der Faser wirksam zu unterdrücken.

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