RP 系列激光分析设计软件 | 波长调谐

对于某些应用，要求激光光束的波长(以及频率)可以在一定范围内调谐。关于可调谐激光器的文章讨论了具有可调输出波长的各种类型的激光器，而本文解释了几种波长调谐的方法。

第一种方法是影响激光增益介质，改变最大增益的波长，输出波长也相应变化(图1)。这种方法通常应用于在多个谐振模式下运行的激光器，其中光谱的“重心”可以连续地调谐。该方法也可以应用于单频激光器，但通常会导致模式跳变，而不是连续调谐。

图1:通过移动激光增益光谱进行波长调谐。

激光二极管通常通过温度来调谐，例如通过改变安装半导体激光二极管的热电冷却器的驱动电流或半导体激光二极管本身的驱动电流。通常，激光二极管的调谐范围为≈ +0.3 nm/K，以这种方式实现的总调谐范围可能为几纳米宽。谐振器模式频率也会受到温度变化的影响，但它们的反应不如增益频谱强烈。在单频操作的情况下，如果采取适当的措施来适当地调谐谐振频率并抑制模式跳变，则可以在更宽范围内实现连续调谐。例如，对于外腔二极管激光器，谐振器长度可以与驱动电流一起调谐(见下文)。

第二种方法是将可调谐滤光片引入激光谐振器，该滤波器在某些可调波长处具有明显的最小损耗(图2)。这使得可以影响最大净增益的波长，激光器通常被迫在该波长下工作。更准确地说，激光器通常在一个或几个谐振器模式下工作，其中激光所需的增益介质的反转电平(即产生等于谐振腔损耗的增益)接近其最小值。在稳定状态(对于连续波操作)下，激光波长的光具有零往返净增益，并且所有其他波长每次谐振器往返的净增益为负(假设增益光谱均匀变宽)。注意，即使只有轻微的负净增益，也可以完全抑制激光。

图2:通过谐振器损耗进行波长调谐。

这种调谐方法常用于固态激光器。激光器的宽波长调谐范围需要增益介质的宽增益带宽。一些宽带增益介质，如 Ti：sapphire 和 Cr:ZnSe 允许调谐超过数百纳米。获得的调谐范围通常是可以实现足够净增益的波长范围。其极限通常由发射截面变得太低或谐振器损耗变得太高的点来设定。在某些情况下，调谐范围可能更小，因为存在激发态吸收，或者因为无法充分抑制具有最大激光增益的波长处的寄生激光。在某些光纤激光器中，反转电平(以及极端波长的增益)受到最大增益波长附近的放大自发辐射的限制。

图3:Yb:YAG 激光器的波长调谐:计算20 W 泵浦功率的输出功率(蓝色)和阈值泵浦功率(灰色)。

虚线曲线是在输出耦合器传输减少的情况下计算的，这拓宽了调谐范围，同时影响了最大输出功率。

体激光谐振器中常用的调谐元件有:

外腔二极管激光器也可以用腔内滤波器调谐。全息衍射光栅可以用作端镜(Littrow 配置)，其旋转以进行调谐，或谐振器内的固定光栅与可移动端镜相结合(Littman 配置)。