RP Fiber Power | 波长调谐

dannie

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。

通过增益介质调谐

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)。


用腔内滤波器调谐

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:


l标准具(法布里-珀罗干涉仪)或双折射调谐器(Lyot 滤波片),可以旋转以调整最大透射率的波长
l一对棱镜与可移动孔径相结合
l与端镜组合的单棱镜，可以倾斜以调整谐振器对齐的波长
l体积布拉格光栅用作具有可变入射角的折叠镜
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(Littrow 配置)。


通过谐振器长度调谐

通过在半个波长范围内微调谐振腔长度(对于线性谐振腔)，可以在其谐振器的大约一个自由光谱范围内调谐单频激光器(图4)。这背后的原理是谐振器模式的频率发生了变化。尝试进一步调谐可能会导致激光器模式跳到下一个谐振器模式，然后具有更高的增益。如果最大增益的波长也经过调谐，或者使用额外的腔内滤波器，可以实现更宽的调谐范围。

图4:通过改变模式的共振频率进行波长调谐。

使用非常短的激光腔可以获得相对宽带的无跳模可调谐性。例如，这与 MEMS VCSELs 一起使用，具有单独的输出耦合镜，其位置可以通过热膨胀、静电力或压电元件进行调谐。


替代技术

波长可调辐射也可以通过替代技术获得:

l同步辐射源(摆动器和波动器，自由电子激光器)允许通过电子能量进行波长调谐。
l光学参量振荡器通常通过影响相位匹配条件来调谐。
l光学参量放大器可以用于放大通过超连续体生成获得的非常宽频谱的可变部分。或者，可以仅使用超连续源与可调谐带通滤波器结合使用。
l光纤中的拉曼自频移可用于通过脉冲的发射功率进行波长调谐。

如果需要对光学频率的进行非常快速的周期性扫描，则可使用另一种方法:短光脉冲通过强色散元件（例如长光纤）馈送，以便不同的波长分量在不同的时间离开该元件。