半导体激光器为什么会出现跳模现象?

外腔半导体激光器有一个重要参数："Mode-hop free"（无跳模特性），厂商常将该指标作为核心竞争力重点强调。那么，为何普通半导体激光器会出现跳模现象呢？

跳模现象主要发生在单频激光器的工作过程中。当受到温度波动、机械振动等外部干扰时，激光器可能在某个谐振模式下稳定工作一段时间后，其光功率会突然转移到具有不同光学频率的新模式上。此时原有模式的光功率骤然下降，而新模式几乎完全接管激光输出；在极短时间内，两个模式可能同时维持较高的功率水平，形成明显的模式竞争。

这种模式竞争的核心驱动力源自两个温度敏感参数的差异响应：增益介质的热致波长漂移与谐振腔的模式频率漂移。实验数据显示，温度每升高1℃，增益介质的峰值波长会显著漂移0.07-0.1nm，而谐振腔模式频率的漂移量仅为其1/5至1/10。这种差异导致两种漂移存在速率差：随着温度持续变化，增益峰值的移动速度会逐渐超越腔模频率的移动。当两者的相位差积累到临界值时，原有激射模式将失去增益优势，此时相邻模式因处于更优的增益位置便会迅速起振，形成模式跳跃。

如下图所示，由于腔内温度的升高，放电管热膨胀，使得粘贴在放电管两端的两个反射镜片之间的距离加大，也就是谐振腔的腔长变大。这将使得各本征纵模的谐振频率向低频方向漂移，输出激光的频率也随之减小。当vq+1模的频率变成比vq模频率更接近中心频率v0时，vq+1模就可能战胜vq模取而代之，输出光频率便由vq突然增至vq+1，产生一次跳模。腔长每伸长一个半波长，就会产生一次跳模。

PS：上图就是某一个时刻，中心频率两边各有一个“门槛”，就是v0±c/4L'。红色的模式在“门槛”之中，随着谐振频率向低频方向漂移，输出激光的频率也随之减小，之后又有一个模式进入“门槛”，把它又变成为红色。往返几个周期，就画出了一个锯齿形的频率图形。

模式跳变会使获得连续波长调谐等变得困难。根据激光设置的各种细节，波长可能会发生显著的跳跃，而这些跳跃之间只有很小的变化，或者它可能像锯齿曲线一样变化。除此，模式跳跃也会产生激光噪声，例如以强度噪声和其他参数的噪声的形式，尤其是在模式跳跃频繁发生时。