許多激光器允許操作員根據(jù)需要調(diào)整或改變從紫外到紅外的輸出波長。

可調(diào)諧激光器促進(jìn)的應(yīng)用分為兩類：一類是任何單線或多線固定波長激光器都無法提供一個或多個離散波長的情況，另一類是在實(shí)驗(yàn)或測試過程中必須連續(xù)調(diào)諧激光波長的情況。

許多類型的可調(diào)諧激光器可以產(chǎn)生可調(diào)諧的連續(xù)波（CW）、納秒、皮秒或飛秒輸出。它們的輸出特性由所使用的激光介質(zhì)決定。

可調(diào)諧激光器的一個基本要求是它們能夠在擴(kuò)展的波長范圍內(nèi)發(fā)射。特殊的光學(xué)元件用于從該范圍內(nèi)選擇特定的波長或波段。各種類型的材料用于產(chǎn)生可調(diào)激光，最常見的是有機(jī)染料或晶體，如鈦藍(lán)寶石（Ti：藍(lán)寶石）。在這兩種情況下，由于在~490 nm處的有效吸收，采用氬離子（Ar+）或倍頻釹離子（Nd3+）泵浦激光器。

染料分子可用于產(chǎn)生可見光范圍內(nèi)的紫外線波長。然而，要獲得寬的調(diào)諧范圍，需要在許多不同的染料分子之間進(jìn)行切換，這可能很麻煩。固態(tài)激光器使用單一的激光增益材料（如電介質(zhì)晶體）來放大光功率，從而提供廣泛的可調(diào)性。這消除了進(jìn)行長時間染料更換的需要。

鈦：藍(lán)寶石已成為領(lǐng)先的可調(diào)諧激光材料，因?yàn)槠鋵挘?80至1100 nm）的發(fā)射輪廓可以連續(xù)調(diào)諧，其輸出可以上變頻到UV-VIS光譜范圍或下變頻到IR光譜區(qū)域。這些特性使化學(xué)和生物學(xué)中的許多應(yīng)用成為可能。

圖1：基于鈦寶石的CW駐波激光器示意圖。示出了雙折射調(diào)諧元件

可調(diào)諧連續(xù)波駐波激光器

從概念上講，CW駐波激光器是最簡單的激光器架構(gòu)。該激光器由高反射器、增益介質(zhì)和輸出耦合器組成（圖1），使用各種激光增益介質(zhì)提供CW輸出。為了實(shí)現(xiàn)可調(diào)性，選擇增益介質(zhì)以覆蓋感興趣的波長范圍。

許多熒光染料可用于將激光波長移動到所需區(qū)域。染料激光器具有覆蓋整個UV-VIS光譜的寬波長范圍的優(yōu)點(diǎn)，但也存在使用單一染料/溶劑組合具有窄波長可調(diào)性的缺點(diǎn)。固態(tài)鈦寶石激光器具有使用單一增益介質(zhì)具有寬波長激光范圍的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是工作在690至1100 nm光譜的近紅外區(qū)域。

對于這兩種增益介質(zhì)，波長調(diào)諧都是使用無源波長穩(wěn)定元件完成的。這些元件中的第一個是多板雙折射或Lyot濾光片。該光學(xué)元件通過在特定波長下提供高透射率來調(diào)制增益，從而迫使激光器在該波長下工作。

調(diào)諧是通過旋轉(zhuǎn)這個雙折射濾光片來實(shí)現(xiàn)的。雖然簡單，但CW駐波激光器允許許多縱向激光模式。這會產(chǎn)生約40 GHz全寬半峰（<1.5 cm^-1）的線寬，這可能是拉曼光譜等某些應(yīng)用的限制因素。為了實(shí)現(xiàn)更窄的線寬，需要環(huán)形配置。

可調(diào)諧CW環(huán)形激光器

自20世紀(jì)80年代初以來，環(huán)形激光器一直被用于實(shí)現(xiàn)來自單個縱向腔模式的可調(diào)CW輻射，光譜帶寬可能在千赫茲范圍內(nèi)。與駐波激光器類似，可調(diào)諧環(huán)形激光器也可使用染料和鈦寶石激光介質(zhì)。前者能夠提供非常窄的<100 kHz線寬，而后者提供<30 kHz線寬。染料激光器的調(diào)諧范圍為550至760 nm，鈦寶石版本的調(diào)諧范圍則為680至1035 nm。兩個輸出都可以倍頻，以訪問光譜的紫外區(qū)域。

根據(jù)海森堡的不確定性原理，隨著能量的定義越來越精確，脈沖寬度的確定就越不精確。對于駐波CW激光器，腔長將允許的能量數(shù)量定義為離散的縱向模式。當(dāng)腔長較短時，允許的縱向模式數(shù)量會增加，從而導(dǎo)致更寬、更不明確的輸出線寬。

在環(huán)形配置中，激光腔可以被視為無限長的腔，能量將被精確地定義。腔內(nèi)僅存在一個縱向模式。為了達(dá)到單模工作條件，需要幾個光學(xué)元件（圖2）。

首先，將法拉第隔離器插入腔中，以確保腔內(nèi)光子

始終遵循相同的路徑。腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具用于進(jìn)一步減小輸出線寬。在環(huán)形配置中，與駐波激光腔不同，沒有端鏡。光子在激光腔內(nèi)持續(xù)循環(huán)。其次，必須穩(wěn)定腔體長度，以校正由環(huán)境波動（如熱量或振動）引起的任何機(jī)械變化。

為了實(shí)現(xiàn)超窄的光譜帶寬，必須使用兩種方法之一來穩(wěn)定腔：使用機(jī)械壓電驅(qū)動鏡來穩(wěn)定腔長以獲得千赫茲的響應(yīng)時間，或者使用電光（E-O）調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)兆赫的響應(yīng)時間。幾個專門的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置表明，光譜帶寬可以用赫茲來測量。確定環(huán)形腔光譜分辨率的關(guān)鍵因素是外部頻率參考腔。如圖2所示，參考腔用于產(chǎn)生穩(wěn)定激光腔長度所需的信號。這種外部電池必須與溫度、機(jī)械振動和聲學(xué)噪聲引起的環(huán)境波動隔離開來。參考單元應(yīng)與環(huán)形激光腔本身很好地分開，以避免兩者之間的無意耦合。參考信號采用Pound-Drever-Hall方法進(jìn)行處理。

圖2:帶有外部參考單元的環(huán)形鈦寶石激光器的光學(xué)布局

鎖模準(zhǔn)連續(xù)波激光器

對于許多應(yīng)用，精確定義的激光輸出的時間特性比精確定義的能量更重要。事實(shí)上，實(shí)現(xiàn)時間短的光脈沖需要一個腔結(jié)構(gòu)，其中許多縱向模式同時共振。當(dāng)這些循環(huán)的縱向模在激光腔內(nèi)具有固定的相位關(guān)系時，激光就進(jìn)入鎖模狀態(tài)。這導(dǎo)致在腔內(nèi)振蕩的單脈沖，其周期由激光腔長度定義。

鎖�？梢酝ㄟ^使用聲光調(diào)制器（AOM）主動實(shí)現(xiàn)，也可以通過克爾透鏡鎖模被動實(shí)現(xiàn)。前者在20世紀(jì)80年代流行，利用腔內(nèi)AOM作為瞬態(tài)快門，以腔長頻率的一半打開和關(guān)閉。使用這種方法，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百皮秒的脈沖。在過去的幾十年里，科學(xué)應(yīng)用需要提高時間分辨率，因此需要更短的脈沖。

同步泵浦染料激光器作為一種調(diào)諧中心波長并將光脈沖縮短一個數(shù)量級（在幾十皮秒的范圍內(nèi)）的方法出現(xiàn)了。為了實(shí)現(xiàn)這種狀態(tài)，染料激光腔必須具有與鎖模泵浦激光器相同的腔長。泵浦和染料激光脈沖在增益介質(zhì)處相遇，以產(chǎn)生染料分子的受激發(fā)射。通過調(diào)節(jié)染料激光腔長度來穩(wěn)定激光輸出。同步泵浦配置也可用于驅(qū)動光參量振蕩器（OPOs）

鈦：藍(lán)寶石鎖模激光器是被動克爾透鏡鎖模的一個例子（圖3）。在這種方法中，脈沖是通過增益調(diào)制和鈦寶石的強(qiáng)度依賴折射率產(chǎn)生的。

原則上，當(dāng)脈沖在增益介質(zhì)中傳播時，脈沖存在時峰值強(qiáng)度更高。這創(chuàng)建了一個無源透鏡，可以更緊密地聚焦脈沖束，并更有效地提取增益，直到?jīng)]有增益來支持腔中CW模式的同時共振。對腔的機(jī)械擾動用于引起強(qiáng)度尖峰以啟動鎖模。通過這種方法，使用鈦：藍(lán)寶石產(chǎn)生了短至4fs的脈沖。

圖3.在鎖模鈦寶石激光器中，通過移動位于兩個色散棱鏡之間的調(diào)諧狹縫來調(diào)諧中心波長

值得注意的是，超過300nm的帶寬可以組合成一個脈沖。根據(jù)海森堡的不確定性原理，較短的脈沖需要更多的縱向模式。因此，激光腔必須具有來自腔光學(xué)器件的足夠色散補(bǔ)償，以保持穩(wěn)定鎖模所需的相位關(guān)系。如圖3所示，補(bǔ)償棱鏡被添加到腔體中，以確保恒定的相位關(guān)系。使用這種方法，可以實(shí)現(xiàn)短至20fs的脈沖。為了產(chǎn)生更短的脈沖，還必須補(bǔ)償對色散的高階貢獻(xiàn)。這種補(bǔ)償是通過使用引入光學(xué)啁啾的特殊鏡子來實(shí)現(xiàn)的，以保持穩(wěn)定鎖模所需的相位關(guān)系。

由于克爾透鏡鎖模在較短脈沖（較高強(qiáng)度）下最有效，因此這種方法主要適用于產(chǎn)生飛秒脈沖。在100fs和100ps之間的中間范圍內(nèi)，可以使用稱為再生鎖模的混合方法。該方法采用腔內(nèi)AOM和克爾效應(yīng)。AOM驅(qū)動頻率來自腔重復(fù)頻率的實(shí)時測量，振幅取決于脈沖持續(xù)時間。隨著所需脈沖寬度的增加和克爾效應(yīng)的減小，穩(wěn)定的AOM幅度增加以支持鎖模。因此，再生鎖模能夠在20fs至300ps的寬范圍內(nèi)提供穩(wěn)定、可調(diào)的輸出，同時使用單個激光系統(tǒng)。

20世紀(jì)90年代末，再生鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了第一臺可調(diào)諧、單盒計(jì)算機(jī)控制的鈦寶石激光器。這項(xiàng)創(chuàng)新使該技術(shù)更容易被更廣泛的研究人員和應(yīng)用所接受。多光子成像的進(jìn)步在很大程度上是由技術(shù)進(jìn)步推動的。飛秒激光脈沖現(xiàn)在可供生物學(xué)家、神經(jīng)科學(xué)家和醫(yī)生使用。例如，多年來，幾項(xiàng)改進(jìn)使鈦寶石激光器在生物成像領(lǐng)域無處不在。

超快鐿激光器

盡管鈦寶石具有實(shí)用性，但一些生物成像實(shí)驗(yàn)需要更長的波長。典型的雙光子吸收過程是由900納米光子引發(fā)的。因?yàn)檩^長的波長意味著較少的散射，需要更深成像深度的生物實(shí)驗(yàn)由較長的激發(fā)波長更有效地驅(qū)動。

考慮附著在生物樣品上的染料的后續(xù)熒光光子的波長也很重要。這種熒光光子通常在450至550 nm的波長范圍內(nèi)發(fā)射，這將更容易受到散射的影響。因此，已經(jīng)開發(fā)了幾種熒光標(biāo)記，可以進(jìn)一步吸收紅外波長范圍。為了滿足這一要求，開發(fā)了由1045nm鐿激光器驅(qū)動的單盒、計(jì)算機(jī)控制、同步泵浦的OPO。這種新型激光器的輸出范圍為680至1300納米。對于多光子成像，這種架構(gòu)提供了比鈦：藍(lán)寶石更高的性能替代品。

超快放大器

上述示例產(chǎn)生納米焦耳能量范圍內(nèi)的超快脈沖。然而，許多應(yīng)用需要更高能量的可調(diào)光源。由于波長轉(zhuǎn)換是一個非線性過程，效率取決于可用能量。對于這些應(yīng)用，使用了幾種技術(shù)來提高超快激光器的能量和可調(diào)性。

超快脈沖的放大分為兩類：多程放大器和再生放大器。前者具有在非常低的背景下實(shí)現(xiàn)非常高的能量（100 mJ）的優(yōu)點(diǎn)，但重復(fù)通過放大級會降低輸出光束質(zhì)量。因此，再生放大是產(chǎn)生微焦耳或毫焦耳范圍內(nèi)脈沖能量的首選方法。

一般來說，超快脈沖放大是通過啁啾脈沖放大方法實(shí)現(xiàn)的（圖4）。該過程始于一個具有飛秒脈沖持續(xù)時間的鎖模振蕩器——種子激光器。重要的是種子激光器具有足夠的帶寬，以便脈沖持續(xù)時間可以在時間上被拉伸或啁啾。光學(xué)啁啾是由于不同顏色的光以不同的速度穿過光學(xué)材料而產(chǎn)生的。一般來說，紅色波長的傳播速度會比藍(lán)色波長快。例如，展寬光柵在藍(lán)色之前引入正啁啾紅色，以在時間和空間上分離波長分量。拉伸對于降低毫焦耳級飛秒脈沖的強(qiáng)峰值功率是必要的。在拉伸之后，近300ps的脈沖被引導(dǎo)到次級再生激光腔。最后一步是使用第二個光柵引入負(fù)啁啾并重建放大的脈沖。該過程如圖4所示。

如今，大多數(shù)再生放大器都使用鈦：藍(lán)寶石，但其他增益介質(zhì)，如鐿，也越來越受歡迎。在這兩種情況下，放大器的可調(diào)性都很窄，鈦寶石約為780至820納米，這限制了它們在應(yīng)用于光譜學(xué)時的實(shí)用性。為了克服這一限制，有幾種頻率轉(zhuǎn)換選項(xiàng)可供選擇。

圖4:啁啾脈沖放大的示意圖

諧波頻率轉(zhuǎn)換是調(diào)諧超快振蕩器或超快放大器系統(tǒng)波長的最簡單方法。原則上，入射光子被上轉(zhuǎn)換為基頻的整數(shù)倍。對于鈦：藍(lán)寶石，其基波調(diào)諧范圍為700至1000納米，二次諧波的調(diào)諧范圍為350至500納米，三次諧波為233至333納米，四次諧波為175至250納米。在實(shí)踐中，由于諧波晶體吸收，四次諧波范圍被限制在200nm。對于需要超出此范圍的波長的應(yīng)用，需要參數(shù)轉(zhuǎn)換選項(xiàng)。

超快OPOs和OPAs

雖然脈沖超快輸出可以倍頻甚至三倍，但鈦寶石的700至1000 nm調(diào)諧范圍在UV-VIS和IR光譜區(qū)域留下了波長間隙。對于在這些“間隙”光譜區(qū)域需要超快脈沖的實(shí)驗(yàn)，參數(shù)下變頻是必要的。這種方法將單個高能光子轉(zhuǎn)換為兩個低能光子：信號光子和閑散光子（圖5）。

這兩個光子之間的能量分配可以由用戶配置。在基于Ti：藍(lán)寶石的典型參數(shù)配置中，入射的800 nm光子可以在1200 ~ 2600 nm之間連續(xù)調(diào)諧。由于參數(shù)下轉(zhuǎn)換是一個非線性過程，轉(zhuǎn)換效率可能成為一個問題。為了克服這一限制，光學(xué)參量振蕩器（opos）被用于納焦耳能級，光學(xué)參量放大器（OPAs）被用于毫焦耳能級。

圖5:參數(shù)下變頻的示意圖

在OPO腔內(nèi)，光由一個在腔內(nèi)來回傳播的短脈沖組成。然而，與上述染料激光器配置不同，有源介質(zhì)是不能存儲增益的非線性晶體。OPO晶體僅在存在泵浦脈沖時轉(zhuǎn)換光子。超快OPO的成功運(yùn)行需要泵浦源的脈沖與在OPO腔周圍循環(huán)的閑散光子和信號光子同時到達(dá)晶體。換句話說，固定波長鈦寶石激光器和超快OPO必須具有完全相同的腔長。

典型超快OPO的布局如圖6所示。相位匹配和腔長可以自動選擇所需的波長，并確保該波長的腔往返時間保持在80 MHz，這與鈦寶石泵浦激光器相同。在這個例子中，OPO是由鈦寶石泵浦激光器的二次諧波驅(qū)動的。由此產(chǎn)生的400 nm光束產(chǎn)生信號和閑散輸出，總波長覆蓋范圍為490至750 nm（信號輸出）和930 nm至2.5µm（閑散輸出），脈沖寬度低于200 fs。當(dāng)與鈦寶石基波在690至1040 nm的調(diào)諧范圍相結(jié)合時，該系統(tǒng)覆蓋了485 nm至2.5µm的波長范圍。典型的應(yīng)用包括孤子研究、時間分辨振動光譜和超快泵浦探針實(shí)驗(yàn)。

圖6:在同步泵浦光參量振蕩器（OPO）中，通過調(diào)整非線性晶體的相位匹配角來改變中心波長

OPA利用了相同的非線性光學(xué)過程，但由于泵浦脈沖具有更高的峰值功率，因此不需要光學(xué)諧振腔來實(shí)現(xiàn)高效的波長轉(zhuǎn)換。來自超快放大器的光束的一小部分被聚焦到藍(lán)寶石板上，以產(chǎn)生白光連續(xù)體。這被用來播種OPA晶體，通常是硼酸鋇晶體，由超快放大器光束的其余部分泵浦。這也是光束在單程中在信號和閑散波長處經(jīng)歷數(shù)量級放大的地方。輸出的中心波長再次由晶體的相位匹配條件控制，光譜帶寬通常由泵浦和種子光束的帶寬或晶體的接收帶寬決定。

這種OPA可以在飛秒或皮秒范圍內(nèi)工作，脈沖能量高達(dá)每脈沖幾毫焦耳。在這些能級下，產(chǎn)生的信號和閑散光束可以轉(zhuǎn)換為它們的諧波，或者通過和頻和/或差頻混頻。

用毫焦耳脈沖能量泵浦的OPA能夠產(chǎn)生從190納米深紫外到遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)的光子。這些設(shè)備促進(jìn)了許多光譜應(yīng)用，如瞬態(tài)吸收光譜、熒光上轉(zhuǎn)換、二維紅外光譜和高次諧波產(chǎn)生。

可調(diào)諧激光器現(xiàn)在被用于許多重要的應(yīng)用，從基礎(chǔ)科學(xué)研究到激光制造以及生命和健康科學(xué)。目前可用的技術(shù)范圍很廣。從簡單的CW可調(diào)系統(tǒng)開始，其窄線寬用于高分辨率光譜、分子和原子捕獲以及量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)，為現(xiàn)代研究人員提供了關(guān)鍵信息。

更復(fù)雜的超快放大器系統(tǒng)利用高能、皮秒和飛秒激光脈沖從紫外到遠(yuǎn)紅外產(chǎn)生激光輸出。這些超快激光器對于理解高能物理、高次諧波和瞬態(tài)光譜學(xué)至關(guān)重要。寬的調(diào)諧范圍意味著同一激光系統(tǒng)可用于研究電子和振動光譜學(xué)中的無限范圍的實(shí)驗(yàn)。今天的激光器制造商提供總包解決方案，提供在納焦耳能量范圍內(nèi)跨度超過300納米的激光輸出。更復(fù)雜的系統(tǒng)在微焦耳和毫焦耳能量范圍內(nèi)跨越了200至20000納米的令人印象深刻的范圍。

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