可調諧激光器
可調諧激光器tunable laser 是指在一定範圍內可以連續改變激光輸出波長的激光器（見激光）。這種激光器的用途廣泛，可用於光譜學、光化學、醫學、生物學、集成光學、污染監測、半導體材料加工、信息處理和通信等。
- 中文名:可調諧激光器
- 外文名:tunable laser
- 類 別:激光器
目錄
簡介
工作原理
實現激光波長調諧的原理大致有三種。大多數可調諧激光器都使用具有寬的熒光譜線的工作物質。構成激光器的諧振腔只在很窄的波長範圍內才有很低的損耗。因此，第一種是通過某些元件（如光柵）改變諧振腔低損耗區所對應的波長來改變激光的波長。第二種是通過改變某些外界參數（如磁場、溫度等）使激光躍遷的能級移動。第三種是利用非線性效應實現波長的變換和調諧（見非線性光學、受激喇曼散射、光二倍頻，光參量振盪）。屬於第一種調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、可調諧高壓氣體激光器和可調諧準分子激光器。
發展歷史
世界上第一台激光器,螺旋式氛燈泵浦的紅寶石激光器問世後不久,脈衝可調諧染料激光器於1966年,由F.P.Sehsfer等人首先研製成功,四年後才由0.G.Peterson等人報導了第一台連續波染料激光運轉,當時作為唯一的連續可調諧激光材料,染料激光得到了充分的發展,至八十年代形成一個高潮。 八十年代中,由於新型可調諧固體激光材料摻欽寶石(Ti:Sapphire,Ti:AloO3)的問世,吸引很多染料激光研究者包括研製染料激光器的公司轉向到摻欽寶石激光的研究和生產中,就1993年度全球激光市場銷售情況和1994年市場預測趨勢盾,染料激光的市場主要集中在激光醫療和科學研究兩個領域,其市場需求及銷售額遠低於固體激光器(不僅僅可調諧固體激光器),僅為後者的1/20左右,而且呈下降趨勢。相反,固體激光,特別是半導體激光泵浦的全固體化激光器,不僅市場廣闊,幾乎遍及所有激光應用領域,市場需求量及銷售額大,而且呈大幅度上漲趨勢。
1975年一1978年我國先後研製出Nd,YAG激光器和閃光燈泵浦的脈衝式可調諧染料激光器。1981年研製成功連續波可調諧環形染料激光器,並形成系列化產品,其最新換代產品也是微機控制的自動掃描環形染料激光器,我國的超短脈衝染料激光技術(21飛秒)居世界領先水平。
1990年左右我國已生長出摻欽寶石晶體,並報導了用自己生長的晶體完成了脈衝,連續,准連續摻欽寶石激光運轉,目前國產優質摻欽寶石晶體的品質因數可達200一300,摻雜濃度可高達4 在488nm波長處,應當說國內摻欽寶石激光的研究尚處開始階段,但發展十分迅速,僅僅幾年時間,已利用自聚焦鎖模技術得到了184fs摻鐵寶石激光運轉,和92fs摻鐵寶石激光運轉,可以預期不遠的將來,與世界先進水平的差距將大大縮小。
1993年,V.Petircevic等人報導了據說是世界上第一台被普遍認為是成功的 激光運轉,當時尚未採用半導體激光泵浦。1994年度實現半導體激光泵浦摻 全固體激光運轉。 [2]
技術分類
可調諧激光器從實現技術上看主要分為：電流控制技術、溫度控制技術和機械控制技術等類型。
其中電控技術是通過改變注入電流實現波長的調諧，具有ns級調諧速度，較寬的調諧帶寬，但輸出功率較小，基於電控技術的主要有SG-DBR（採樣光柵DBR）和GCSR（輔助光柵定向耦合背向取樣反射）激光器。溫控技術是通過改變激光器有源區折射率，從而改變激光器輸出波長的。該技術簡單，但速度慢，可調帶寬窄，只有幾個nm。基於溫控技術的主要有DFB（分布反饋）和DBR（分布布喇格反射）激光器。機械控制主要是基於MEMS（微機電系統）技術完成波長的選擇，具有較大的可調帶寬、較高的輸出功率。基於機械控制技術的主要有DFB（分布反饋）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面發射激光器）等結構。下面從這幾個方面可調諧激光器的原理進行說明。
基於電流控制技術
基於電流控制技術的一般原理是通過改變可調諧激光器內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摺射率會發生變化，產生不同的光譜，通過不同區域光纖光柵產生的不同光譜的疊加進行特定波長的選擇，從而產生需要的特定波長的激光。
一種基於電流控制技術的可調諧激光器採用SGDBR（Sampled Grating Distributed Bragg Reflector）結構。
該類型的激光器主要分為半導體放大區、前布喇格光柵區、激活區、相位調整區和後布拉格光柵區。其中前布喇格光柵區、相位調整區和後布喇格光柵區分別通過不同的電流來改變該區域的分子分布結構，從而改變布喇格光柵的周期特性。
對於在激活區（Active）產生的光譜，分別在前布喇格光柵區和後布喇格光柵區形成頻率分布有較小差異的光譜。對於需要的特定波長的激光，可調諧激光器分別對前布喇格光柵和後布喇格光柵施加不同電流，使得在這兩個區域產生只有此特定波長重疊其他波長不重疊的光譜，從而使需要的特定波長能夠輸出。同時該種激光器還包含半導體放大器區，使輸出的特定波長的激光光功率達到100mW或者20mW。
基於機械控制技術
基於機械控制技術一般採用MEMS來實現。一種基於機械控制技術的可調諧激光器採用MEMs-DFB結構。
可調諧激光器主要包括DFB激光器陣列、可傾斜的MEMs鏡片和其他控制與輔助部分。
對於DFB激光器陣列區存在若干個DFB激光器陣列，每個陣列可以產生帶寬約為1.0nm內的間隔為25Ghz的特定波長。通過控制MEMs鏡片旋轉角度來對需要的特定波長進行選擇，從而輸出需要的特定波長的光。
另一種基於VCSEL結構ML系列系列的可調諧激光器，其設計基於光泵浦垂直腔面發射激光器，採用半對稱腔技術，利用MEMS實現連續的波長調諧。同時通過此方法可得到大的輸出光功率和寬光譜調諧範圍，熱敏電阻和TEC封裝在一起，以便在寬的溫度範圍內具有穩定的輸出。為了精確頻率控制一個寬帶波長控制器被集成同一管殼內，前端分接光功率檢測器及光隔離器用於提供穩定的輸出功率。這種可調激光器可以在C波段和L波段提供10/20mW光功率。
對於這種原理的可調諧激光器主要缺點是調諧時間比較慢，一般需要幾秒的調諧穩定時間。
基於溫度控制技術
基於溫度控制技術主要應用在DFB結構中，其原理在於調整激光腔內溫度，從而可以使之發射不同的波長。
一種基於該原理技術的可調激光器的波長調節是依靠控制InGaAsP DFB激光器工作在-5--50℃的變化實現的。模塊內置有FP標準具和光功率檢測，連續光輸出的激光可被鎖定在ITU規定的50GHz間隔的柵格上。模塊內有兩個獨立的TEC，一個用來控制激光器的波長，另一個用來保證模塊內的波長鎖定器和功率檢測探測器恆溫工作。模塊還內置有SOA來放大輸出光功率。
這種控制技術的缺點是單個模塊的調諧的寬度不寬，一般只有幾個nm，而且調諧時間比較長，一般需要幾秒的調諧穩定時間。
目前可調諧激光器基本上均採用電流控制技術、溫度控制技術或機械控制技術，有的供應商可能會採用這些技術的一種或兩種。當然隨着技術的發展，也可能會出現其他新的可調諧激光器控制技術。
產品類型
染料激光器
用Nd:YAG激光經過倍頻之後產生的 5320埃激光作為泵浦源去激勵染料。在振盪器部分,條紋間距為d 的衍射光柵和輸出鏡構成諧振腔。這時,只有波長滿足2dcosθ=mλ,m=0，1，2，… 的光束才具有低的損耗，能形成激光振盪。因此，旋轉光柵（改變θ角）,就能改變輸出激光的波長。在諧振腔內還插入一個放在壓力室中的標準具。變壓力室中的氣壓,可使標準具中氣體的折射率隨之而變,從而獲得輸出波長的精細調諧。還有一級放大，以增加輸出激光的功率。
一般染料激光器的結構簡單、價廉，輸出功率和轉換效率都比較高。環形染料激光器的結構比較複雜，但性能優越，可以輸出穩定的單縱模激光。 染料激光的調諧範圍為0.3～1.2微米，是應用最多的一種可調諧激光器。
金綠寶石激光器
一種固體可調諧的激光器。金綠寶石中Cr3+的能級見圖3。發射激光的波長取決於哪個振動能級是激光躍遷的終端。振動能級帶與激光的可調諧範圍相對應。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,調諧範圍7000～8000埃。
色心激光器
色心是晶體中正負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，屬四能級工作，由於晶格振動的影響而有很寬的熒光線寬。色心激光器調諧範圍寬(0.6～3.65微米)、線寬窄,但大都只能在低溫下工作。
可調諧準分子激光器
準分子是一種在激發態複合成分子、在基態離解成原子的不穩定碲合物。由其能級示意圖可以看出，對應於核間距為R0的基態分子是極不穩定的，會很快分解成獨立的原子。因此，在R0附近，激發態與基態之間很容易建立起粒子數反轉而產生激光振盪。準分子激光器已實現了紫外波長可調諧輸出。 [3]
視頻
可調諧激光吸收光譜（TDLAS）技術