许多激光器允许操作者根据需求，在紫外到红外的波长范围内调谐或改变输出波长。接着我们之前讨论的可调谐激光器的实现原理， 本文将详细讨论可调谐激光的类型和应用。

使用可调谐激光器的应用通常可分为两大类：一类是当单线或多线固定波长激光器无法提供所需的一个或多个离散波长时；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，如光谱学和泵浦-探测实验。

许多类型的可调谐激光器能够产生可调谐的连续波（CW）、纳秒、皮秒或飞秒脉冲输出。其输出特性由所使用的激光增益介质决定。

可调谐激光器的一个基本要求是：它们能够在较宽的波长范围内发射激光。可以使用特殊的光学元件，从可调谐激光器的发光波段中，选择特定的波长或波长带。

能够产生可调谐激光的增益材料多种多样，其中最常见的是有机染料和钛蓝宝石晶体（Ti:sapphire）。在使用这两种增益材料的情况下，由于它们在大约 490 nm 波长处对泵浦光具备高效吸收，因此会采用氩离子（Ar+）激光器或倍频的钕离子（Nd3+）激光器作为泵浦源。

染料分子可用于产生从紫外到可见光（ UV-VIS）范围内的波长。然而，要实现宽泛的调谐范围，则需要在许多不同的染料分子之间进行切换，整个过程相当繁琐复杂。相比之下，固态激光器仅使用一种激光增益材料（如介电晶体）即可实现宽泛的调谐范围，从而避免了频繁更换染料的麻烦。

目前，钛蓝宝石已经成为主要的可调谐激光器增益材料，其 680~1100 nm 的宽发射光谱可以连续调谐，并且其输出可以上转换到UV-VIS光谱范围，或下转换到 IR 光谱区域。这些特性使其在化学和生物学领域具有广泛的应用。

可调谐 CW 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。该激光器中包括一个高反镜、增益介质和一个输出耦合镜（见图1），它能使用各种激光增益介质提供 CW 输出。为了实现可调谐性，需选择能够覆盖目标波长范围的增益介质。 

图1：基于钛蓝宝石的 CW 驻波激光器示意图。图中显示了一个双折射调谐滤光片。

许多荧光染料可用于将激光波长调谐至所需的范围。染料激光器的主要优点是能够覆盖 UV-VIS 波段的宽波长范围，但其不足之处在于，使用单一染料/溶剂只具有较窄的波长调谐能力。相比之下，固态钛蓝宝石激光器的优点是使用单一增益介质就能提供较宽的波长调谐范围，但其缺点是只能工作在 690~1100 nm 的近红外（NIR）波段。

对于这两种增益介质，波长调谐通过无源波长稳定元件来实现。首先是多板（multi-plate）双折射滤光片或 Lyot 滤光片。该滤光片通过在特定波长下提供高透射来调制增益，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 驻波激光器允许多个纵向激光模式。这会产生大约 40 GHz 全宽半高的线宽（<1.5 cm-1），这可能是拉曼光谱等一些应用的一个限制因素。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通过单纵模实现可调谐 CW 输出，光谱带宽在千赫兹范围。与驻波激光器类似，可调谐环形激光器也可以使用染料和钛蓝宝石作为增益介质。染料能够提供<100 kHz 的极窄线宽，而钛蓝宝石提供 <30 kHz 的线宽。染料激光器的调谐范围为 550~760 nm，钛蓝宝石激光器的调谐范围为680~1035 nm。这两种激光器的输出都可以倍频到 UV 波段。

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

在环形配置中，激光腔可以被视为一个无限长的腔，能量可以被精确定义。腔内仅存在单个纵模。为了实现单模工作条件，特别需要几个光学元件（见图 2）。

图 2：带有外部参考腔的环形钛蓝宝石激光器的光学布局。

首先，在腔体中插入一个法拉第隔离器，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。与驻波激光腔不同的是，环形配置中没有端面镜。光子在激光腔内连续循环。其次，腔长必须稳定，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，可以使用以下两种方法之一来稳定腔体：一种方法是使用机械压电驱动镜来稳定腔长，响应时间为千赫兹；另一种方法是使用电光（E-O）调制器来实现兆赫兹的响应时间。几个专门的实验室设置已经表明，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要的信号。这个外部参考腔必须与温度、机械振动和声学噪声引起的环境波动隔离开来。参考腔应该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。使用 Pound-Drever-Hall 方法处理参考信号。

锁模准连续激光器

对于许多应用而言，精确定义激光输出的时间特性，比精确定义的能量更加重要。事实上，实现短的光脉冲需要许多纵模同时共振的腔体配置。当这些循环的纵模在激光腔内具有固定的相位关系时，激光器就会锁模。这将实现单个脉冲在腔内振荡，其周期由激光腔长度定义。

可以使用声光调制器（AOM）实现主动锁模，也可以通过克尔透镜实现被动锁模。前者在 20 世纪 80 年代比较流行，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。在过去的几十年中，科学应用需要提高时间分辨率，因此需要更短的脉冲。

同步泵浦的染料激光器，为调谐中心波长、并将光脉冲缩短一个数量级（至几十皮秒）提供了一种可行方法。为了实现这一目标，染料激光腔必须与锁模的泵浦激光器具有相同的腔长。泵浦和染料激光脉冲在增益介质处相遇，以使染料分子产生受激辐射。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（OPO）（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（见图 3）。在这种方法中，脉冲是通过增益调制和钛蓝宝石依赖于强度的折射率产生的。

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，并且更有效地提取增益，直到没有增益来支持腔内 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，使得钛蓝宝石产生了短至 4 fs 的脉冲。

图 3：在锁模的钛蓝宝石激光器中，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 300 nm 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元件的足够色散补偿，以保持稳定锁模所需的相位关系。如图3所示，在腔内增加了补偿棱镜，以确保恒定的相位关系。使用这种方法，可以获得短至 20 fs 的脉冲。为了产生更短的脉冲，还必须补偿高阶色散。这种补偿是使用光学啁啾镜来实现的，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 100 fs~100 ps 的范围内，可以使用称为再生锁模的混合方法。这种方法使用了腔内AOM和克尔效应。AOM 驱动频率源自对腔重复频率的实时测量，其幅度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，使用单个激光系统，再生锁模能够在 20 fs~300 ps 的较宽范围内，提供稳定、可调的输出。

20 世纪 90 年代末，再生锁模技术实现了第一台可调谐、一体式计算机控制的钛蓝宝石激光器。这项创新使该技术更容易被更广泛的研究人员和应用所使用。多光子成像的进步在很大程度上是由技术进步推动的。现在，飞秒激光脉冲可供生物学家、神经科学家和医生使用。多年来取得的一些技术进展，已经使钛蓝宝石激光器在生物成像领域普遍应用。

超快镱激光器

尽管钛蓝宝石激光器具有广泛的实用性，但是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波长 900 nm的光子激发的。因为更长的波长意味着更少的散射，因此，更长的激发波长能够更有效地驱动需要更深成像深度的生物实验。

考虑附着在生物样品上的染料的后续荧光光子的波长，也至关重要。这种荧光光子的波长通常处于 450~550 nm 波段，更容易受到散射的影响。因此，人们已经开发了几种荧光标记物，可以进步吸收红外波长。为了满足这一要求，业界开发了由 1045 nm 镱激光器驱动的一体式、计算机控制且同步泵浦的 OPO。这种新型激光器的输出波长范围为 680~1300 nm。对于多光子成像，这种架构提供了一种明显比钛蓝宝石激光器性能更高的替代品。

超快放大器

上述例子产生纳焦（nJ）能量范围的超快脉冲。然而，很多应用需要更高能量的可调谐光源。由于波长转换是一个非线性过程，效率取决于可用的能量。对于这些应用，可以使用几种技术来提高超快激光器的能量和可调谐性。

超快脉冲的放大可分为两大类：多级放大和再生放大。前者的优势是可以用非常低的输入实现非常高的能量（100 mJ），但是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（μJ）或毫焦（mJ）级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（见图4）。这个过程从一个具有飞秒脉冲持续时间的锁模振荡器即种子激光器开始。对种子激光器而言，拥有足够的带宽至关重要，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，红光的传播速度比蓝光要快。例如，展宽光栅在蓝光之前引入正啁啾红光，以在时间和空间上分离波长成分。脉冲展宽对于降低毫焦级飞秒脉冲的强峰值功率非常必要。在展宽之后，近 300 ps 的脉冲被引导到第二级再生激光腔。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。整个过程如图 4 所示。

图 4：啁啾脉冲放大示意图。

如今，大多数再生放大器都使用钛蓝宝石，但是其他增益介质（如镱）也越来越受欢迎。在使用这两种增益介质的情况下，放大器具有比较窄的可调谐性，钛蓝宝石的调谐范围约为 780~820 nm，这限制了它们在光谱学应用中的实用性。为了克服这一限制，有几种频率转换方法可供选择。

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的方法。原则上，入射光子被上转换为基频的整数倍。对于钛蓝宝石（基本调谐范围 700~1000 nm），其二次谐波的调谐范围为 350~500 nm，三次谐波为 233~333 nm，四次谐波为 175~250 nm。在实际操作中，由于谐波晶体吸收，四次谐波的调谐被限制在 200 nm。对于需要波长超出此范围的应用，则需要参数转换选项。

超快 OPO 和 OPA

虽然超快脉冲输出可以倍频甚至三倍频，但是钛蓝宝石 700~1000 nm的调谐范围，在 UV-VIS 和 IR 光谱区域留下了波长空白。对于那些需要波长“处于这些‘空白’区域的”超快脉冲的实验而言，必须进行参数下转换。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（见图 5）。

图 5：参数下转换的示意图。

这两个光子之间的能量分配可以由用户配置。在基于钛蓝宝石的一个典型参数配置中，波长 800 nm的入射光子，可以从大约 1200 nm 连续调谐到 2600 nm。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（OPO）用于纳焦级能量水平，光学参量放大器（OPA）用于毫焦能级能量水平。

在 OPO 腔内，光由一个在腔内来回传播的短脉冲组成。然而，与上述染料激光器的配置不同，激活介质是一种非线性晶体，并不能存储增益。OPO 晶体只有在存在泵浦脉冲的情况下转换光子。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，固定波长的钛蓝宝石激光器和超快 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，并确保该波长的腔内往返时间保持在 80 MHz，这与钛蓝宝石泵浦激光器相同。在这个例子中，OPO 由钛蓝宝石泵浦激光的二次谐波驱动。由此产生的 400 nm 光束，产生信号光和闲散光输出，总波长覆盖范围为 490~750 nm（信号光输出）和 930 nm~2.5 µm（闲散光输出），脉冲宽度小于 200 fs。当与钛蓝宝石基波在 690~1040 nm的调谐范围相结合时，该系统覆盖了 485 nm~2.5 µm 的波长范围。典型应用包括孤子研究、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，因此并不需要光学谐振腔来实现有效的波长转换。来自超快放大器的光束的一小部分，被聚焦到蓝宝石板上，以产生白光连续谱。白光连续谱作为种子光输入 OPA 晶体（通常是硼酸钡晶体），并用超快放大器光束的其余部分作泵浦光。光束单次通过 OPA 后，产生数量级放大的信号和闲散光。输出光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 可以工作在飞秒或皮秒范围，每个脉冲的能量高达几毫焦。在这些能量级别，产生的信号光和闲散光可以转换为它们的谐波，或者通过和频和/或差频混频。

用毫焦脉冲能量泵浦的 OPA，能够产生从 190 nm 深紫外到远红外光谱区的光子。这些器件促进了许多光谱应用，如瞬态吸收光谱、荧光上转换、2D红外光谱和高次谐波产生。

结语

现在，可调谐激光器已经被用于许多重要的应用领域，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 可调谐系统开始，它们的窄线宽可用于高分辨率光谱、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，产生UV到远红波段的激光输出。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了一站式型解决方案，提供在纳焦能量范围内跨度超过 300 nm 的激光输出。更复杂的系统在微焦和毫焦能量范围内，跨越了 200~20000 nm 的令人印象深刻的宽光谱范围。

来源：PHOTONICS marketplace®

转自：MKS 光电解决方案

注：文章版权归原作者所有，本文内容、图片、视频来自网络，仅供交流学习之用，如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。