波长调谐 | RP 系列

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关于可调谐激光器的文章讨论了具有可调输出波长的各类型激光器，而本文解释了几种波长调谐的方法。通过增益介质调谐第一种方法是通过影响激光增益介质的特性，从而改变最大增益的波长，进而相应改变输出波长(图1)。这种方法常应用于多模激光器，其中光谱的“重心”可以连续地调谐。该方法也可以应用于单频激光器，但通常会导致模式跳变，而不是连续调谐。

图1:通过移动激光增益光谱进行波长调谐。

激光二极管的波长通常通过温度来调谐，例如通过调节安装在半导体激光二极管上的热电冷却器的驱动电流或其本身的驱动电流。通常，激光二极管的调谐范围约为 +0.3 nm/K，以这种方式实现的总调谐范围可达到几纳米。谐振器模式频率也会受到温度变化的影响，但其变化幅度不如增益频谱显著。在单频运行的激光二极管中，如果采取适当的措施调谐谐振频率并抑制模式跳变，则可以在更宽范围内实现连续调谐。例如，对于外腔二极管激光器，可同时调节谐振腔长度和驱动电流来达成这一目标。(见下文)。用腔内滤波器调谐第二种方法是在激光谐振腔内引入一个可调谐的光学滤波器，该滤波器在某一可调波长处具有显著的最小损耗值(图2)。通过这种方式，可以调节最大净增益的波长，激光器通常会在该波长下工作。更具体而言，激光器通常在一个或几个谐振器模式下工作，其中激光所需的增益介质的反转电平(即产生等于谐振腔损耗的增益)接近其最小值。在稳定状态(对于连续波操作)下，激光波长的光在谐振腔内具有零往返净增益，而其他波长的光每次往返的净增益为负(假设增益光谱均匀变宽)。注意，即使净增益仅为略微负值，也可以完全抑制激光。

图2:通过调节谐振腔损耗进行波长调谐。

这种调谐方法常用于固态激光器。要实现宽波长调谐范围，激光增益介质必须具备较宽的增益带宽。如Ti：sapphire 和 Cr:ZnSe 宽带增益介质能够支持数百纳米的波长调谐范围。实际获得的调谐范围通常是可以实现足够净增益的波长区间。其调谐范围的极限通常由以下因素决定：发射截面过低或谐振腔损耗过高。在某些情况下，调谐范围可能更小，原因是存在激发态吸收，或者在增益最大的波长处无法充分抑制寄生激光。在某些光纤激光器中，反转电平(以及极端波长的增益)受到最大增益波长附近的受激辐射的限制。

图3:Yb:YAG 激光器的波长调谐:计算20 W 泵浦功率的输出功率(蓝色)和阈值泵浦功率(灰色)。

虚线曲线是基于降低的输出耦合器透射率计算得出的。这种设置虽然能够拓宽调谐范围，但会在一定程度上降低最大输出功率。在块状激光谐振腔中，常用的波长调谐元件包括以下几种：· 标准具(法布里-珀罗干涉仪)或双折射调谐器(Lyot 滤波片),可以旋转以调整最大透射率的波长；· 一对棱镜，结合一个可移动的光阑使用；· 单棱镜，与可倾斜的端镜配合，通过调整实现对谐振腔对准波长的改变；·体布拉格光栅，作为折叠镜使用，且通过改变入射角来调节波长。外腔二极管激光器的波长也可以通过腔内滤波器调谐。全息衍射光栅可以用作端镜(Littrow 配置)，其旋转以进行调谐，或谐振器内的固定光栅与可移动端镜相结合(Littrow 配置)。通过谐振器长度调谐通过精细调节谐振腔长度（对于线性谐振腔而言，调节范围约为半个波长），单频激光器可以在其谐振腔的一个自由光谱范围（free spectral range）内进行波长调谐（见图4）。其原理是谐振器模式的频率发生了变化。尝试超出这个范围进行调谐可能会导致激光器模式跳到下一个谐振器模式并具有更高的增益。如果同时调谐最大增益的波长，或者使用额外的腔内滤波器，就可以实现更宽的调谐范围。

图4:通过改变谐振腔模式的谐振频率进行波长调谐。

使用超短激光谐振腔可以获得相对宽带的无跳模可调谐性。例如，这可以用于微机电系统（MEMS）垂直腔面发射激光器（VCSELs）。这种激光器有一个单独的输出耦合镜，其位置可以通过热膨胀、静电力或压电元件进行调谐。替代技术波长可调辐射也可以通过以下替代技术获得:· 同步辐射源(摆动器和波动器，自由电子激光器)允许通过电子能量进行波长调谐。· 光学参量振荡器通常通过影响相位匹配条件来调谐。· 光学参量放大器可以用于放大通过超连续谱产生技术获得的非常宽谱中的可变部分。或者，也可以简单地将超连续谱源与可调谐带通滤波器结合使用。· 光纤中的拉曼自频移通过改变脉冲的发射功率进行波长调谐。如果需要非常快速的周期性光频扫描，则可使用另一种方法:使短光脉冲通过强色散元件（例如长光纤），以便不同的波长分量在不同的时间离开该元件。