[科普中國(guó)]-可調(diào)諧激光器

簡(jiǎn)介

可調(diào)諧激光器與其他傳統(tǒng)的固態(tài)激光器相比，具有從近紫外到近紅外的寬波段調(diào)諧范圍，并且其本身尺寸小、線寬窄和光學(xué)效率高，這使其在單芯片實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)學(xué)診斷、皮膚醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。1

工作原理實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)調(diào)諧的原理大致有三種。大多數(shù)可調(diào)諧激光器都使用具有寬的熒光譜線的工作物質(zhì)。構(gòu)成激光器的諧振腔只在很窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)才有很低的損耗。因此，第一種是通過(guò)某些元件（如光柵）改變諧振腔低損耗區(qū)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)來(lái)改變激光的波長(zhǎng)。第二種是通過(guò)改變某些外界參數(shù)（如磁場(chǎng)、溫度等）使激光躍遷的能級(jí)移動(dòng)。第三種是利用非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的變換和調(diào)諧（見(jiàn)非線性光學(xué)、受激喇曼散射、光二倍頻，光參量振蕩）。屬于第一種調(diào)諧方式的典型激光器有染料激光器、金綠寶石激光器、色心激光器、可調(diào)諧高壓氣體激光器和可調(diào)諧準(zhǔn)分子激光器。

發(fā)展歷史世界上第一臺(tái)激光器,螺旋式氛燈泵浦的紅寶石激光器問(wèn)世后不久,脈沖可調(diào)諧染料激光器于1966年,由F.P.Sehsfer等人首先研制成功,四年后才由0.G.Peterson等人報(bào)導(dǎo)了第一臺(tái)連續(xù)波染料激光運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)時(shí)作為唯一的連續(xù)可調(diào)諧激光材料,染料激光得到了充分的發(fā)展,至八十年代形成一個(gè)高潮。

八十年代中,由于新型可調(diào)諧固體激光材料摻欽寶石(Ti:Sapphire,Ti:AloO3)的問(wèn)世,吸引很多染料激光研究者包括研制染料激光器的公司轉(zhuǎn)向到摻欽寶石激光的研究和生產(chǎn)中,就1993年度全球激光市場(chǎng)銷(xiāo)售情況和1994年市場(chǎng)預(yù)測(cè)趨勢(shì)盾,染料激光的市場(chǎng)主要集中在激光醫(yī)療和科學(xué)研究?jī)蓚€(gè)領(lǐng)域,其市場(chǎng)需求及銷(xiāo)售額遠(yuǎn)低于固體激光器(不僅僅可調(diào)諧固體激光器),僅為后者的1/20左右,而且呈下降趨勢(shì)。相反,固體激光,特別是半導(dǎo)體激光泵浦的全固體化激光器,不僅市場(chǎng)廣闊,幾乎遍及所有激光應(yīng)用領(lǐng)域,市場(chǎng)需求量及銷(xiāo)售額大,而且呈大幅度上漲趨勢(shì)。

1975年一1978年我國(guó)先后研制出Nd,YAG激光器和閃光燈泵浦的脈沖式可調(diào)諧染料激光器。1981年研制成功連續(xù)波可調(diào)諧環(huán)形染料激光器,并形成系列化產(chǎn)品,其最新?lián)Q代產(chǎn)品也是微機(jī)控制的自動(dòng)掃描環(huán)形染料激光器,我國(guó)的超短脈沖染料激光技術(shù)(21飛秒)居世界領(lǐng)先水平。

1990年左右我國(guó)已生長(zhǎng)出摻欽寶石晶體,并報(bào)導(dǎo)了用自己生長(zhǎng)的晶體完成了脈沖,連續(xù),準(zhǔn)連續(xù)摻欽寶石激光運(yùn)轉(zhuǎn),目前國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)摻欽寶石晶體的品質(zhì)因數(shù)可達(dá)200一300,摻雜濃度可高達(dá)4 在488nm波長(zhǎng)處,應(yīng)當(dāng)說(shuō)國(guó)內(nèi)摻欽寶石激光的研究尚處開(kāi)始階段,但發(fā)展十分迅速,僅僅幾年時(shí)間,已利用自聚焦鎖模技術(shù)得到了184fs摻鐵寶石激光運(yùn)轉(zhuǎn),和92fs摻鐵寶石激光運(yùn)轉(zhuǎn),可以預(yù)期不遠(yuǎn)的將來(lái),與世界先進(jìn)水平的差距將大大縮小。

1993年,V.Petircevic等人報(bào)導(dǎo)了據(jù)說(shuō)是世界上第一臺(tái)被普遍認(rèn)為是成功的 激光運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)時(shí)尚未采用半導(dǎo)體激光泵浦。1994年度實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光泵浦摻 全固體激光運(yùn)轉(zhuǎn)。2

技術(shù)分類(lèi)可調(diào)諧激光器從實(shí)現(xiàn)技術(shù)上看主要分為：電流控制技術(shù)、溫度控制技術(shù)和機(jī)械控制技術(shù)等類(lèi)型。

其中電控技術(shù)是通過(guò)改變注入電流實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的調(diào)諧，具有ns級(jí)調(diào)諧速度，較寬的調(diào)諧帶寬，但輸出功率較小，基于電控技術(shù)的主要有SG-DBR（采樣光柵DBR）和GCSR（輔助光柵定向耦合背向取樣反射）激光器。溫控技術(shù)是通過(guò)改變激光器有源區(qū)折射率，從而改變激光器輸出波長(zhǎng)的。該技術(shù)簡(jiǎn)單，但速度慢，可調(diào)帶寬窄，只有幾個(gè)nm?；跍乜丶夹g(shù)的主要有DFB（分布反饋）和DBR（分布布喇格反射）激光器。機(jī)械控制主要是基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)完成波長(zhǎng)的選擇，具有較大的可調(diào)帶寬、較高的輸出功率。基于機(jī)械控制技術(shù)的主要有DFB（分布反饋）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面發(fā)射激光器）等結(jié)構(gòu)。下面從這幾個(gè)方面可調(diào)諧激光器的原理進(jìn)行說(shuō)明。

基于電流控制技術(shù)基于電流控制技術(shù)的一般原理是通過(guò)改變可調(diào)諧激光器內(nèi)不同位置的光纖光柵和相位控制部分的電流，從而使光纖光柵的相對(duì)折射率會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生不同的光譜，通過(guò)不同區(qū)域光纖光柵產(chǎn)生的不同光譜的疊加進(jìn)行特定波長(zhǎng)的選擇，從而產(chǎn)生需要的特定波長(zhǎng)的激光。

一種基于電流控制技術(shù)的可調(diào)諧激光器采用SGDBR（Sampled Grating Distributed Bragg Reflector）結(jié)構(gòu)。

該類(lèi)型的激光器主要分為半導(dǎo)體放大區(qū)、前布喇格光柵區(qū)、激活區(qū)、相位調(diào)整區(qū)和后布拉格光柵區(qū)。其中前布喇格光柵區(qū)、相位調(diào)整區(qū)和后布喇格光柵區(qū)分別通過(guò)不同的電流來(lái)改變?cè)搮^(qū)域的分子分布結(jié)構(gòu)，從而改變布喇格光柵的周期特性。

對(duì)于在激活區(qū)（Active）產(chǎn)生的光譜，分別在前布喇格光柵區(qū)和后布喇格光柵區(qū)形成頻率分布有較小差異的光譜。對(duì)于需要的特定波長(zhǎng)的激光，可調(diào)諧激光器分別對(duì)前布喇格光柵和后布喇格光柵施加不同電流，使得在這兩個(gè)區(qū)域產(chǎn)生只有此特定波長(zhǎng)重疊其他波長(zhǎng)不重疊的光譜，從而使需要的特定波長(zhǎng)能夠輸出。同時(shí)該種激光器還包含半導(dǎo)體放大器區(qū)，使輸出的特定波長(zhǎng)的激光光功率達(dá)到100mW或者20mW。

基于機(jī)械控制技術(shù)基于機(jī)械控制技術(shù)一般采用MEMS來(lái)實(shí)現(xiàn)。一種基于機(jī)械控制技術(shù)的可調(diào)諧激光器采用MEMs-DFB結(jié)構(gòu)。

可調(diào)諧激光器主要包括DFB激光器陣列、可傾斜的MEMs鏡片和其他控制與輔助部分。

對(duì)于DFB激光器陣列區(qū)存在若干個(gè)DFB激光器陣列，每個(gè)陣列可以產(chǎn)生帶寬約為1.0nm內(nèi)的間隔為25Ghz的特定波長(zhǎng)。通過(guò)控制MEMs鏡片旋轉(zhuǎn)角度來(lái)對(duì)需要的特定波長(zhǎng)進(jìn)行選擇，從而輸出需要的特定波長(zhǎng)的光。

另一種基于VCSEL結(jié)構(gòu)ML系列系列的可調(diào)諧激光器，其設(shè)計(jì)基于光泵浦垂直腔面發(fā)射激光器，采用半對(duì)稱(chēng)腔技術(shù)，利用MEMS實(shí)現(xiàn)連續(xù)的波長(zhǎng)調(diào)諧。同時(shí)通過(guò)此方法可得到大的輸出光功率和寬光譜調(diào)諧范圍，熱敏電阻和TEC封裝在一起，以便在寬的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的輸出。為了精確頻率控制一個(gè)寬帶波長(zhǎng)控制器被集成同一管殼內(nèi)，前端分接光功率檢測(cè)器及光隔離器用于提供穩(wěn)定的輸出功率。這種可調(diào)激光器可以在C波段和L波段提供10/20mW光功率。

對(duì)于這種原理的可調(diào)諧激光器主要缺點(diǎn)是調(diào)諧時(shí)間比較慢，一般需要幾秒的調(diào)諧穩(wěn)定時(shí)間。

基于溫度控制技術(shù)基于溫度控制技術(shù)主要應(yīng)用在DFB結(jié)構(gòu)中，其原理在于調(diào)整激光腔內(nèi)溫度，從而可以使之發(fā)射不同的波長(zhǎng)。

一種基于該原理技術(shù)的可調(diào)激光器的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)是依靠控制InGaAsP DFB激光器工作在-5--50℃的變化實(shí)現(xiàn)的。模塊內(nèi)置有FP標(biāo)準(zhǔn)具和光功率檢測(cè)，連續(xù)光輸出的激光可被鎖定在ITU規(guī)定的50GHz間隔的柵格上。模塊內(nèi)有兩個(gè)獨(dú)立的TEC，一個(gè)用來(lái)控制激光器的波長(zhǎng)，另一個(gè)用來(lái)保證模塊內(nèi)的波長(zhǎng)鎖定器和功率檢測(cè)探測(cè)器恒溫工作。模塊還內(nèi)置有SOA來(lái)放大輸出光功率。

這種控制技術(shù)的缺點(diǎn)是單個(gè)模塊的調(diào)諧的寬度不寬，一般只有幾個(gè)nm，而且調(diào)諧時(shí)間比較長(zhǎng)，一般需要幾秒的調(diào)諧穩(wěn)定時(shí)間。

目前可調(diào)諧激光器基本上均采用電流控制技術(shù)、溫度控制技術(shù)或機(jī)械控制技術(shù)，有的供應(yīng)商可能會(huì)采用這些技術(shù)的一種或兩種。當(dāng)然隨著技術(shù)的發(fā)展，也可能會(huì)出現(xiàn)其他新的可調(diào)諧激光器控制技術(shù)。

產(chǎn)品類(lèi)型染料激光器用Nd:YAG激光經(jīng)過(guò)倍頻之后產(chǎn)生的 5320埃激光作為泵浦源去激勵(lì)染料。在振蕩器部分,條紋間距為d 的衍射光柵和輸出鏡構(gòu)成諧振腔。這時(shí),只有波長(zhǎng)滿(mǎn)足2dcosθ=mλ,m=0，1，2，… 的光束才具有低的損耗，能形成激光振蕩。因此，旋轉(zhuǎn)光柵（改變?chǔ)冉牵?就能改變輸出激光的波長(zhǎng)。在諧振腔內(nèi)還插入一個(gè)放在壓力室中的標(biāo)準(zhǔn)具。變壓力室中的氣壓,可使標(biāo)準(zhǔn)具中氣體的折射率隨之而變,從而獲得輸出波長(zhǎng)的精細(xì)調(diào)諧。還有一級(jí)放大，以增加輸出激光的功率。

一般染料激光器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，輸出功率和轉(zhuǎn)換效率都比較高。環(huán)形染料激光器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但性能優(yōu)越，可以輸出穩(wěn)定的單縱模激光。

染料激光的調(diào)諧范圍為0.3～1.2微米，是應(yīng)用最多的一種可調(diào)諧激光器。

金綠寶石激光器一種固體可調(diào)諧的激光器。金綠寶石中Cr3+的能級(jí)見(jiàn)圖3。發(fā)射激光的波長(zhǎng)取決于哪個(gè)振動(dòng)能級(jí)是激光躍遷的終端。振動(dòng)能級(jí)帶與激光的可調(diào)諧范圍相對(duì)應(yīng)。金綠寶石激光器的閾值低，效率高，輸出功率高,可在室溫下工作,調(diào)諧范圍7000～8000埃。

色心激光器色心是晶體中正負(fù)離子缺位引起的缺陷。已獲得激光工作的色心主要FA(Ⅱ)、FB(Ⅱ).等，屬四能級(jí)工作，由于晶格振動(dòng)的影響而有很寬的熒光線寬。色心激光器調(diào)諧范圍寬(0.6～3.65微米)、線寬窄,但大都只能在低溫下工作。

可調(diào)諧準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子是一種在激發(fā)態(tài)復(fù)合成分子、在基態(tài)離解成原子的不穩(wěn)定碲合物。由其能級(jí)示意圖可以看出，對(duì)應(yīng)于核間距為R0的基態(tài)分子是極不穩(wěn)定的，會(huì)很快分解成獨(dú)立的原子。因此，在R0附近，激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間很容易建立起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光振蕩。準(zhǔn)分子激光器已實(shí)現(xiàn)了紫外波長(zhǎng)可調(diào)諧輸出。3