作者：Malcolm Minty

 大多數(shù)科研人員和工程師都不會將“小型、免維護”以及“節(jié)能”這樣的特征描述與通常出現(xiàn)在科學實驗室中的激光器聯(lián)系起來。盡管商用的二極管激光器能夠提供小型、免維護等諸多優(yōu)點，但如果不對其改進，它們通常并不能滿足科學應用的苛刻要求。

 外腔二極管激光器系統(tǒng)，不但能將二極管激光器的性能提升到能夠滿足科研應用需求的水平，還能讓研究人員將更多的時間集中在實際研究上，而在激光器的具體操作上花費更少的時間。除了能夠在交鑰匙系統(tǒng)中替代傳統(tǒng)的激光器外，科研級二極管激光器系統(tǒng)還能滿足量子計算、原子光譜以及相移干涉測量等更多的應用需求，這些應用具體體現(xiàn)在人們對電信和其他產(chǎn)業(yè)的投資。

 外腔二極管激光器以現(xiàn)有的激光二極管為基礎。目前，市場上的激光二極管能夠提供廣泛的波長范圍，但是這些用于電信和消費電子等大批量應用領域的標準器件，通常腔長較短，并且對溫度非常敏感。另外，這些激光二極管的光譜輸出通常寬達幾納米，這對于大多數(shù)科研應用來說都太寬了。為了能夠在拉曼光譜或原子冷卻等應用中對樣品進行探測、測量以及與樣品相互作用，需要一個穩(wěn)定的窄線寬光源，因此必須要對現(xiàn)有的激光二極管加以改進。

 精確的機械控制

采用外腔結構，可以從激光二極管輸出的較寬增益譜區(qū)內(nèi)選擇一個窄線寬的特定波長。通過機械調(diào)節(jié)激光腔，可以對輸出波長進行精確調(diào)諧或掃描。事實上，外腔二極管激光器并非新生之物，早在上個世紀90年代就已經(jīng)有幾家公司在開發(fā)商用的外腔二極管激光器。人們對外腔二極管激光器的興趣，也在瘋狂的電信泡沫時代達到了頂峰。除了一些需要寬調(diào)諧的測試和測量應用外，目前大多數(shù)電信用可調(diào)諧激光器均基于分布式反饋技術，即通過調(diào)整電流在一個較窄的波長范圍內(nèi)對二極管的輸出波長進行調(diào)諧。然而，分布式反饋激光器只能提供有限的波長，而不能在較寬的范圍內(nèi)調(diào)諧，其典型線寬為兆赫茲量級。

自從電信泡沫時代開始，外腔激光器一直在穩(wěn)步發(fā)展。原子光譜學的研究要求激光器具有很窄的線寬，從而能在不同的原子躍遷之間實現(xiàn)精確調(diào)諧。在保證激光器諧振腔穩(wěn)定的同時，又要保持以亞微米的精度移動光柵或腔鏡的精確性和可重復性，這是一項極具挑戰(zhàn)性的工作。此外，還必須要解決振動、聲擾動以及熱漂移問題，因為這些因素會導致激光線寬展寬、模式跳躍以及輸出波長的漂移。采用被動阻尼精密機械技術和電子反饋環(huán)技術，已經(jīng)使得外腔二極管激光器在要求苛刻的應用中表現(xiàn)得非�？煽�。

圖1：市場上可用的激光二極管的光譜范圍正在穩(wěn)步擴展，同時輸出功率也在不斷提高，特別是在近紅外譜區(qū)。目前，已經(jīng)有越來越多的制造商能夠提供藍光甚至綠光激光二極管。

光柵或腔鏡的精密移動可以通過使用多種制動器來實現(xiàn)，根據(jù)應用需求的不同， New Focus公司使用的器件有壓電器件、直流步進電機或音圈馬達。在較寬的波長范圍內(nèi)實現(xiàn)快速掃描，要求調(diào)諧臂重量輕，并且能夠靈活、快速移動。然而，這可能導致器件的機械穩(wěn)定性降低，而且還能導致線寬展寬。對于自制系統(tǒng)，用一個簡單、堅固的千分尺就足以將激光器緩慢調(diào)諧到所要求的精確波長。而對于快速光學相干斷層掃描應用，則要使用工作頻率達幾千赫茲的微機電系統(tǒng)，這種應用只要求有限的相干長度，因此線寬較寬是可以接受的。       

New Focus公司在其Vortex II型激光器的調(diào)諧臂中加入磁阻尼，以進一步減小機械共振。另外，也有其他公司開發(fā)出了超穩(wěn)定裝配技術，該技術在多個諧振腔串聯(lián)為復雜系統(tǒng)時顯得尤為重要。       

能夠顯示二極管激光器能用于電信以外的領域、并證明這種激光器可以做得堅固耐用的發(fā)展里程碑有兩個：一個是由New Focus公司開發(fā)、在國際空間站中用于原子光譜學的780nm激光器所顯示出的空間特性；另一個是由Toptica公司展示的基于多個諧振腔的四次諧波紫外輸出。^[1]       

腔型設計的選擇

外腔二極管激光器的諧振腔通常有兩種選擇，并且二者都需要很高的精度。最簡單的是利特羅腔，它利用一塊光柵直接將光束衍射回外腔中。這種結構在機械上易于實現(xiàn)，并且由于它采用一次反射，因此能夠獲得很高的功率效率。簡單的利特羅腔激光器通常是在實驗室中自主搭建的，但是由于轉動光柵時腔長會發(fā)生變化，因此這種激光器無模式跳躍的調(diào)諧范圍非常有限。當光柵角度變化時，光束方向也會發(fā)生改變。商用外腔二極管激光器系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)二極管電流使調(diào)諧范圍達到最大，并通過機械補償來實現(xiàn)光束導向，從而克服了一些難題。       

外腔設計的另外一種選擇是Littman Metcalf 腔，它將光柵的位置固定，并通過旋轉反射鏡面來調(diào)節(jié)輸出波長。這種腔的主要缺點是：由于采用二次反射，因此會導致功率損耗，而且激光二極管需要更為精密的增透膜。這種腔的主要優(yōu)點是：無模式跳躍的調(diào)諧范圍要寬得多，并且不存在光束方向偏離（beam walk），這也是New Focus公司采用這種設計長達15年之久的一個原因。       

無論選擇哪種類型的激光腔，二極管的挑選都是至關重要的。目前市場上商用的激光二極管都是以數(shù)以百萬計的大規(guī)模制造出來的，這些制造商大部分位于日本和亞洲的其他地區(qū)。然而，為了滿足某種特殊的科學應用，需要特定波長的二極管用于搭建外腔二極管激光器，而這些大批量生產(chǎn)的制造商，通常對于生產(chǎn)少量特殊器件并不感興趣。一些規(guī)模較小的制造商可能愿意做客戶定制的二極管，但是現(xiàn)在人們又想到了另一種解決方案：即在現(xiàn)有的標準二極管上鍍一層增透膜來調(diào)節(jié)輸出波長�，F(xiàn)在New Focus公司可以自己鍍增透膜，因此能夠利用現(xiàn)有的商用二極管小批量生產(chǎn)用于科研和工業(yè)中的定制二極管激光器系統(tǒng)。

 提高功率，保持線寬

隨著二極管技術的不斷進步，其有效輸出功率已經(jīng)從幾毫瓦提高到了幾百毫瓦。市場對于更高二極管輸出功率的要求，尤其受到冷原子研究領域的驅(qū)動，因為他們在研究原子躍遷時需要更高的功率與更大量的原子相互作用。      

 提高二極管激光器的輸出功率帶來了另一個挑戰(zhàn)，即對低噪聲電流源的需求。電流起伏會對二極管本身引起微小偏差，這能夠?qū)е录す馄鞯木�寬展寬。將線寬保持在1MHz以下已經(jīng)是一種挑戰(zhàn)，因此為了獲得窄線寬高功率輸出，采用了一種主振功率放大器的二級系統(tǒng)。主振蕩器位于外腔中，其低功率、窄線寬輸出作為片式二極管功率放大器的種子。第二級本身不能產(chǎn)生激光，但是它的錐形結構能夠在不對線寬產(chǎn)生較大改變的情況下將功率放大。   

 盡管這種錐形放大器能夠獲得的波長范圍有限，但是它可以產(chǎn)生1W甚至更高的輸出功率。因此，這些二級外腔二極管激光器很大程度上取代了以前的氣體激光器、可調(diào)諧染料激光器以及一些固體激光器。最新的放大器將功率監(jiān)測和閉環(huán)電流控制電路相結合。這一新的可靠性和堅固性水平，使得這些二極管激光器系統(tǒng)能夠服務于大氣監(jiān)測和激光雷達等實驗室以外的應用。另外，目前二極管激光器輸出的更高功率，還可以實現(xiàn)倍頻等高效率的非線性過程，從而開辟了量子計算和離子捕獲等以前無法實現(xiàn)的全新應用。   

科研級二極管激光器系統(tǒng)的發(fā)展，始終得益于20年來人們在消費電子領域所傾注的多達10億美元的投資。電信和光存儲應用使研究人員獲得了功率更高、波長范圍更大以及成本更為低廉的二極管產(chǎn)品（如圖）。市場對二極管激光器的下一輪投資，很可能源于人們對紅綠藍三色投影儀的需求。

 隨著綠光激光二極管和可靠的高功率藍光二極管不斷開辟出新的應用領域，并且使現(xiàn)有的技術變得更加簡單，這些二極管將會被外腔二極管激光器進一步采用。外腔二極管激光器將能夠在效率上挑戰(zhàn)倍頻固體激光器，為從事光譜學和度量衡應用的研究人員提供更加寬泛的波長選擇。

 參考文獻

1. T. Schmitt, T.A. Puppe, A. Nendel, F. Lison, W.G. Kaenders, M. Le Flohic, CLEO/QELS 2009 (June 2009).