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(nèi)調(diào)諧或改變輸出波長。接著我們之前討論的可調(diào)諧激光器的實(shí)現(xiàn)原理， 本文將詳細(xì)討論可調(diào)諧激光的類型和應(yīng)用。

使用可調(diào)諧激光器的應(yīng)用通常可分為兩大類：一類是當(dāng)單線或多線固定波長激光器無法提供所需的一個(gè)或多個(gè)離散波長時(shí)；另一類是在實(shí)驗(yàn)或測(cè)試過程中，必須連續(xù)調(diào)諧激光波長的情況，如光譜學(xué)和泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

許多類型的可調(diào)諧激光器能夠產(chǎn)生可調(diào)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(zhì)決定。

可調(diào)諧激光器的一個(gè)基本要求是：它們能夠在較寬的波長范圍內(nèi)發(fā)射激光。可以使用特殊的光學(xué)元件，從可調(diào)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(chǎn)生可調(diào)諧激光的增益材料多種多樣，其中最常見的是有機(jī)染料和鈦藍(lán)寶石晶體（Ti:sapphire）。在使用這兩種增益材料的情況下，由于它們?cè)诖蠹s 490 nm 波長處對(duì)泵浦光具備高效吸收，因此會(huì)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(chǎn)生從紫外到可見光（ UV-VIS）范圍內(nèi)的波長。然而，要實(shí)現(xiàn)寬泛的調(diào)諧范圍，則需要在許多不同的染料分子之間進(jìn)行切換，整個(gè)過程相當(dāng)繁瑣復(fù)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(shí)現(xiàn)寬泛的調(diào)諧范圍，從而避免了頻繁更換染料的麻煩。

目前，鈦藍(lán)寶石已經(jīng)成為主要的可調(diào)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(diào)諧，并且其輸出可以上轉(zhuǎn)換到UV-VIS光譜范圍，或下轉(zhuǎn)換到 IR 光譜區(qū)域。這些特性使其在化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

可調(diào)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(gòu)。該激光器中包括一個(gè)高反鏡、增益介質(zhì)和一個(gè)輸出耦合鏡（見圖1），它能使用各種激光增益介質(zhì)提供 CW 輸出。為了實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧性，需選擇能夠覆蓋目標(biāo)波長范圍的增益介質(zhì)。 

圖1：基于鈦藍(lán)寶石的 CW 駐波激光器示意圖。圖中顯示了一個(gè)雙折射調(diào)諧濾光片。

許多熒光染料可用于將激光波長調(diào)諧至所需的范圍。染料激光器的主要優(yōu)點(diǎn)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(diào)諧能力。相比之下，固態(tài)鈦藍(lán)寶石激光器的優(yōu)點(diǎn)是使用單一增益介質(zhì)就能提供較寬的波長調(diào)諧范圍，但其缺點(diǎn)是只能工作在 690~1100 nm 的近紅外（NIR）波段。

對(duì)于這兩種增益介質(zhì)，波長調(diào)諧通過無源波長穩(wěn)定元件來實(shí)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(diào)制增益，從而迫使激光器在該波長下工作。

調(diào)諧是通過旋轉(zhuǎn)這個(gè)雙折射濾光片來實(shí)現(xiàn)的。雖然簡單，但 CW 駐波激光器允許多個(gè)縱向激光模式。這會(huì)產(chǎn)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(yīng)用的一個(gè)限制因素。為了實(shí)現(xiàn)更窄的線寬，需要環(huán)形配置。

可調(diào)諧 CW 環(huán)形激光器

自 20 世紀(jì) 80 年代初以來，環(huán)形激光器一直被用于通過單縱模實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧 CW 輸出，光譜帶寬在千赫茲范圍。與駐波激光器類似，可調(diào)諧環(huán)形激光器也可以使用染料和鈦藍(lán)寶石作為增益介質(zhì)。染料能夠提供<100 kHz 的極窄線寬，而鈦藍(lán)寶石提供 <30 kHz 的線寬。染料激光器的調(diào)諧范圍為 550~760 nm，鈦藍(lán)寶石激光器的調(diào)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(duì)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(dāng)腔長較短時(shí)，允許的縱模數(shù)量會(huì)增加，從而導(dǎo)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(gè)無限長的腔，能量可以被精確定義。腔內(nèi)僅存在單個(gè)縱模。為了實(shí)現(xiàn)單模工作條件，特別需要幾個(gè)光學(xué)元件（見圖 2）。

圖 2：帶有外部參考腔的環(huán)形鈦藍(lán)寶石激光器的光學(xué)布局。

首先，在腔體中插入一個(gè)法拉第隔離器，以確保腔內(nèi)光子始終遵循相同的路徑。腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具用于進(jìn)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(nèi)連續(xù)循環(huán)。其次，腔長必須穩(wěn)定，以校正由環(huán)境波動(dòng)（如熱量或振動(dòng)）引起的任何機(jī)械變化。

為了實(shí)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(jī)械壓電驅(qū)動(dòng)鏡來穩(wěn)定腔長，響應(yīng)時(shí)間為千赫茲；另一種方法是使用電光（E-O）調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)兆赫茲的響應(yīng)時(shí)間。幾個(gè)專門的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置已經(jīng)表明，光譜帶寬可以用赫茲來測(cè)量。確定環(huán)形腔光譜分辨率的關(guān)鍵因素，是外部頻率參考腔。如圖2所示，參考腔用于產(chǎn)生穩(wěn)定激光腔長度所需要的信號(hào)。這個(gè)外部參考腔必須與溫度、機(jī)械振動(dòng)和聲學(xué)噪聲引起的環(huán)境波動(dòng)隔離開來。參考腔應(yīng)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(hào)。

鎖模準(zhǔn)連續(xù)激光器

對(duì)于許多應(yīng)用而言，精確定義激光輸出的時(shí)間特性，比精確定義的能量更加重要。事實(shí)上，實(shí)現(xiàn)短的光脈沖需要許多縱模同時(shí)共振的腔體配置。當(dāng)這些循環(huán)的縱模在激光腔內(nèi)具有固定的相位關(guān)系時(shí)，激光器就會(huì)鎖模。這將實(shí)現(xiàn)單個(gè)脈沖在腔內(nèi)振蕩，其周期由激光腔長度定義。

可以使用聲光調(diào)制器（AOM）實(shí)現(xiàn)主動(dòng)鎖模，也可以通過克爾透鏡實(shí)現(xiàn)被動(dòng)鎖模。前者在 20 世紀(jì) 80 年代比較流行，利用腔內(nèi) AOM 作為瞬態(tài)快門，以腔長頻率的一半打開和關(guān)閉。使用這種方法，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百皮秒的脈沖。在過去的幾十年中，科學(xué)應(yīng)用需要提高時(shí)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(diào)諧中心波長、并將光脈沖縮短一個(gè)數(shù)量級(jí)（至幾十皮秒）提供了一種可行方法。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，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(zhì)處相遇，以使染料分子產(chǎn)生受激輻射。通過調(diào)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(qū)動(dòng)光參量振蕩器（OPO）（下文討論）。

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

原則上，當(dāng)脈沖在增益介質(zhì)中傳播時(shí)，脈沖存在時(shí)峰值強(qiáng)度更高。這創(chuàng)建了一個(gè)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?jīng)]有增益來支持腔內(nèi) CW 模式的同時(shí)共振。對(duì)腔的機(jī)械擾動(dòng)用于引起強(qiáng)度尖峰以啟動(dòng)鎖模。通過這種方法，使得鈦藍(lán)寶石產(chǎn)生了短至 4 fs 的脈沖。

圖 3：在鎖模的鈦藍(lán)寶石激光器中，通過移動(dòng)位于兩個(gè)色散棱鏡之間的調(diào)諧狹縫，來調(diào)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(gè)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(xué)元件的足夠色散補(bǔ)償，以保持穩(wěn)定鎖模所需的相位關(guān)系。如圖3所示，在腔內(nèi)增加了補(bǔ)償棱鏡，以確保恒定的相位關(guān)系。使用這種方法，可以獲得短至 20 fs 的脈沖。為了產(chǎn)生更短的脈沖，還必須補(bǔ)償高階色散。這種補(bǔ)償是使用光學(xué)啁啾鏡來實(shí)現(xiàn)的，以保持穩(wěn)定鎖模所需的相位關(guān)系。

由于克爾透鏡鎖模在較短脈沖（較高強(qiáng)度）下最有效，因此這種方法主要適用于產(chǎn)生飛秒脈沖。在 100 fs~100 ps 的范圍內(nèi)，可以使用稱為再生鎖模的混合方法。這種方法使用了腔內(nèi)AOM和克爾效應(yīng)。AOM 驅(qū)動(dòng)頻率源自對(duì)腔重復(fù)頻率的實(shí)時(shí)測(cè)量，其幅度取決于脈沖持續(xù)時(shí)間。隨著所需脈沖寬度的增加和克爾效應(yīng)的減小，穩(wěn)定的 AOM 幅度增加以支持鎖模。因此，使用單個(gè)激光系統(tǒng)，再生鎖模能夠在 20 fs~300 ps 的較寬范圍內(nèi)，提供穩(wěn)定、可調(diào)的輸出。

20 世紀(jì) 90 年代末，再生鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了第一臺(tái)可調(diào)諧、一體式計(jì)算機(jī)控制的鈦藍(lán)寶石激光器。這項(xiàng)創(chuàng)新使該技術(shù)更容易被更廣泛的研究人員和應(yīng)用所使用。多光子成像的進(jìn)步在很大程度上是由技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)的�，F(xiàn)在，飛秒激光脈沖可供生物學(xué)家、神經(jīng)科學(xué)家和醫(yī)生使用。多年來取得的一些技術(shù)進(jìn)展，已經(jīng)使鈦藍(lán)寶石激光器在生物成像領(lǐng)域普遍應(yīng)用。

超快鐿激光器

盡管鈦藍(lán)寶石激光器具有廣泛的實(shí)用性，但是一些生物成像實(shí)驗(yàn)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?yàn)楦�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(qū)動(dòng)需要更深成像深度的生物實(shí)驗(yàn)。

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(guān)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(jīng)開發(fā)了幾種熒光標(biāo)記物，可以進(jìn)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(qū)動(dòng)的一體式、計(jì)算機(jī)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(duì)于多光子成像，這種架構(gòu)提供了一種明顯比鈦藍(lán)寶石激光器性能更高的替代品。

超快放大器

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

超快脈沖的放大可分為兩大類：多級(jí)放大和再生放大。前者的優(yōu)勢(shì)是可以用非常低的輸入實(shí)現(xiàn)非常高的能量（100 mJ），但是重復(fù)通過放大級(jí)會(huì)降低輸出光束質(zhì)量。因此，再生放大是產(chǎn)生微焦（μJ）或毫焦（mJ）級(jí)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(shí)現(xiàn)的（見圖4）。這個(gè)過程從一個(gè)具有飛秒脈沖持續(xù)時(shí)間的鎖模振蕩器即種子激光器開始。對(duì)種子激光器而言，擁有足夠的帶寬至關(guān)重要，以便脈沖持續(xù)時(shí)間可以在時(shí)間上被拉伸或啁啾。光學(xué)啁啾是由于不同顏色的光、以不同的速度穿過光學(xué)材料而產(chǎn)生的。一般來說，紅光的傳播速度比藍(lán)光要快。例如，展寬光柵在藍(lán)光之前引入正啁啾紅光，以在時(shí)間和空間上分離波長成分。脈沖展寬對(duì)于降低毫焦級(jí)飛秒脈沖的強(qiáng)峰值功率非常必要。在展寬之后，近 300 ps 的脈沖被引導(dǎo)到第二級(jí)再生激光腔。最后一步是使用第二個(gè)光柵引入負(fù)啁啾，并重建放大的脈沖。整個(gè)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(lán)寶石，但是其他增益介質(zhì)（如鐿）也越來越受歡迎。在使用這兩種增益介質(zhì)的情況下，放大器具有比較窄的可調(diào)諧性，鈦藍(lán)寶石的調(diào)諧范圍約為 780~820 nm，這限制了它們?cè)诠庾V學(xué)應(yīng)用中的實(shí)用性。為了克服這一限制，有幾種頻率轉(zhuǎn)換方法可供選擇。

諧波頻率轉(zhuǎn)換，是調(diào)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(zhuǎn)換為基頻的整數(shù)倍。對(duì)于鈦藍(lán)寶石（基本調(diào)諧范圍 700~1000 nm），其二次諧波的調(diào)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(shí)際操作中，由于諧波晶體吸收，四次諧波的調(diào)諧被限制在 200 nm。對(duì)于需要波長超出此范圍的應(yīng)用，則需要參數(shù)轉(zhuǎn)換選項(xiàng)。

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(lán)寶石 700~1000 nm的調(diào)諧范圍，在 UV-VIS 和 IR 光譜區(qū)域留下了波長空白。對(duì)于那些需要波長“處于這些‘空白’區(qū)域的”超快脈沖的實(shí)驗(yàn)而言，必須進(jìn)行參數(shù)下轉(zhuǎn)換。這種方法將單個(gè)高能光子轉(zhuǎn)換為兩個(gè)低能光子：信號(hào)光子和閑散光子（見圖 5）。

圖 5：參數(shù)下轉(zhuǎn)換的示意圖。

這兩個(gè)光子之間的能量分配可以由用戶配置。在基于鈦藍(lán)寶石的一個(gè)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(diào)諧到 2600 nm。由于參數(shù)下轉(zhuǎn)換是一個(gè)非線性過程，轉(zhuǎn)換效率可能成為一個(gè)問題。為了克服這一限制，光學(xué)參量振蕩器（OPO）用于納焦級(jí)能量水平，光學(xué)參量放大器（OPA）用于毫焦能級(jí)能量水平。

在 OPO 腔內(nèi)，光由一個(gè)在腔內(nèi)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(zhì)是一種非線性晶體，并不能存儲(chǔ)增益。OPO 晶體只有在存在泵浦脈沖的情況下轉(zhuǎn)換光子。超快OPO的成功運(yùn)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(hào)光子同時(shí)到達(dá)晶體。換句話說，固定波長的鈦藍(lán)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(dòng)選擇所需的波長，并確保該波長的腔內(nèi)往返時(shí)間保持在 80 MHz，這與鈦藍(lán)寶石泵浦激光器相同。在這個(gè)例子中，OPO 由鈦藍(lán)寶石泵浦激光的二次諧波驅(qū)動(dòng)。由此產(chǎn)生的 400 nm 光束，產(chǎn)生信號(hào)光和閑散光輸出，總波長覆蓋范圍為 490~750 nm（信號(hào)光輸出）和 930 nm~2.5 µm（閑散光輸出），脈沖寬度小于 200 fs。當(dāng)與鈦藍(lán)寶石基波在 690~1040 nm的調(diào)諧范圍相結(jié)合時(shí)，該系統(tǒng)覆蓋了 485 nm~2.5 µm 的波長范圍。典型應(yīng)用包括孤子研究、時(shí)間分辨振動(dòng)光譜和超快泵浦探針實(shí)驗(yàn)。

圖 6：在同步泵浦光參量振蕩器（OPO）中，通過調(diào)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(xué)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(xué)諧振腔來實(shí)現(xiàn)有效的波長轉(zhuǎn)換。來自超快放大器的光束的一小部分，被聚焦到藍(lán)寶石板上，以產(chǎn)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(chǎn)生數(shù)量級(jí)放大的信號(hào)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(gè)脈沖的能量高達(dá)幾毫焦。在這些能量級(jí)別，產(chǎn)生的信號(hào)光和閑散光可以轉(zhuǎn)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(chǎn)生從 190 nm 深紫外到遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)的光子。這些器件促進(jìn)了許多光譜應(yīng)用，如瞬態(tài)吸收光譜、熒光上轉(zhuǎn)換、2D紅外光譜和高次諧波產(chǎn)生。

結(jié)語

現(xiàn)在，可調(diào)諧激光器已經(jīng)被用于許多重要的應(yīng)用領(lǐng)域，從基礎(chǔ)科學(xué)研究到激光制造以及生命和健康科學(xué)。目前可用的技術(shù)范圍很廣。從簡單的 CW 可調(diào)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(xué)實(shí)驗(yàn)，為現(xiàn)代研究人員提供了關(guān)鍵信息。

更復(fù)雜的超快放大器系統(tǒng)，利用高能、皮秒和飛秒激光脈沖，產(chǎn)生UV到遠(yuǎn)紅波段的激光輸出。這些超快激光器對(duì)于理解高能物理、高次諧波和瞬態(tài)光譜學(xué)至關(guān)重要。寬調(diào)諧范圍意味著，同一激光系統(tǒng)可用于研究電子和振動(dòng)光譜學(xué)中的無限范圍的實(shí)驗(yàn)。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(nèi)跨度超過 300 nm 的激光輸出。更復(fù)雜的系統(tǒng)在微焦和毫焦能量范圍內(nèi)，跨越了 200~20000 nm 的令人印象深刻的寬光譜范圍。

來源：PHOTONICS marketplace®

轉(zhuǎn)自：MKS 光電解決方案

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