認(rèn)識(shí)不同類型的光源

光只是電磁波譜中很小的一部分，但在光學(xué)研究中它不只是可見光，而是從紫外一直到遠(yuǎn)紅外，甚至進(jìn)入太赫茲。因此，實(shí)驗(yàn)用的光源也有很多類型。

白光光源

白光通常是指人眼感知為白色的光，但有時(shí)泛指能產(chǎn)生寬帶光譜的光源，甚至不包含可見光而只包含紫外或紅外光。

白光光源不一定發(fā)射所有的可見光波長(zhǎng)，也不一定有相同的光譜形狀。比如，將紅綠藍(lán)三個(gè)LED組合封裝在一起，或者使用一個(gè)藍(lán)光LED加磷光材料，通過(guò)吸收部分藍(lán)光并重新發(fā)射綠光和紅光，這兩種方法都能實(shí)現(xiàn)白光LED光源。Thorlabs還提供紫外、可見光和紅外LED，光譜范圍從245 nm到4600 nm。

準(zhǔn)直LED

對(duì)于發(fā)射連續(xù)光譜的白光光源，鹵鎢燈是一種便宜且常用的選項(xiàng)。白熱狀態(tài)的鎢燈絲通過(guò)黑體輻射提供從紫外到紅外的連續(xù)光譜。氙燈和汞燈也提供連續(xù)的可見光光譜，并且有一些很強(qiáng)的等離子譜線。它們的光譜中還包含很大一部分紫外和近紅外，使用時(shí)要注意佩戴防紫外眼鏡。由于這些光源工作時(shí)產(chǎn)生高溫，因此要注意防止?fàn)C傷，而且在更換燈泡時(shí)需佩戴手套，不能接觸玻璃表面。

Globar或鹵鎢燈

超連續(xù)譜激光器提供功率高很多的白光，有時(shí)被稱為終極白光。超連續(xù)譜產(chǎn)生涉及復(fù)雜的非線性過(guò)程，將脈沖泵浦光轉(zhuǎn)換成寬帶光輸出，因此超連續(xù)激光通常是脈沖光源。中紅外超連續(xù)譜的產(chǎn)生尤其困難，因?yàn)轱w秒泵浦激光器和非線性光纖的選項(xiàng)都很少。

全光纖方案

一鍵開啟1.3~4.5 μm

高功率超連續(xù)譜光源

激光器

激光具有單色性、相干性和方向性等很多有用的性質(zhì)。激光器根據(jù)增益介質(zhì)可分為氣體、液體和固體型，根據(jù)時(shí)域波形可分為連續(xù)波(CW)和脈沖型。

理想的連續(xù)光具有確定的頻率、波長(zhǎng)和周期，可用正弦波表示。雖然使用外部調(diào)制器能將連續(xù)光變成脈沖光，但這是一種浪費(fèi)能量的方法，使峰值功率無(wú)法超過(guò)連續(xù)光功率。產(chǎn)生激光脈沖更高效的方法是通過(guò)腔內(nèi)調(diào)制，將腔內(nèi)存儲(chǔ)的部分能量瞬間釋放，以此輸出高峰值功率的激光，即使平均功率和CW激光相同。

腔外調(diào)制

低峰值功率

腔內(nèi)調(diào)制

高峰值功率

實(shí)驗(yàn)室常用的CW激光器包括氣體或金屬蒸汽激光器，比如氦氖、氬離子、氪離子和氦鎘等等。氣體激光器的優(yōu)點(diǎn)包括低發(fā)散、高功率密度和窄線寬。它們需要高壓電源和特殊氣體管，可能成本比較高，還可能需要通過(guò)風(fēng)扇或循環(huán)水散熱。對(duì)于振動(dòng)靈敏的測(cè)量，隔離冷卻系統(tǒng)的振動(dòng)也會(huì)變得更為重要。

液體染料激光器是最早的可調(diào)諧激光器，在失去競(jìng)爭(zhēng)力后又開始被使用了。它們一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是很寬的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，但缺點(diǎn)是作為增益介質(zhì)的常用染料不利于健康。光參量振蕩器(OPO)等固體光學(xué)系統(tǒng)也能提供寬波長(zhǎng)調(diào)諧。

固體激光器有多種形式。有些使用半導(dǎo)體作為增益介質(zhì)，通過(guò)pn結(jié)中的電子空穴復(fù)合產(chǎn)生激光。有些使用摻雜離子的光學(xué)晶體、玻璃或光纖作為增益介質(zhì)，比如摻鈦藍(lán)寶石(Ti:Sa)或[Nd:YAG]，通過(guò)電子躍遷產(chǎn)生激光。

二極管和量子阱激光器已經(jīng)變得越來(lái)越常用。它們尺寸小，提供非常多的波長(zhǎng)選項(xiàng)，只需低電壓和電流就能工作。二極管激光器輸出高發(fā)散光束，特別是高功率版本，但可使用非球面透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，使用變形棱鏡對(duì)或柱面透鏡將橢圓光束變成圓形光束。另外，二極管激光波長(zhǎng)還和溫度有一定的相關(guān)性。

量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)帶間級(jí)聯(lián)激光器(ICL)輸出各種中紅外波長(zhǎng)，因此在氣體檢測(cè)應(yīng)用中具有重要作用。

蝶形封裝二極管激光器的配置方法

實(shí)驗(yàn)室常用的CW激光器還包括二極管泵浦固體激光器(DPSS)，比如使用晶體或玻璃的塊體(bulk)激光器，以及光纖激光器，雖然DPSS不常用于描述光纖激光器。常用的DPSS是各種摻釹或摻鐿的晶體棒或光纖激光器，通過(guò)二極管激光泵浦增益介質(zhì)，使之達(dá)到閾值并實(shí)現(xiàn)激光作用。

端泵固體激光器示意圖(rp-photonics)

DPSS激光器能提供優(yōu)異的光束質(zhì)量、光譜純度和穩(wěn)定性，還可通過(guò)非線性轉(zhuǎn)換成其它波長(zhǎng)。比如，Nd:YAG激光器不僅提供最強(qiáng)的1064 nm近紅外光，還可通過(guò)非線性轉(zhuǎn)換成532 nm綠光以及355 nm或266 nm紫外光。

用于Nd:YAG基頻及各次諧波的分束鏡

脈沖激光器

每個(gè)光脈沖的持續(xù)時(shí)間叫做脈沖寬度，簡(jiǎn)稱脈寬，常見的有納秒、皮秒和飛秒。每秒內(nèi)發(fā)射的脈沖個(gè)數(shù)叫做重復(fù)頻率，簡(jiǎn)稱重頻。通過(guò)增益介質(zhì)命名，我們可以有Nd:YAG、Nd:YVO?、鈦寶石以及摻鐿或摻鉺光纖激光器，等等。

通過(guò)腔內(nèi)調(diào)制產(chǎn)生脈沖的技術(shù)有增益開關(guān)、Q開關(guān)(損耗開關(guān))、腔倒空和鎖模。增益開關(guān)通過(guò)調(diào)制泵浦功率產(chǎn)生短脈沖。比如，半導(dǎo)體增益開關(guān)激光器通過(guò)電流調(diào)制能夠產(chǎn)生幾納秒到百皮秒的脈沖。雖然脈沖能量低，但是這種方法非常靈活，比如提供可調(diào)重頻和脈寬。

強(qiáng)納秒脈沖一般通過(guò)Q開關(guān)產(chǎn)生，激光在腔內(nèi)幾次往返內(nèi)發(fā)射，脈沖能量在幾毫焦到幾焦范圍，具體和系統(tǒng)大小有關(guān)。上面展示的微片皮秒激光器也屬于Q開關(guān)激光器，能以9 kHz重頻提供45 μJ單脈沖能量，或者以100 kHz重頻提供2 μJ單脈沖能量。

中等能量(一般在1 μJ以下)皮秒和飛秒脈沖主要通過(guò)鎖模產(chǎn)生，激光共振腔內(nèi)存在連續(xù)循環(huán)的一個(gè)或多個(gè)超短脈沖，腔內(nèi)脈沖每次經(jīng)過(guò)輸出耦合鏡發(fā)射一個(gè)脈沖，重頻一般在10 MHz到100 GHz之間。超短脈寬可通過(guò)自相關(guān)儀等器件測(cè)量。

腔倒空技術(shù)既可用于Q開關(guān)激光器獲得更短的脈沖，也可用于鎖模激光器以較低的重頻提高脈沖能量。

一些超快激光及其波長(zhǎng)范圍

通過(guò)非線性轉(zhuǎn)換也能產(chǎn)生超短脈沖

諧波產(chǎn)生

非線性晶體常用于激光的倍頻。比如，兩個(gè)1064 nm基頻光子可通過(guò)二次諧波產(chǎn)生(SHG)晶體變成一個(gè)532 nm光子。為了產(chǎn)生波長(zhǎng)更短的355 nm光子，雖然可直接使用非常難的三次諧波產(chǎn)生(THG)過(guò)程，但實(shí)用的方法是用一個(gè)1064 nm和一個(gè)532 nm光子通過(guò)混頻產(chǎn)生一個(gè)355 nm光子。