光泵半導(dǎo)體激光器 (OPSL) 是一項(xiàng)獨(dú)有的技術(shù)，與其他具有紫外光或可見光輸出連續(xù) (CW) 固態(tài)激光器相比，它的固有噪聲更低，是在具有成本效益的簡(jiǎn)單平臺(tái)上實(shí)現(xiàn) 355 nm 波長(zhǎng)真正連續(xù)輸出的途徑。 無“綠光噪聲”原因是 OPSL 增益介質(zhì)的上能級(jí)壽命接近零。

消除性能/成本權(quán)衡

對(duì)連續(xù)激光器要求很高的可見光和紫外光應(yīng)用(如泵浦 CEP 穩(wěn)定的激光系統(tǒng)、布里淵散射和半導(dǎo)體晶片檢查)需要高質(zhì)量的穩(wěn)定輸出光束，同時(shí)振幅噪聲也要低。 半導(dǎo)體泵浦固態(tài) (DPSS) 激光器可以產(chǎn)生所需的光束質(zhì)量(盡管只是在固定的輸出功率下1)，但它們的噪聲性能往往受到所謂模式噪聲或“綠光噪聲”的問題的限制。解決這種噪聲會(huì)導(dǎo)致激光器變得更為復(fù)雜。 因此，在 DPSS 可見光激光器中，對(duì)性能(噪聲)和成本(復(fù)雜性)進(jìn)行了權(quán)衡。 這種噪聲機(jī)制在可見光 OPSL 中是完全不存在的，因此它能以較低的成本提供較低的噪聲。 它還使 OPSL 能夠以簡(jiǎn)單的形式產(chǎn)生無噪聲的紫外光輸出(例如在 355 nm 波長(zhǎng))。 這是 OPSL 在流式細(xì)胞術(shù)中使用紫外光波長(zhǎng)時(shí)占主導(dǎo)地位的一個(gè)主要原因。

混沌模式行為

基于宏觀腔體的連續(xù)激光器的輸出高度依賴于腔體的配置。 OPSL、傳統(tǒng) DPSS 激光器和大多數(shù)連續(xù)氣體(離子)激光器都是如此。 由于腔體長(zhǎng)度通常在幾十毫米甚至幾十厘米，這些連續(xù)激光器的腔體可以支持多種縱向模。 通常在這類激光器中，腔內(nèi)光束強(qiáng)度被劃分為多個(gè)縱向模式，每個(gè)模式的頻率略有不同(見圖 1)。

圖 1：DPSS 激光器和 OPSL 的縱向模式動(dòng)態(tài)特征。

然而，在采用傳統(tǒng)技術(shù)(如離子和 DPSS 激光器)的情況下，這些單個(gè)模式之間的腔內(nèi)總功率劃分是相當(dāng)隨機(jī)和動(dòng)態(tài)的，這些模式的不同組合隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生激光，競(jìng)爭(zhēng)可用的儲(chǔ)備增益，如圖 1 所示。但由于強(qiáng)度總和保持恒定，離子激光器中的多模操作非常適合大多數(shù)需要低振幅噪聲的應(yīng)用。

在離子激光器和 DPSS 激光器中，這種不同模式之間的動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)是由于有源激光介質(zhì)有儲(chǔ)備能量導(dǎo)致的。 簡(jiǎn)單地說，增益介質(zhì)激發(fā)態(tài)的壽命比光子在連續(xù)腔內(nèi)循環(huán)的時(shí)間長(zhǎng)得多。 具體來說，釹基 DPSS 激光器的激發(fā)態(tài)壽命是微秒級(jí)的，而腔體的行程時(shí)間只是納秒級(jí)。 對(duì)于某些脈沖激光器應(yīng)用來說，儲(chǔ)備能量實(shí)際上是一種優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)一種稱為 Q 開關(guān)的機(jī)制，這可以產(chǎn)生非常短但極強(qiáng)的脈沖。 然而，它限制了激光器的調(diào)制(開啟和關(guān)閉)速度。 而且，同樣重要的是，當(dāng)使用頻率轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生基波的諧波時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致噪聲問題，例如將 1064 nm 的基波頻率增加一倍，以產(chǎn)生 532 nm 波長(zhǎng)的連續(xù)綠光輸出。

頻率加倍會(huì)產(chǎn)生綠光(和紫外光)噪聲

DPSS 激光器和 OPSL 都在近紅外波段產(chǎn)生基本輸出，然后將其頻率加倍以產(chǎn)生可見光輸出，或使用所謂的非線性晶體將頻率加倍以產(chǎn)生紫外光輸出。 這些二次諧波產(chǎn)生 (SHG) 和三次諧波產(chǎn)生 (THG) 過程高度依賴于強(qiáng)度，也就是 SHG 或 THG 晶體中的單位面積功率。 在使用脈沖激光器時(shí)，其峰值功率可以比平均功率高很多個(gè)數(shù)量級(jí)，因此有效的頻率加倍(和三倍增長(zhǎng))很容易在激光腔的下游(即腔外)進(jìn)行。 但在使用連續(xù)激光器時(shí)，獲得高強(qiáng)度的唯一方法是將 SHG 和 THG 晶體放在腔內(nèi)，在其中循環(huán)功率可以比輸出功率大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 于是以前無害的模式噪聲現(xiàn)在成為了一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。

圖 2：在連續(xù) DPSS 多模激光器中，總功率是恒定的，即使其在不同縱向模式之間動(dòng)態(tài)分布。

當(dāng)倍頻晶體插入 DPSS 腔內(nèi)時(shí)，會(huì)引起總功率的混沌波動(dòng)。 在 OPSL 中不會(huì)發(fā)生這種噪聲機(jī)制。當(dāng)倍頻晶體插入到具有多個(gè)縱向模式的 DPSS 激光器的基本腔內(nèi)光束中時(shí)，就會(huì)在基本和倍頻輸出中產(chǎn)生混亂的強(qiáng)度噪聲(見圖 2)。原因是可能產(chǎn)生二次諧波(將一個(gè)縱向模式的頻率加倍)與和頻(將兩個(gè)不同縱向模式的頻率相加)。 和頻生成耦合了各個(gè)縱向模式，從而實(shí)現(xiàn)了縱向模式之間的直接動(dòng)態(tài)相互作用。 來自所有縱向模式的成對(duì)互動(dòng)的時(shí)間動(dòng)態(tài)(在此情況下一個(gè)模式的強(qiáng)度取決于另一個(gè)模式的增益)產(chǎn)生了顯著的強(qiáng)度噪聲。 這種現(xiàn)象早就為人所知，被稱為“綠光問題”[參考文獻(xiàn) 1]，因?yàn)榈谝粋€(gè)廣泛使用腔內(nèi)倍頻的 連續(xù)激光器是綠光 DPSS 激光器，其中 1064 nm 的激光基波進(jìn)行倍頻以產(chǎn)生 532 nm 波長(zhǎng)的綠光輸出。

連續(xù) DPSS 激光器： 性能/成本權(quán)衡

在 CW DPSS 激光器中已經(jīng)使用了幾種方法來解決模式噪聲問題。 早期的方法是使用拉長(zhǎng)的腔體，以便將功率分給更多的縱向模式。 其思路是通過對(duì)更多模式的噪聲效應(yīng)進(jìn)行平均，降低噪聲水平。 這種“涂抹”方法對(duì)于某些應(yīng)用來說是足夠的，但對(duì)于那些對(duì)噪聲特別敏感的應(yīng)用，如載波包絡(luò)相位 (CEP) 穩(wěn)定，實(shí)踐證明是不夠用的。 當(dāng)然，它也會(huì)對(duì)依賴于單色性(即窄頻譜帶寬)的應(yīng)用產(chǎn)生負(fù)面影響。

一個(gè)更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄊ窃谄湓搭^上實(shí)際消除綠光噪聲。 在 DPSS 激光器中做到這一點(diǎn)的最直接方法是，利用一個(gè)光學(xué)器件(如校準(zhǔn)器)使激光器在單個(gè)縱向模式下運(yùn)行。 這需要對(duì)腔體進(jìn)行主動(dòng)熱穩(wěn)定，以及使用壓電鏡座和反饋電子材料將腔體長(zhǎng)度和校準(zhǔn)器性能鎖定在一起。 這都會(huì)導(dǎo)致成本和復(fù)雜性增加。

部分商用低噪聲 DPSS 激光器是基于其他有源反饋降噪策略的。 但在每一種情況下，都不可避免地要在噪聲、成本和復(fù)雜性進(jìn)行權(quán)衡。

OPSL – 提供低噪聲可見光輸出

在使用 OPSL 的情況下，增益動(dòng)態(tài)特性是完全不同的。 增益介質(zhì)是一種半導(dǎo)體，其中泵浦光在量子阱內(nèi)產(chǎn)生空穴和電子。 這些電荷載流子的輻射和非輻射重組過程都非?？臁?因此在 OPSL 中，有效的上能級(jí)壽命(即腔內(nèi)行程時(shí)間的時(shí)間尺度)是幾納秒或更少。 這有兩個(gè)好處。 首先，OPSL 可以在高達(dá) 100kHz 的速度下直接調(diào)制。 更重要的是，上能級(jí)壽命短意味著在激光模式時(shí)間尺度上沒有儲(chǔ)備能量，而只有瞬時(shí)增益。 當(dāng) OPSL 在多個(gè)縱向模式上工作時(shí)，這些腔體模式的行為因此完全由腔體決定，增益只是跟隨其變化。 因此，這些模式之間的功率分布是隨時(shí)間穩(wěn)定的。

因?yàn)楣β史植际峭耆€(wěn)定的，所以當(dāng)使用腔內(nèi)倍頻晶體來產(chǎn)生可見光輸出時(shí)，就沒有由于縱向模式之間非線性耦合而產(chǎn)生的噪聲。 由于上能級(jí)壽命短，綠光問題在 OPSL 中根本不存在。 由于不需要噪聲抑制機(jī)制，也就避免了相關(guān)的成本和復(fù)雜性，所以就不需要在性能和復(fù)雜性(成本、潛在故障模式)之間進(jìn)行權(quán)衡。 當(dāng)然，OPSL 也可以設(shè)計(jì)成單模式運(yùn)行，而且Coherent為干涉測(cè)量等應(yīng)用提供了這些產(chǎn)品。 但對(duì)于 OPSL 來說，單模是針對(duì)這些高相干性應(yīng)用的一個(gè)選項(xiàng)，而不是低噪聲的先決條件。

OPSL 提供真正的連續(xù)紫外光輸出

三倍頻可用于 DPSS 和 OPSL，以產(chǎn)生紫外光輸出。 與可見光激光器一樣，調(diào)Q DPSS 激光器可以使用效率極高的腔外諧波發(fā)生功能。 這是Coherent為精密材料加工應(yīng)用生產(chǎn)的幾種工業(yè)納秒激光器的基礎(chǔ)。 但是在連續(xù)操作中，綠光噪聲問題表現(xiàn)為紫外光問題，而且更為嚴(yán)重，因?yàn)槿额l效率是由聚焦強(qiáng)度的三次方?jīng)Q定的。 對(duì)于可以接受準(zhǔn)連續(xù)輸出的應(yīng)用，如印刷電路板激光直接成像，DPSS 激光器可以用幾十兆赫的重復(fù)頻率進(jìn)行模式鎖定。一個(gè)例子是 Paladin 系列激光器，其皮秒脈沖的峰值功率很高，這意味著腔外三倍頻效率是非常高的。 然而，對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和活細(xì)胞分揀等應(yīng)用，脈沖輸出和/或準(zhǔn)連續(xù)CW 操作的高峰值功率可能都會(huì)造成問題。 OPSL 技術(shù)再次提供了一個(gè)優(yōu)化解決方案，而不需要借助噪聲抑制機(jī)制(如穩(wěn)定的單模操作)。 例如，Genesis 355 激光器現(xiàn)在是公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，用于滿足對(duì)于需要紫外光輸出的流式細(xì)胞術(shù)的日益增長(zhǎng)需求，例如激發(fā) DNA 的自體熒光。

總結(jié)

第一代連續(xù)固態(tài)激光器使用 DPSS 技術(shù)。 用這種技術(shù)獲得可見光和紫外光輸出會(huì)受到一種叫做綠光噪聲的現(xiàn)象的影響，因此就需要在性能(低噪聲)和復(fù)雜性(成本和潛在故障模式)之間進(jìn)行權(quán)衡。 造成這種噪聲的潛在機(jī)制在 OPSL 中完全消除。 因此，多?？梢姽夂妥贤夤?OPSL 提供了卓越的噪聲特性，而不會(huì)額外提高復(fù)雜性或成本。

審核編輯 黃宇