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外腔二极管激光器助力科学应用

作者：Malcolm Minty 来源：激光世界

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大多数科研人员和工程师都不会将“小型、免维护”以及“节能”这样的特征描述与通常出现在科学实验室中的激光器联系起来。尽管商用的二极管激光器能够提供小型、免维护等诸多优点，但如果不对其改进，它们通常并不能满足科学应用的苛刻要求。

外腔二极管激光器系统，不但能将二极管激光器的性能提升到能够满足科研应用需求的水平，还能让研究人员将更多的时间集中在实际研究上，而在激光器的具体操作上花费更少的时间。除了能够在交钥匙系统中替代传统的激光器外，科研级二极管激光器系统还能满足量子计算、原子光谱以及相移干涉测量等更多的应用需求，这些应用具体体现在人们对电信和其他产业的投资。

外腔二极管激光器以现有的激光二极管为基础。目前，市场上的激光二极管能够提供广泛的波长范围，但是这些用于电信和消费电子等大批量应用领域的标准器件，通常腔长较短，并且对温度非常敏感。另外，这些激光二极管的光谱输出通常宽达几纳米，这对于大多数科研应用来说都太宽了。为了能够在拉曼光谱或原子冷却等应用中对样品进行探测、测量以及与样品相互作用，需要一个稳定的窄线宽光源，因此必须要对现有的激光二极管加以改进。

精确的机械控制

采用外腔结构，可以从激光二极管输出的较宽增益谱区内选择一个窄线宽的特定波长。通过机械调节激光腔，可以对输出波长进行精确调谐或扫描。事实上，外腔二极管激光器并非新生之物，早在上个世纪90年代就已经有几家公司在开发商用的外腔二极管激光器。人们对外腔二极管激光器的兴趣，也在疯狂的电信泡沫时代达到了顶峰。除了一些需要宽调谐的测试和测量应用外，目前大多数电信用可调谐激光器均基于分布式反馈技术，即通过调整电流在一个较窄的波长范围内对二极管的输出波长进行调谐。然而，分布式反馈激光器只能提供有限的波长，而不能在较宽的范围内调谐，其典型线宽为兆赫兹量级。

自从电信泡沫时代开始，外腔激光器一直在稳步发展。原子光谱学的研究要求激光器具有很窄的线宽，从而能在不同的原子跃迁之间实现精确调谐。在保证激光器谐振腔稳定的同时，又要保持以亚微米的精度移动光栅或腔镜的精确性和可重复性，这是一项极具挑战性的工作。此外，还必须要解决振动、声扰动以及热漂移问题，因为这些因素会导致激光线宽展宽、模式跳跃以及输出波长的漂移。采用被动阻尼精密机械技术和电子反馈环技术，已经使得外腔二极管激光器在要求苛刻的应用中表现得非常可靠。

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图1：市场上可用的激光二极管的光谱范围正在稳步扩展，同时输出功率也在不断提高，特别是在近红外谱区。目前，已经有越来越多的制造商能够提供蓝光甚至绿光激光二极管。

光栅或腔镜的精密移动可以通过使用多种制动器来实现，根据应用需求的不同， New Focus公司使用的器件有压电器件、直流步进电机或音圈马达。在较宽的波长范围内实现快速扫描，要求调谐臂重量轻，并且能够灵活、快速移动。然而，这可能导致器件的机械稳定性降低，而且还能导致线宽展宽。对于自制系统，用一个简单、坚固的千分尺就足以将激光器缓慢调谐到所要求的精确波长。而对于快速光学相干断层扫描应用，则要使用工作频率达几千赫兹的微机电系统，这种应用只要求有限的相干长度，因此线宽较宽是可以接受的。

New Focus公司在其Vortex II型激光器的调谐臂中加入磁阻尼，以进一步减小机械共振。另外，也有其他公司开发出了超稳定装配技术，该技术在多个谐振腔串联为复杂系统时显得尤为重要。

能够显示二极管激光器能用于电信以外的领域、并证明这种激光器可以做得坚固耐用的发展里程碑有两个：一个是由New Focus公司开发、在国际空间站中用于原子光谱学的780nm激光器所显示出的空间特性；另一个是由Toptica公司展示的基于多个谐振腔的四次谐波紫外输出。[1]

腔型设计的选择

外腔二极管激光器的谐振腔通常有两种选择，并且二者都需要很高的精度。最简单的是利特罗腔，它利用一块光栅直接将光束衍射回外腔中。这种结构在机械上易于实现，并且由于它采用一次反射，因此能够获得很高的功率效率。简单的利特罗腔激光器通常是在实验室中自主搭建的，但是由于转动光栅时腔长会发生变化，因此这种激光器无模式跳跃的调谐范围非常有限。当光栅角度变化时，光束方向也会发生改变。商用外腔二极管激光器系统通过调节二极管电流使调谐范围达到最大，并通过机械补偿来实现光束导向，从而克服了一些难题。

外腔设计的另外一种选择是Littman Metcalf 腔，它将光栅的位置固定，并通过旋转反射镜面来调节输出波长。这种腔的主要缺点是：由于采用二次反射，因此会导致功率损耗，而且激光二极管需要更为精密的增透膜。这种腔的主要优点是：无模式跳跃的调谐范围要宽得多，并且不存在光束方向偏离（beam walk），这也是New Focus公司采用这种设计长达15年之久的一个原因。

无论选择哪种类型的激光腔，二极管的挑选都是至关重要的。目前市场上商用的激光二极管都是以数以百万计的大规模制造出来的，这些制造商大部分位于日本和亚洲的其他地区。然而，为了满足某种特殊的科学应用，需要特定波长的二极管用于搭建外腔二极管激光器，而这些大批量生产的制造商，通常对于生产少量特殊器件并不感兴趣。一些规模较小的制造商可能愿意做客户定制的二极管，但是现在人们又想到了另一种解决方案：即在现有的标准二极管上镀一层增透膜来调节输出波长。现在New Focus公司可以自己镀增透膜，因此能够利用现有的商用二极管小批量生产用于科研和工业中的定制二极管激光器系统。

提高功率，保持线宽

随着二极管技术的不断进步，其有效输出功率已经从几毫瓦提高到了几百毫瓦。市场对于更高二极管输出功率的要求，尤其受到冷原子研究领域的驱动，因为他们在研究原子跃迁时需要更高的功率与更大量的原子相互作用。

提高二极管激光器的输出功率带来了另一个挑战，即对低噪声电流源的需求。电流起伏会对二极管本身引起微小偏差，这能够导致激光器的线宽展宽。将线宽保持在1MHz以下已经是一种挑战，因此为了获得窄线宽高功率输出，采用了一种主振功率放大器的二级系统。主振荡器位于外腔中，其低功率、窄线宽输出作为片式二极管功率放大器的种子。第二级本身不能产生激光，但是它的锥形结构能够在不对线宽产生较大改变的情况下将功率放大。

尽管这种锥形放大器能够获得的波长范围有限，但是它可以产生1W甚至更高的输出功率。因此，这些二级外腔二极管激光器很大程度上取代了以前的气体激光器、可调谐染料激光器以及一些固体激光器。最新的放大器将功率监测和闭环电流控制电路相结合。这一新的可靠性和坚固性水平，使得这些二极管激光器系统能够服务于大气监测和激光雷达等实验室以外的应用。另外，目前二极管激光器输出的更高功率，还可以实现倍频等高效率的非线性过程，从而开辟了量子计算和离子捕获等以前无法实现的全新应用。

科研级二极管激光器系统的发展，始终得益于20年来人们在消费电子领域所倾注的多达10亿美元的投资。电信和光存储应用使研究人员获得了功率更高、波长范围更大以及成本更为低廉的二极管产品（如图）。市场对二极管激光器的下一轮投资，很可能源于人们对红绿蓝三色投影仪的需求。

随着绿光激光二极管和可靠的高功率蓝光二极管不断开辟出新的应用领域，并且使现有的技术变得更加简单，这些二极管将会被外腔二极管激光器进一步采用。外腔二极管激光器将能够在效率上挑战倍频固体激光器，为从事光谱学和度量衡应用的研究人员提供更加宽泛的波长选择。

参考文献
1. T. Schmitt, T.A. Puppe, A. Nendel, F. Lison, W.G. Kaenders, M. Le Flohic, CLEO/QELS 2009 (June 2009).(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/26/2010)


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