许多激光器允许操作员根据需要调整或改变从紫外到红外的输出波长。

可调谐激光器促进的应用分为两类：一类是任何单线或多线固定波长激光器都无法提供一个或多个离散波长的情况，另一类是在实验或测试过程中必须连续调谐激光波长的情况。

许多类型的可调谐激光器可以产生可调谐的连续波（CW）、纳秒、皮秒或飞秒输出。它们的输出特性由所使用的激光介质决定。

可调谐激光器的一个基本要求是它们能够在扩展的波长范围内发射。特殊的光学元件用于从该范围内选择特定的波长或波段。各种类型的材料用于产生可调激光，最常见的是有机染料或晶体，如钛蓝宝石（Ti：蓝宝石）。在这两种情况下，由于在~490 nm处的有效吸收，采用氩离子（Ar+）或倍频钕离子（Nd3+）泵浦激光器。

染料分子可用于产生可见光范围内的紫外线波长。然而，要获得宽的调谐范围，需要在许多不同的染料分子之间进行切换，这可能很麻烦。固态激光器使用单一的激光增益材料（如电介质晶体）来放大光功率，从而提供广泛的可调性。这消除了进行长时间染料更换的需要。

钛：蓝宝石已成为领先的可调谐激光材料，因为其宽（680至1100 nm）的发射轮廓可以连续调谐，其输出可以上变频到UV-VIS光谱范围或下变频到IR光谱区域。这些特性使化学和生物学中的许多应用成为可能。

图1：基于钛宝石的CW驻波激光器示意图。示出了双折射调谐元件

可调谐连续波驻波激光器

从概念上讲，CW驻波激光器是最简单的激光器架构。该激光器由高反射器、增益介质和输出耦合器组成（图1），使用各种激光增益介质提供CW输出。为了实现可调性，选择增益介质以覆盖感兴趣的波长范围。

许多荧光染料可用于将激光波长移动到所需区域。染料激光器具有覆盖整个UV-VIS光谱的宽波长范围的优点，但也存在使用单一染料/溶剂组合具有窄波长可调性的缺点。固态钛宝石激光器具有使用单一增益介质具有宽波长激光范围的优点，但缺点是工作在690至1100 nm光谱的近红外区域。

对于这两种增益介质，波长调谐都是使用无源波长稳定元件完成的。这些元件中的第一个是多板双折射或Lyot滤光片。该光学元件通过在特定波长下提供高透射率来调制增益，从而迫使激光器在该波长下工作。

调谐是通过旋转这个双折射滤光片来实现的。虽然简单，但CW驻波激光器允许许多纵向激光模式。这会产生约40 GHz全宽半峰（<1.5 cm^-1）的线宽，这可能是拉曼光谱等某些应用的限制因素。为了实现更窄的线宽，需要环形配置。 

可调谐CW环形激光器

自20世纪80年代初以来，环形激光器一直被用于实现来自单个纵向腔模式的可调CW辐射，光谱带宽可能在千赫兹范围内。与驻波激光器类似，可调谐环形激光器也可使用染料和钛宝石激光介质。前者能够提供非常窄的<100 kHz线宽，而后者提供<30 kHz线宽。染料激光器的调谐范围为550至760 nm，钛宝石版本的调谐范围则为680至1035 nm。两个输出都可以倍频，以访问光谱的紫外区域。

根据海森堡的不确定性原理，随着能量的定义越来越精确，脉冲宽度的确定就越不精确。对于驻波CW激光器，腔长将允许的能量数量定义为离散的纵向模式。当腔长较短时，允许的纵向模式数量会增加，从而导致更宽、更不明确的输出线宽。

在环形配置中，激光腔可以被视为无限长的腔，能量将被精确地定义。腔内仅存在一个纵向模式。为了达到单模工作条件，需要几个光学元件（图2）。

首先，将法拉第隔离器插入腔中，以确保腔内光子

始终遵循相同的路径。腔内标准具用于进一步减小输出线宽。在环形配置中，与驻波激光腔不同，没有端镜。光子在激光腔内持续循环。其次，必须稳定腔体长度，以校正由环境波动（如热量或振动）引起的任何机械变化。

为了实现超窄的光谱带宽，必须使用两种方法之一来稳定腔：使用机械压电驱动镜来稳定腔长以获得千赫兹的响应时间，或者使用电光（E-O）调制器来实现兆赫的响应时间。几个专门的实验室设置表明，光谱带宽可以用赫兹来测量。确定环形腔光谱分辨率的关键因素是外部频率参考腔。如图2所示，参考腔用于产生稳定激光腔长度所需的信号。这种外部电池必须与温度、机械振动和声学噪声引起的环境波动隔离开来。参考单元应与环形激光腔本身很好地分开，以避免两者之间的无意耦合。参考信号采用Pound-Drever-Hall方法进行处理。

图2:带有外部参考单元的环形钛宝石激光器的光学布局

锁模准连续波激光器

对于许多应用，精确定义的激光输出的时间特性比精确定义的能量更重要。事实上，实现时间短的光脉冲需要一个腔结构，其中许多纵向模式同时共振。当这些循环的纵向模在激光腔内具有固定的相位关系时，激光就进入锁模状态。这导致在腔内振荡的单脉冲，其周期由激光腔长度定义。

锁模可以通过使用声光调制器（AOM）主动实现，也可以通过克尔透镜锁模被动实现。前者在20世纪80年代流行，利用腔内AOM作为瞬态快门，以腔长频率的一半打开和关闭。使用这种方法，可以实现数百皮秒的脉冲。在过去的几十年里，科学应用需要提高时间分辨率，因此需要更短的脉冲。

同步泵浦染料激光器作为一种调谐中心波长并将光脉冲缩短一个数量级（在几十皮秒的范围内）的方法出现了。为了实现这种状态，染料激光腔必须具有与锁模泵浦激光器相同的腔长。泵浦和染料激光脉冲在增益介质处相遇，以产生染料分子的受激发射。通过调节染料激光腔长度来稳定激光输出。同步泵浦配置也可用于驱动光参量振荡器（OPOs）（下文讨论）。

钛：蓝宝石锁模激光器是被动克尔透镜锁模的一个例子（图3）。在这种方法中，脉冲是通过增益调制和钛宝石的强度依赖折射率产生的。

原则上，当脉冲在增益介质中传播时，脉冲存在时峰值强度更高。这创建了一个无源透镜，可以更紧密地聚焦脉冲束，并更有效地提取增益，直到没有增益来支持腔中CW模式的同时共振。对腔的机械扰动用于引起强度尖峰以启动锁模。通过这种方法，使用钛：蓝宝石产生了短至4fs的脉冲。

图3.在锁模钛宝石激光器中，通过移动位于两个色散棱镜之间的调谐狭缝来调谐中心波长

值得注意的是，超过300nm的带宽可以组合成一个脉冲。根据海森堡的不确定性原理，较短的脉冲需要更多的纵向模式。因此，激光腔必须具有来自腔光学器件的足够色散补偿，以保持稳定锁模所需的相位关系。如图3所示，补偿棱镜被添加到腔体中，以确保恒定的相位关系。使用这种方法，可以实现短至20fs的脉冲。为了产生更短的脉冲，还必须补偿对色散的高阶贡献。这种补偿是通过使用引入光学啁啾的特殊镜子来实现的，以保持稳定锁模所需的相位关系。

由于克尔透镜锁模在较短脉冲（较高强度）下最有效，因此这种方法主要适用于产生飞秒脉冲。在100fs和100ps之间的中间范围内，可以使用称为再生锁模的混合方法。该方法采用腔内AOM和克尔效应。AOM驱动频率来自腔重复频率的实时测量，振幅取决于脉冲持续时间。随着所需脉冲宽度的增加和克尔效应的减小，稳定的AOM幅度增加以支持锁模。因此，再生锁模能够在20fs至300ps的宽范围内提供稳定、可调的输出，同时使用单个激光系统。

20世纪90年代末，再生锁模技术实现了第一台可调谐、单盒计算机控制的钛宝石激光器。这项创新使该技术更容易被更广泛的研究人员和应用所接受。多光子成像的进步在很大程度上是由技术进步推动的。飞秒激光脉冲现在可供生物学家、神经科学家和医生使用。例如，多年来，几项改进使钛宝石激光器在生物成像领域无处不在。

超快镱激光器

尽管钛宝石具有实用性，但一些生物成像实验需要更长的波长。典型的双光子吸收过程是由900纳米光子引发的。因为较长的波长意味着较少的散射，需要更深成像深度的生物实验由较长的激发波长更有效地驱动。

考虑附着在生物样品上的染料的后续荧光光子的波长也很重要。这种荧光光子通常在450至550 nm的波长范围内发射，这将更容易受到散射的影响。因此，已经开发了几种荧光标记，可以进一步吸收红外波长范围。为了满足这一要求，开发了由1045nm镱激光器驱动的单盒、计算机控制、同步泵浦的OPO。这种新型激光器的输出范围为680至1300纳米。对于多光子成像，这种架构提供了比钛：蓝宝石更高的性能替代品。

超快放大器

上述示例产生纳米焦耳能量范围内的超快脉冲。然而，许多应用需要更高能量的可调光源。由于波长转换是一个非线性过程，效率取决于可用能量。对于这些应用，使用了几种技术来提高超快激光器的能量和可调性。

超快脉冲的放大分为两类：多程放大器和再生放大器。前者具有在非常低的背景下实现非常高的能量（100 mJ）的优点，但重复通过放大级会降低输出光束质量。因此，再生放大是产生微焦耳或毫焦耳范围内脉冲能量的首选方法。

一般来说，超快脉冲放大是通过啁啾脉冲放大方法实现的（图4）。该过程始于一个具有飞秒脉冲持续时间的锁模振荡器——种子激光器。重要的是种子激光器具有足够的带宽，以便脉冲持续时间可以在时间上被拉伸或啁啾。光学啁啾是由于不同颜色的光以不同的速度穿过光学材料而产生的。一般来说，红色波长的传播速度会比蓝色波长快。例如，展宽光栅在蓝色之前引入正啁啾红色，以在时间和空间上分离波长分量。拉伸对于降低毫焦耳级飞秒脉冲的强峰值功率是必要的。在拉伸之后，近300ps的脉冲被引导到次级再生激光腔。最后一步是使用第二个光栅引入负啁啾并重建放大的脉冲。该过程如图4所示。

如今，大多数再生放大器都使用钛：蓝宝石，但其他增益介质，如镱，也越来越受欢迎。在这两种情况下，放大器的可调性都很窄，钛宝石约为780至820纳米，这限制了它们在应用于光谱学时的实用性。为了克服这一限制，有几种频率转换选项可供选择。

图4:啁啾脉冲放大的示意图

谐波频率转换是调谐超快振荡器或超快放大器系统波长的最简单方法。原则上，入射光子被上转换为基频的整数倍。对于钛：蓝宝石，其基波调谐范围为700至1000纳米，二次谐波的调谐范围为350至500纳米，三次谐波为233至333纳米，四次谐波为175至250纳米。在实践中，由于谐波晶体吸收，四次谐波范围被限制在200nm。对于需要超出此范围的波长的应用，需要参数转换选项。

超快OPOs和OPAs

虽然脉冲超快输出可以倍频甚至三倍，但钛宝石的700至1000 nm调谐范围在UV-VIS和IR光谱区域留下了波长间隙。对于在这些“间隙”光谱区域需要超快脉冲的实验，参数下变频是必要的。这种方法将单个高能光子转换为两个低能光子：信号光子和闲散光子（图5）。

这两个光子之间的能量分配可以由用户配置。在基于Ti：蓝宝石的典型参数配置中，入射的800 nm光子可以在1200 ~ 2600 nm之间连续调谐。由于参数下转换是一个非线性过程，转换效率可能成为一个问题。为了克服这一限制，光学参量振荡器（opos）被用于纳焦耳能级，光学参量放大器（OPAs）被用于毫焦耳能级。

图5:参数下变频的示意图

在OPO腔内，光由一个在腔内来回传播的短脉冲组成。然而，与上述染料激光器配置不同，有源介质是不能存储增益的非线性晶体。OPO晶体仅在存在泵浦脉冲时转换光子。超快OPO的成功运行需要泵浦源的脉冲与在OPO腔周围循环的闲散光子和信号光子同时到达晶体。换句话说，固定波长钛宝石激光器和超快OPO必须具有完全相同的腔长。

典型超快OPO的布局如图6所示。相位匹配和腔长可以自动选择所需的波长，并确保该波长的腔往返时间保持在80 MHz，这与钛宝石泵浦激光器相同。在这个例子中，OPO是由钛宝石泵浦激光器的二次谐波驱动的。由此产生的400 nm光束产生信号和闲散输出，总波长覆盖范围为490至750 nm（信号输出）和930 nm至2.5µm（闲散输出），脉冲宽度低于200 fs。当与钛宝石基波在690至1040 nm的调谐范围相结合时，该系统覆盖了485 nm至2.5µm的波长范围。典型的应用包括孤子研究、时间分辨振动光谱和超快泵浦探针实验。

图6:在同步泵浦光参量振荡器（OPO）中，通过调整非线性晶体的相位匹配角来改变中心波长

OPA利用了相同的非线性光学过程，但由于泵浦脉冲具有更高的峰值功率，因此不需要光学谐振腔来实现高效的波长转换。来自超快放大器的光束的一小部分被聚焦到蓝宝石板上，以产生白光连续体。这被用来播种OPA晶体，通常是硼酸钡晶体，由超快放大器光束的其余部分泵浦。这也是光束在单程中在信号和闲散波长处经历数量级放大的地方。输出的中心波长再次由晶体的相位匹配条件控制，光谱带宽通常由泵浦和种子光束的带宽或晶体的接收带宽决定。

这种OPA可以在飞秒或皮秒范围内工作，脉冲能量高达每脉冲几毫焦耳。在这些能级下，产生的信号和闲散光束可以转换为它们的谐波，或者通过和频和/或差频混频。

用毫焦耳脉冲能量泵浦的OPA能够产生从190纳米深紫外到远红外光谱区的光子。这些设备促进了许多光谱应用，如瞬态吸收光谱、荧光上转换、二维红外光谱和高次谐波产生。

可调谐激光器现在被用于许多重要的应用，从基础科学研究到激光制造以及生命和健康科学。目前可用的技术范围很广。从简单的CW可调系统开始，其窄线宽用于高分辨率光谱、分子和原子捕获以及量子光学实验，为现代研究人员提供了关键信息。

更复杂的超快放大器系统利用高能、皮秒和飞秒激光脉冲从紫外到远红外产生激光输出。这些超快激光器对于理解高能物理、高次谐波和瞬态光谱学至关重要。宽的调谐范围意味着同一激光系统可用于研究电子和振动光谱学中的无限范围的实验。今天的激光器制造商提供总包解决方案，提供在纳焦耳能量范围内跨度超过300纳米的激光输出。更复杂的系统在微焦耳和毫焦耳能量范围内跨越了200至20000纳米的令人印象深刻的范围。

转自：光子位

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