作者：Malcolm Minty

 大多數(shù)科研人員和工程師都不會(huì)將“小型、免維護(hù)”以及“節(jié)能”這樣的特征描述與通常出現(xiàn)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的激光器聯(lián)系起來。盡管商用的二極管激光器能夠提供小型、免維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但如果不對(duì)其改進(jìn)，它們通常并不能滿足科學(xué)應(yīng)用的苛刻要求。

 外腔二極管激光器系統(tǒng)，不但能將二極管激光器的性能提升到能夠滿足科研應(yīng)用需求的水平，還能讓研究人員將更多的時(shí)間集中在實(shí)際研究上，而在激光器的具體操作上花費(fèi)更少的時(shí)間。除了能夠在交鑰匙系統(tǒng)中替代傳統(tǒng)的激光器外，科研級(jí)二極管激光器系統(tǒng)還能滿足量子計(jì)算、原子光譜以及相移干涉測(cè)量等更多的應(yīng)用需求，這些應(yīng)用具體體現(xiàn)在人們對(duì)電信和其他產(chǎn)業(yè)的投資。

 外腔二極管激光器以現(xiàn)有的激光二極管為基礎(chǔ)。目前，市場(chǎng)上的激光二極管能夠提供廣泛的波長(zhǎng)范圍，但是這些用于電信和消費(fèi)電子等大批量應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)器件，通常腔長(zhǎng)較短，并且對(duì)溫度非常敏感。另外，這些激光二極管的光譜輸出通常寬達(dá)幾納米，這對(duì)于大多數(shù)科研應(yīng)用來說都太寬了。為了能夠在拉曼光譜或原子冷卻等應(yīng)用中對(duì)樣品進(jìn)行探測(cè)、測(cè)量以及與樣品相互作用，需要一個(gè)穩(wěn)定的窄線寬光源，因此必須要對(duì)現(xiàn)有的激光二極管加以改進(jìn)。

 精確的機(jī)械控制

采用外腔結(jié)構(gòu)，可以從激光二極管輸出的較寬增益譜區(qū)內(nèi)選擇一個(gè)窄線寬的特定波長(zhǎng)。通過機(jī)械調(diào)節(jié)激光腔，可以對(duì)輸出波長(zhǎng)進(jìn)行精確調(diào)諧或掃描。事實(shí)上，外腔二極管激光器并非新生之物，早在上個(gè)世紀(jì)90年代就已經(jīng)有幾家公司在開發(fā)商用的外腔二極管激光器。人們對(duì)外腔二極管激光器的興趣，也在瘋狂的電信泡沫時(shí)代達(dá)到了頂峰。除了一些需要寬調(diào)諧的測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用外，目前大多數(shù)電信用可調(diào)諧激光器均基于分布式反饋技術(shù)，即通過調(diào)整電流在一個(gè)較窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)二極管的輸出波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧。然而，分布式反饋激光器只能提供有限的波長(zhǎng)，而不能在較寬的范圍內(nèi)調(diào)諧，其典型線寬為兆赫茲量級(jí)。

自從電信泡沫時(shí)代開始，外腔激光器一直在穩(wěn)步發(fā)展。原子光譜學(xué)的研究要求激光器具有很窄的線寬，從而能在不同的原子躍遷之間實(shí)現(xiàn)精確調(diào)諧。在保證激光器諧振腔穩(wěn)定的同時(shí)，又要保持以亞微米的精度移動(dòng)光柵或腔鏡的精確性和可重復(fù)性，這是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。此外，還必須要解決振動(dòng)、聲擾動(dòng)以及熱漂移問題，因?yàn)檫@些因素會(huì)導(dǎo)致激光線寬展寬、模式跳躍以及輸出波長(zhǎng)的漂移。采用被動(dòng)阻尼精密機(jī)械技術(shù)和電子反饋環(huán)技術(shù)，已經(jīng)使得外腔二極管激光器在要求苛刻的應(yīng)用中表現(xiàn)得非�？煽�。

圖1：市場(chǎng)上可用的激光二極管的光譜范圍正在穩(wěn)步擴(kuò)展，同時(shí)輸出功率也在不斷提高，特別是在近紅外譜區(qū)。目前，已經(jīng)有越來越多的制造商能夠提供藍(lán)光甚至綠光激光二極管。

光柵或腔鏡的精密移動(dòng)可以通過使用多種制動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)應(yīng)用需求的不同， New Focus公司使用的器件有壓電器件、直流步進(jìn)電機(jī)或音圈馬達(dá)。在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速掃描，要求調(diào)諧臂重量輕，并且能夠靈活、快速移動(dòng)。然而，這可能導(dǎo)致器件的機(jī)械穩(wěn)定性降低，而且還能導(dǎo)致線寬展寬。對(duì)于自制系統(tǒng)，用一個(gè)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固的千分尺就足以將激光器緩慢調(diào)諧到所要求的精確波長(zhǎng)。而對(duì)于快速光學(xué)相干斷層掃描應(yīng)用，則要使用工作頻率達(dá)幾千赫茲的微機(jī)電系統(tǒng)，這種應(yīng)用只要求有限的相干長(zhǎng)度，因此線寬較寬是可以接受的。       

New Focus公司在其Vortex II型激光器的調(diào)諧臂中加入磁阻尼，以進(jìn)一步減小機(jī)械共振。另外，也有其他公司開發(fā)出了超穩(wěn)定裝配技術(shù)，該技術(shù)在多個(gè)諧振腔串聯(lián)為復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)顯得尤為重要。       

能夠顯示二極管激光器能用于電信以外的領(lǐng)域、并證明這種激光器可以做得堅(jiān)固耐用的發(fā)展里程碑有兩個(gè)：一個(gè)是由New Focus公司開發(fā)、在國(guó)際空間站中用于原子光譜學(xué)的780nm激光器所顯示出的空間特性；另一個(gè)是由Toptica公司展示的基于多個(gè)諧振腔的四次諧波紫外輸出。^[1]       

腔型設(shè)計(jì)的選擇

外腔二極管激光器的諧振腔通常有兩種選擇，并且二者都需要很高的精度。最簡(jiǎn)單的是利特羅腔，它利用一塊光柵直接將光束衍射回外腔中。這種結(jié)構(gòu)在機(jī)械上易于實(shí)現(xiàn)，并且由于它采用一次反射，因此能夠獲得很高的功率效率。簡(jiǎn)單的利特羅腔激光器通常是在實(shí)驗(yàn)室中自主搭建的，但是由于轉(zhuǎn)動(dòng)光柵時(shí)腔長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化，因此這種激光器無模式跳躍的調(diào)諧范圍非常有限。當(dāng)光柵角度變化時(shí)，光束方向也會(huì)發(fā)生改變。商用外腔二極管激光器系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)二極管電流使調(diào)諧范圍達(dá)到最大，并通過機(jī)械補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)光束導(dǎo)向，從而克服了一些難題。       

外腔設(shè)計(jì)的另外一種選擇是Littman Metcalf 腔，它將光柵的位置固定，并通過旋轉(zhuǎn)反射鏡面來調(diào)節(jié)輸出波長(zhǎng)。這種腔的主要缺點(diǎn)是：由于采用二次反射，因此會(huì)導(dǎo)致功率損耗，而且激光二極管需要更為精密的增透膜。這種腔的主要優(yōu)點(diǎn)是：無模式跳躍的調(diào)諧范圍要寬得多，并且不存在光束方向偏離（beam walk），這也是New Focus公司采用這種設(shè)計(jì)長(zhǎng)達(dá)15年之久的一個(gè)原因。       

無論選擇哪種類型的激光腔，二極管的挑選都是至關(guān)重要的。目前市場(chǎng)上商用的激光二極管都是以數(shù)以百萬計(jì)的大規(guī)模制造出來的，這些制造商大部分位于日本和亞洲的其他地區(qū)。然而，為了滿足某種特殊的科學(xué)應(yīng)用，需要特定波長(zhǎng)的二極管用于搭建外腔二極管激光器，而這些大批量生產(chǎn)的制造商，通常對(duì)于生產(chǎn)少量特殊器件并不感興趣。一些規(guī)模較小的制造商可能愿意做客戶定制的二極管，但是現(xiàn)在人們又想到了另一種解決方案：即在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)二極管上鍍一層增透膜來調(diào)節(jié)輸出波長(zhǎng)�，F(xiàn)在New Focus公司可以自己鍍?cè)鐾改�，因此能夠利用現(xiàn)有的商用二極管小批量生產(chǎn)用于科研和工業(yè)中的定制二極管激光器系統(tǒng)。

 提高功率，保持線寬

隨著二極管技術(shù)的不斷進(jìn)步，其有效輸出功率已經(jīng)從幾毫瓦提高到了幾百毫瓦。市場(chǎng)對(duì)于更高二極管輸出功率的要求，尤其受到冷原子研究領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樗麄冊(cè)谘芯吭�子躍遷時(shí)需要更高的功率與更大量的原子相互作用。      

 提高二極管激光器的輸出功率帶來了另一個(gè)挑戰(zhàn)，即對(duì)低噪聲電流源的需求。電流起伏會(huì)對(duì)二極管本身引起微小偏差，這能夠?qū)е录す馄鞯木�寬展寬。將線寬保持在1MHz以下已經(jīng)是一種挑戰(zhàn)，因此為了獲得窄線寬高功率輸出，采用了一種主振功率放大器的二級(jí)系統(tǒng)。主振蕩器位于外腔中，其低功率、窄線寬輸出作為片式二極管功率放大器的種子。第二級(jí)本身不能產(chǎn)生激光，但是它的錐形結(jié)構(gòu)能夠在不對(duì)線寬產(chǎn)生較大改變的情況下將功率放大。   

 盡管這種錐形放大器能夠獲得的波長(zhǎng)范圍有限，但是它可以產(chǎn)生1W甚至更高的輸出功率。因此，這些二級(jí)外腔二極管激光器很大程度上取代了以前的氣體激光器、可調(diào)諧染料激光器以及一些固體激光器。最新的放大器將功率監(jiān)測(cè)和閉環(huán)電流控制電路相結(jié)合。這一新的可靠性和堅(jiān)固性水平，使得這些二極管激光器系統(tǒng)能夠服務(wù)于大氣監(jiān)測(cè)和激光雷達(dá)等實(shí)驗(yàn)室以外的應(yīng)用。另外，目前二極管激光器輸出的更高功率，還可以實(shí)現(xiàn)倍頻等高效率的非線性過程，從而開辟了量子計(jì)算和離子捕獲等以前無法實(shí)現(xiàn)的全新應(yīng)用。   

科研級(jí)二極管激光器系統(tǒng)的發(fā)展，始終得益于20年來人們?cè)谙�費(fèi)電子領(lǐng)域所傾注的多達(dá)10億美元的投資。電信和光存儲(chǔ)應(yīng)用使研究人員獲得了功率更高、波長(zhǎng)范圍更大以及成本更為低廉的二極管產(chǎn)品（如圖）。市場(chǎng)對(duì)二極管激光器的下一輪投資，很可能源于人們對(duì)紅綠藍(lán)三色投影儀的需求。

 隨著綠光激光二極管和可靠的高功率藍(lán)光二極管不斷開辟出新的應(yīng)用領(lǐng)域，并且使現(xiàn)有的技術(shù)變得更加簡(jiǎn)單，這些二極管將會(huì)被外腔二極管激光器進(jìn)一步采用。外腔二極管激光器將能夠在效率上挑戰(zhàn)倍頻固體激光器，為從事光譜學(xué)和度量衡應(yīng)用的研究人員提供更加寬泛的波長(zhǎng)選擇。

 參考文獻(xiàn)

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