許多激光器允許操作者根據(jù)需求，在紫外到紅外的波長范圍內調諧或改變輸出波長。接著我們之前討論的可調諧激光器的實現(xiàn)原理， 本文將詳細討論可調諧激光的類型和應用。

使用可調諧激光器的應用通常可分為兩大類：一類是當單線或多線固定波長激光器無法提供所需的一個或多個離散波長時；另一類是在實驗或測試過程中，必須連續(xù)調諧激光波長的情況，如光譜學和泵浦-探測實驗。

許多類型的可調諧激光器能夠產生可調諧的連續(xù)波（CW）、納秒、皮秒或飛秒脈沖輸出。其輸出特性由所使用的激光增益介質決定。

可調諧激光器的一個基本要求是：它們能夠在較寬的波長范圍內發(fā)射激光�？梢允褂锰厥獾墓鈱W元件，從可調諧激光器的發(fā)光波段中，選擇特定的波長或波長帶。

能夠產生可調諧激光的增益材料多種多樣，其中最常見的是有機染料和鈦藍寶石晶體（Ti:sapphire）。在使用這兩種增益材料的情況下，由于它們在大約 490 nm 波長處對泵浦光具備高效吸收，因此會采用氬離子（Ar+）激光器或倍頻的釹離子（Nd3+）激光器作為泵浦源。

染料分子可用于產生從紫外到可見光（ UV-VIS）范圍內的波長。然而，要實現(xiàn)寬泛的調諧范圍，則需要在許多不同的染料分子之間進行切換，整個過程相當繁瑣復雜。相比之下，固態(tài)激光器僅使用一種激光增益材料（如介電晶體）即可實現(xiàn)寬泛的調諧范圍，從而避免了頻繁更換染料的麻煩。

目前，鈦藍寶石已經成為主要的可調諧激光器增益材料，其 680~1100 nm 的寬發(fā)射光譜可以連續(xù)調諧，并且其輸出可以上轉換到UV-VIS光譜范圍，或下轉換到 IR 光譜區(qū)域。這些特性使其在化學和生物學領域具有廣泛的應用。

可調諧 CW 駐波激光器

從概念上講，CW 駐波激光器是最簡單的激光器架構。該激光器中包括一個高反鏡、增益介質和一個輸出耦合鏡（見圖1），它能使用各種激光增益介質提供 CW 輸出。為了實現(xiàn)可調諧性，需選擇能夠覆蓋目標波長范圍的增益介質。 

圖1：基于鈦藍寶石的 CW 駐波激光器示意圖。圖中顯示了一個雙折射調諧濾光片。

許多熒光染料可用于將激光波長調諧至所需的范圍。染料激光器的主要優(yōu)點是能夠覆蓋 UV-VIS 波段的寬波長范圍，但其不足之處在于，使用單一染料/溶劑只具有較窄的波長調諧能力。相比之下，固態(tài)鈦藍寶石激光器的優(yōu)點是使用單一增益介質就能提供較寬的波長調諧范圍，但其缺點是只能工作在 690~1100 nm 的近紅外（NIR）波段。

對于這兩種增益介質，波長調諧通過無源波長穩(wěn)定元件來實現(xiàn)。首先是多板（multi-plate）雙折射濾光片或 Lyot 濾光片。該濾光片通過在特定波長下提供高透射來調制增益，從而迫使激光器在該波長下工作。

調諧是通過旋轉這個雙折射濾光片來實現(xiàn)的。雖然簡單，但 CW 駐波激光器允許多個縱向激光模式。這會產生大約 40 GHz 全寬半高的線寬（<1.5 cm-1），這可能是拉曼光譜等一些應用的一個限制因素。為了實現(xiàn)更窄的線寬，需要環(huán)形配置。

可調諧 CW 環(huán)形激光器

自 20 世紀 80 年代初以來，環(huán)形激光器一直被用于通過單縱模實現(xiàn)可調諧 CW 輸出，光譜帶寬在千赫茲范圍。與駐波激光器類似，可調諧環(huán)形激光器也可以使用染料和鈦藍寶石作為增益介質。染料能夠提供<100 kHz 的極窄線寬，而鈦藍寶石提供 <30 kHz 的線寬。染料激光器的調諧范圍為 550~760 nm，鈦藍寶石激光器的調諧范圍為680~1035 nm。這兩種激光器的輸出都可以倍頻到 UV 波段。

根據(jù)海森堡的不確定性原理，隨著能量的定義越來越精確，能確定的脈沖寬度就越來越不精確。對于駐波 CW 激光器而言，腔長將允許的能量數(shù)量定義為離散的縱模。當腔長較短時，允許的縱模數(shù)量會增加，從而導致更寬、更不明確的輸出線寬。

在環(huán)形配置中，激光腔可以被視為一個無限長的腔，能量可以被精確定義。腔內僅存在單個縱模。為了實現(xiàn)單模工作條件，特別需要幾個光學元件（見圖 2）。

圖 2：帶有外部參考腔的環(huán)形鈦藍寶石激光器的光學布局。

首先，在腔體中插入一個法拉第隔離器，以確保腔內光子始終遵循相同的路徑。腔內標準具用于進一步減小輸出線寬。與駐波激光腔不同的是，環(huán)形配置中沒有端面鏡。光子在激光腔內連續(xù)循環(huán)。其次，腔長必須穩(wěn)定，以校正由環(huán)境波動（如熱量或振動）引起的任何機械變化。

為了實現(xiàn)超窄的光譜帶寬，可以使用以下兩種方法之一來穩(wěn)定腔體：一種方法是使用機械壓電驅動鏡來穩(wěn)定腔長，響應時間為千赫茲；另一種方法是使用電光（E-O）調制器來實現(xiàn)兆赫茲的響應時間。幾個專門的實驗室設置已經表明，光譜帶寬可以用赫茲來測量。確定環(huán)形腔光譜分辨率的關鍵因素，是外部頻率參考腔。如圖2所示，參考腔用于產生穩(wěn)定激光腔長度所需要的信號。這個外部參考腔必須與溫度、機械振動和聲學噪聲引起的環(huán)境波動隔離開來。參考腔應該與環(huán)形激光腔本身很好地分開，以避免兩者之間的無意耦合。使用 Pound-Drever-Hall 方法處理參考信號。

鎖模準連續(xù)激光器

對于許多應用而言，精確定義激光輸出的時間特性，比精確定義的能量更加重要。事實上，實現(xiàn)短的光脈沖需要許多縱模同時共振的腔體配置。當這些循環(huán)的縱模在激光腔內具有固定的相位關系時，激光器就會鎖模。這將實現(xiàn)單個脈沖在腔內振蕩，其周期由激光腔長度定義。

可以使用聲光調制器（AOM）實現(xiàn)主動鎖模，也可以通過克爾透鏡實現(xiàn)被動鎖模。前者在 20 世紀 80 年代比較流行，利用腔內 AOM 作為瞬態(tài)快門，以腔長頻率的一半打開和關閉。使用這種方法，可以實現(xiàn)數(shù)百皮秒的脈沖。在過去的幾十年中，科學應用需要提高時間分辨率，因此需要更短的脈沖。

同步泵浦的染料激光器，為調諧中心波長、并將光脈沖縮短一個數(shù)量級（至幾十皮秒）提供了一種可行方法。為了實現(xiàn)這一目標，染料激光腔必須與鎖模的泵浦激光器具有相同的腔長。泵浦和染料激光脈沖在增益介質處相遇，以使染料分子產生受激輻射。通過調節(jié)染料激光腔長度來穩(wěn)定激光輸出。同步泵浦配置也可用于驅動光參量振蕩器（OPO）（下文討論）。

鈦藍寶石鎖模激光器是被動克爾透鏡鎖模的一個例子（見圖 3）。在這種方法中，脈沖是通過增益調制和鈦藍寶石依賴于強度的折射率產生的。

原則上，當脈沖在增益介質中傳播時，脈沖存在時峰值強度更高。這創(chuàng)建了一個無源透鏡，可以更緊密地聚焦脈沖束，并且更有效地提取增益，直到沒有增益來支持腔內 CW 模式的同時共振。對腔的機械擾動用于引起強度尖峰以啟動鎖模。通過這種方法，使得鈦藍寶石產生了短至 4 fs 的脈沖。

圖 3：在鎖模的鈦藍寶石激光器中，通過移動位于兩個色散棱鏡之間的調諧狹縫，來調諧中心波長。

值得注意的是，超過 300 nm 的帶寬可以組合成一個脈沖。根據(jù)海森堡的不確定性原理，較短的脈沖需要更多的縱向模式。因此，激光腔必須具有來自腔光學元件的足夠色散補償，以保持穩(wěn)定鎖模所需的相位關系。如圖3所示，在腔內增加了補償棱鏡，以確保恒定的相位關系。使用這種方法，可以獲得短至 20 fs 的脈沖。為了產生更短的脈沖，還必須補償高階色散。這種補償是使用光學啁啾鏡來實現(xiàn)的，以保持穩(wěn)定鎖模所需的相位關系。

由于克爾透鏡鎖模在較短脈沖（較高強度）下最有效，因此這種方法主要適用于產生飛秒脈沖。在 100 fs~100 ps 的范圍內，可以使用稱為再生鎖模的混合方法。這種方法使用了腔內AOM和克爾效應。AOM 驅動頻率源自對腔重復頻率的實時測量，其幅度取決于脈沖持續(xù)時間。隨著所需脈沖寬度的增加和克爾效應的減小，穩(wěn)定的 AOM 幅度增加以支持鎖模。因此，使用單個激光系統(tǒng)，再生鎖模能夠在 20 fs~300 ps 的較寬范圍內，提供穩(wěn)定、可調的輸出。

20 世紀 90 年代末，再生鎖模技術實現(xiàn)了第一臺可調諧、一體式計算機控制的鈦藍寶石激光器。這項創(chuàng)新使該技術更容易被更廣泛的研究人員和應用所使用。多光子成像的進步在很大程度上是由技術進步推動的�，F(xiàn)在，飛秒激光脈沖可供生物學家、神經科學家和醫(yī)生使用。多年來取得的一些技術進展，已經使鈦藍寶石激光器在生物成像領域普遍應用。

超快鐿激光器

盡管鈦藍寶石激光器具有廣泛的實用性，但是一些生物成像實驗需要更長的波長。典型的雙光子吸收過程是由波長 900 nm的光子激發(fā)的。因為更長的波長意味著更少的散射，因此，更長的激發(fā)波長能夠更有效地驅動需要更深成像深度的生物實驗。

考慮附著在生物樣品上的染料的后續(xù)熒光光子的波長，也至關重要。這種熒光光子的波長通常處于 450~550 nm 波段，更容易受到散射的影響。因此，人們已經開發(fā)了幾種熒光標記物，可以進步吸收紅外波長。為了滿足這一要求，業(yè)界開發(fā)了由 1045 nm 鐿激光器驅動的一體式、計算機控制且同步泵浦的 OPO。這種新型激光器的輸出波長范圍為 680~1300 nm。對于多光子成像，這種架構提供了一種明顯比鈦藍寶石激光器性能更高的替代品。

超快放大器

上述例子產生納焦（nJ）能量范圍的超快脈沖。然而，很多應用需要更高能量的可調諧光源。由于波長轉換是一個非線性過程，效率取決于可用的能量。對于這些應用，可以使用幾種技術來提高超快激光器的能量和可調諧性。

超快脈沖的放大可分為兩大類：多級放大和再生放大。前者的優(yōu)勢是可以用非常低的輸入實現(xiàn)非常高的能量（100 mJ），但是重復通過放大級會降低輸出光束質量。因此，再生放大是產生微焦（μJ）或毫焦（mJ）級脈沖能量的首選方法。

一般來說，超快脈沖放大是通過啁啾脈沖放大方法實現(xiàn)的（見圖4）。這個過程從一個具有飛秒脈沖持續(xù)時間的鎖模振蕩器即種子激光器開始。對種子激光器而言，擁有足夠的帶寬至關重要，以便脈沖持續(xù)時間可以在時間上被拉伸或啁啾。光學啁啾是由于不同顏色的光、以不同的速度穿過光學材料而產生的。一般來說，紅光的傳播速度比藍光要快。例如，展寬光柵在藍光之前引入正啁啾紅光，以在時間和空間上分離波長成分。脈沖展寬對于降低毫焦級飛秒脈沖的強峰值功率非常必要。在展寬之后，近 300 ps 的脈沖被引導到第二級再生激光腔。最后一步是使用第二個光柵引入負啁啾，并重建放大的脈沖。整個過程如圖 4 所示。

圖 4：啁啾脈沖放大示意圖。

如今，大多數(shù)再生放大器都使用鈦藍寶石，但是其他增益介質（如鐿）也越來越受歡迎。在使用這兩種增益介質的情況下，放大器具有比較窄的可調諧性，鈦藍寶石的調諧范圍約為 780~820 nm，這限制了它們在光譜學應用中的實用性。為了克服這一限制，有幾種頻率轉換方法可供選擇。

諧波頻率轉換，是調諧超快振蕩器或超快放大器系統(tǒng)波長的最簡單的方法。原則上，入射光子被上轉換為基頻的整數(shù)倍。對于鈦藍寶石（基本調諧范圍 700~1000 nm），其二次諧波的調諧范圍為 350~500 nm，三次諧波為 233~333 nm，四次諧波為 175~250 nm。在實際操作中，由于諧波晶體吸收，四次諧波的調諧被限制在 200 nm。對于需要波長超出此范圍的應用，則需要參數(shù)轉換選項。

超快 OPO 和 OPA

雖然超快脈沖輸出可以倍頻甚至三倍頻，但是鈦藍寶石 700~1000 nm的調諧范圍，在 UV-VIS 和 IR 光譜區(qū)域留下了波長空白。對于那些需要波長“處于這些‘空白’區(qū)域的”超快脈沖的實驗而言，必須進行參數(shù)下轉換。這種方法將單個高能光子轉換為兩個低能光子：信號光子和閑散光子（見圖 5）。

圖 5：參數(shù)下轉換的示意圖。

這兩個光子之間的能量分配可以由用戶配置。在基于鈦藍寶石的一個典型參數(shù)配置中，波長 800 nm的入射光子，可以從大約 1200 nm 連續(xù)調諧到 2600 nm。由于參數(shù)下轉換是一個非線性過程，轉換效率可能成為一個問題。為了克服這一限制，光學參量振蕩器（OPO）用于納焦級能量水平，光學參量放大器（OPA）用于毫焦能級能量水平。

在 OPO 腔內，光由一個在腔內來回傳播的短脈沖組成。然而，與上述染料激光器的配置不同，激活介質是一種非線性晶體，并不能存儲增益。OPO 晶體只有在存在泵浦脈沖的情況下轉換光子。超快OPO的成功運行，需要泵浦源的脈沖與在 OPO 腔周圍循環(huán)的閑散光子和信號光子同時到達晶體。換句話說，固定波長的鈦藍寶石激光器和超快 OPO，必須具有完全相同的腔長。

典型超快 OPO 的布局如圖 6 所示。相位匹配和腔長可以自動選擇所需的波長，并確保該波長的腔內往返時間保持在 80 MHz，這與鈦藍寶石泵浦激光器相同。在這個例子中，OPO 由鈦藍寶石泵浦激光的二次諧波驅動。由此產生的 400 nm 光束，產生信號光和閑散光輸出，總波長覆蓋范圍為 490~750 nm（信號光輸出）和 930 nm~2.5 µm（閑散光輸出），脈沖寬度小于 200 fs。當與鈦藍寶石基波在 690~1040 nm的調諧范圍相結合時，該系統(tǒng)覆蓋了 485 nm~2.5 µm 的波長范圍。典型應用包括孤子研究、時間分辨振動光譜和超快泵浦探針實驗。

圖 6：在同步泵浦光參量振蕩器（OPO）中，通過調整非線性晶體的相位匹配角來改變中心波長。

OPA 利用了相同的非線性光學過程，但由于泵浦脈沖具有更高的峰值功率，因此并不需要光學諧振腔來實現(xiàn)有效的波長轉換。來自超快放大器的光束的一小部分，被聚焦到藍寶石板上，以產生白光連續(xù)譜。白光連續(xù)譜作為種子光輸入 OPA 晶體（通常是硼酸鋇晶體），并用超快放大器光束的其余部分作泵浦光。光束單次通過 OPA 后，產生數(shù)量級放大的信號和閑散光。輸出光的中心波長再次由晶體的相位匹配條件控制，光譜帶寬通常由泵浦和種子光束的帶寬或晶體的接收帶寬決定。

這種 OPA 可以工作在飛秒或皮秒范圍，每個脈沖的能量高達幾毫焦。在這些能量級別，產生的信號光和閑散光可以轉換為它們的諧波，或者通過和頻和/或差頻混頻。

用毫焦脈沖能量泵浦的 OPA，能夠產生從 190 nm 深紫外到遠紅外光譜區(qū)的光子。這些器件促進了許多光譜應用，如瞬態(tài)吸收光譜、熒光上轉換、2D紅外光譜和高次諧波產生。

結語

現(xiàn)在，可調諧激光器已經被用于許多重要的應用領域，從基礎科學研究到激光制造以及生命和健康科學。目前可用的技術范圍很廣。從簡單的 CW 可調諧系統(tǒng)開始，它們的窄線寬可用于高分辨率光譜、分子和原子捕獲以及量子光學實驗，為現(xiàn)代研究人員提供了關鍵信息。

更復雜的超快放大器系統(tǒng)，利用高能、皮秒和飛秒激光脈沖，產生UV到遠紅波段的激光輸出。這些超快激光器對于理解高能物理、高次諧波和瞬態(tài)光譜學至關重要。寬調諧范圍意味著，同一激光系統(tǒng)可用于研究電子和振動光譜學中的無限范圍的實驗。今天的激光器制造商提供了一站式型解決方案，提供在納焦能量范圍內跨度超過 300 nm 的激光輸出。更復雜的系統(tǒng)在微焦和毫焦能量范圍內，跨越了 200~20000 nm 的令人印象深刻的寬光譜范圍。

來源：PHOTONICS marketplace®

轉自：MKS 光電解決方案

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