盡管激光器的范圍從量子點到足球場大小，并利用從自由電子到固體的材料，但其基本工作原理始終是相同的。本文介紹了有關激光器如何工作以及為什么工作的基本信息。自1960年首次演示激光以來，已經(jīng)過去了60多年。在最初引起人們的興趣之后，激光一度被歸類為“等待問題的解決方案”，但漸漸地，它們的應用范圍已經(jīng)擴大到包括DNA測序、消費電子產(chǎn)品制造或凍結原子周圍電子運動等不同領域。如果沒有激光，這些應用中的大多數(shù)都是不可能的。

要掌握激光在物理學中的相關性，需要注意的是，沒有其他人造光源能產(chǎn)生像激光脈沖（現(xiàn)在低于10^-16秒）那樣短的脈沖（任何類型），也沒有工具能以~10^-15的精度測量絕對頻率！由激光服務的工業(yè)制造、微電子、生物醫(yī)學和儀器儀表應用非常多樣化，并且依賴于獨特的功能，比如產(chǎn)生低于光衍射極限的特征，在不影響表面的情況下修改材料的體積，或者在半空中捕獲和移動單個粒子。所有光源都將輸入能量轉化為光。在激光的情況下，輸入或泵浦能量可以采取多種形式，最常見的兩種是光學和電學。對于光泵浦，能量源可以是燈，或者更常見的是另一種激光器。電泵浦可以通過直流電流（如激光二極管）、放電（惰性氣體激光器和準分子激光器）或射頻放電（大多數(shù)CO2激光器）實現(xiàn)。

在燈泡、LED或恒星等傳統(tǒng)（非相干）光源中，每個被輸入泵浦能量激發(fā)的原子根據(jù)給定的統(tǒng)計概率隨機發(fā)射一個光子。這會在所有方向上產(chǎn)生波長分布的輻射，單個光子之間沒有相互關系。這被稱為自發(fā)輻射。

圖1：自發(fā)輻射是一個隨機過程，而受激輻射產(chǎn)生具有相同性質(zhì)的光子愛因斯坦預言，受激原子也可以通過一種稱為受激輻射的過程將儲存的能量轉化為光。

這個過程通常從一個被激發(fā)的原子首先通過自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生一個光子開始。當這個光子到達另一個被激發(fā)的原子時，相互作用刺激該原子發(fā)射第二個光子（圖1）。這個過程有兩個重要特征。首先，它是倍增性的——一個光子變成了兩個。如果這兩個光子與另外兩個被激發(fā)的原子相互作用，就會產(chǎn)生總共四個光子，以此類推。第二，也是最重要的，這兩個光子具有相同的性質(zhì)：波長、方向、相位和偏振。在有足夠數(shù)量的受激原子存在的情況下，這種“放大”光的能力導致了“光學增益”，這是激光操作的基礎，并證明了其首字母縮略詞“光放大（通過）受激發(fā)射（輻射）”的合理性。廣泛的固體、液體和氣相材料已被發(fā)現(xiàn)在適當?shù)谋盟蜅l件下表現(xiàn)出增益。

激光腔

激光腔或諧振器是系統(tǒng)的核心。在某些高增益裝置（如準分子激光器）中，通過一組受激原子或分子的單次躍遷就足以啟動激光作用；然而，對于大多數(shù)激光器來說，需要通過多次通過激光介質(zhì)來進一步提高增益。這是沿著由一組產(chǎn)生反饋的腔鏡定義的光軸實現(xiàn)的（圖2）。激光介質(zhì)（晶體，半導體或封閉在適當約束結構中的氣體）沿著諧振器的光軸放置。這個獨特的具有很高光增益的軸也成為了激光束的傳播方向。另一個不同的例子是獨特的長（和靈活的?。┰鲆孑S是光纖激光器。

圖2:在典型的氣體激光器中，增益介質(zhì)呈細長的圓柱形。腔體由兩個鏡子限定。

一種是部分反射，允許輸出光束逃逸最簡單的空腔是由兩個相互面對的鏡子定義的——一個全反射鏡和一個部分反射鏡，其反射率可以在30%到接近100%之間變化。光在這些鏡子之間來回反射，每次通過增益介質(zhì)，光的強度都會增加。自發(fā)地向軸以外的方向發(fā)射的光子只是丟失，對激光的工作沒有貢獻。當激光被放大時，一些光通過部分反射器（輸出耦合器）逃離腔或振蕩器；然而，在平衡狀態(tài)下（所謂的“穩(wěn)定狀態(tài)”或“連續(xù)波”），這些“光學損失”被光子在腔內(nèi)連續(xù)往返所經(jīng)歷的光學增益完全補償。激光器的輸出恰好是輸出耦合器發(fā)射的光束的一部分。在理想的激光器中，輸出光束中的所有光子都是相同的，從而產(chǎn)生完美的方向性和單色性。

這決定了激光光源獨特的相干性和亮度。單色性——光子的能量通過E=hc/λ的關系決定了它的波長，其中h是普朗克常數(shù)，c是光速，λ是波長。理想的激光發(fā)射出的光子能量完全相同，波長也相同，而且是完全單色的。許多應用都依賴于單色。例如，在電信領域，幾個波長稍微偏移的激光器可以在同一根光纖中以平行的脈沖流傳輸，而不會產(chǎn)生串擾。真正的激光并不完全是單色的，因為幾種增寬機制會使發(fā)射光子的頻率（和能量）變寬。例如，自由運行的YAG激光器可以具有幾十千兆赫的線寬，而穩(wěn)定的二極管泵浦YAG激光器可以具有<1?kHz的線寬。這些展寬機制中最著名的是多普勒展寬，它由組成活性氣體介質(zhì)的原子集合中的速度分布決定。相干性——除了具有相同的波長外，構成理想激光束的光子都是同相位的（圖3），或“相干的”，從而產(chǎn)生以均勻波前傳播的電場。理想的表示是平面波沿給定方向以平坦波前傳播，并且垂直于該方向的每個平面在給定時間經(jīng)歷相同的電場和磁場振幅和相位。

當兩個具有這種特征的波相互作用時，就會產(chǎn)生干涉圖案，就像楊的實驗一樣。真實的激光束在某種程度上偏離了這種理想的行為，但它們?nèi)匀皇亲罱咏硐氲南喔善矫娌ǖ墓庠?，并且它們使依賴于光干涉的許多應用成為可能。例如，精密透鏡和鏡子的表面是用激光干涉儀測量的，用于追蹤和探測引力波的幾英里長的干涉儀的干涉模式的微小變化也是如此。

圖3：激光與傳統(tǒng)光的不同之處在于，所有光波都是同相的

亮度（或者更準確地說，亮度）——激光和傳統(tǒng)光源之間最明顯的區(qū)別是，所有發(fā)射的光都以強光束的方式沿同一方向傳播。亮度定義為每單位表面面積和單位立體角離開光源的光量。像太陽這樣的恒星從單位表面積上發(fā)射出大量的輻射，但這些輻射是向許多不同的方向發(fā)射的。相反，激光束是高度定向的，其結果是它的亮度比地球表面所經(jīng)歷的太陽要強烈得多。由于這個原因，僅僅5毫瓦的激光筆的功率就比陽光直射對眼睛更“致盲”（也更危險）。由于其高輻射率，激光束可以投射很遠的距離或聚焦到一個非常小的點上。精心設計的激光器產(chǎn)生的光束只會以衍射定律規(guī)定的最小量膨脹（“發(fā)散”）。例如，衍射要求激光束可以產(chǎn)生的最小光斑大約等于其波長。

連續(xù)波激光器

激光可分為三大類：連續(xù)波（CW）、脈沖和超快。顧名思義，連續(xù)波激光器產(chǎn)生連續(xù)的、不間斷的光束，理想情況下具有非常穩(wěn)定的輸出功率。發(fā)生這種情況的確切波長或線是由激光介質(zhì)的特性決定的。例如，CO2分子很容易在10.6μm處發(fā)出激光，而基于釹的晶體（如YAG或釩酸鹽）產(chǎn)生的波長在1047到1064nm之間。每個激光波長都與一個線寬相關聯(lián)，這取決于幾個因素：激光介質(zhì)的增益帶寬和光學諧振器的設計，其中可能包括有意縮小線寬的元件，如濾波器或標準具。如果激光可以同時產(chǎn)生不同的光帶，那么確定工作波長的第一步就是使用只在所需波長高度反射的腔鏡。反射鏡在所有其他線的低反射率將阻止這些達到激光作用的閾值。

然而，即使是一條激光線實際上也覆蓋了一系列波長。例如，激光二極管產(chǎn)生的光的波長范圍為幾納米，與它們的“增益帶寬”相對應。該增益帶寬內(nèi)輸出光束的特定波長由腔的縱模決定。圖4顯示了雙鏡腔的行為，這是最基本的設計。為了在光在反射鏡之間來回傳播時保持增益，波必須保持同相并“再現(xiàn)”其波型，這意味著腔往返距離必須是波長的精確倍數(shù)Nλ=2×CavityLength其中λ是激光波長，N是一個稱為模數(shù)的整數(shù)。這通常是一個非常大的整數(shù)，因為光的波長比典型的腔長小得多。例如，在高功率激光二極管中，紅外輸出波長為0.808μm，但腔長可能為1mm，因此即使在非常小的激光諧振腔中，N是~2500。滿足該共振方程的波長稱為縱向腔模。激光器的實際輸出波長將對應于增益帶寬內(nèi)的腔模，如圖4（底部）所示。這種機制被稱為多縱向模式操作。以高功率激光二極管為例，相鄰縱模之間的間距為

W~150GHz（相當于波長差~0.3nm）。

圖4：諧振腔只支持滿足諧振條件的模式，Nλ=2×腔長。

CW激光器的輸出由增益帶寬和這些諧振腔模式的重疊來定義如果激光二極管在3nm的增益線上工作，大約10個橫跨3nm的縱向模式將能夠振蕩。諧振器設計還控制所謂的橫模，橫模負責垂直于光束方向的平面上的強度分布。理想的激光束具有徑向對稱的橫截面：強度在中心最大，在邊緣拖尾，遵循高斯分布。這被稱為TEM00或基本輸出模式。激光還可以產(chǎn)生許多其他TEM模式，其中一些如圖5所示。

通常，放置在腔內(nèi)的圓形孔用于迫使激光器在基模下工作。在多橫模操作中，許多模式同時存在，通常導致輪廓看起來是高斯的，但實際上具有退化的特性（更高的發(fā)散度和更低的輻射率）。通常使用M2（M平方）參數(shù)來指定激光束的質(zhì)量。

例如，僅在TEM00模式下工作的YAG激光器具有M2=1，而多模激光二極管具有數(shù)百的M2。不同的橫模也有略微不同的頻率；然而，這種差異遠小于相鄰縱向模式之間的差異（約1MHz，而大約為數(shù)百兆赫至數(shù)百千兆赫）。

圖5：激光器可以發(fā)射任意數(shù)量的橫模，其中TEM00通常是最理想的

產(chǎn)生多個縱模的激光器具有有限的相干性——不同波長在長距離內(nèi)不能保持同相。全息術等需要出色相干性的應用受益于使用單縱模激光器。對于一些增益帶寬窄的激光器類型，單模輸出是通過非常短的諧振腔實現(xiàn)的；這使得模式間距大于增益帶寬，并且只有一個模式激光。然而，通常將僅優(yōu)先通過一種模式的過濾元件插入腔中。最常見的濾波器類型稱為標準具。

使用許多復雜的設計增強功能，可以將激光器的線寬限制在1kHz以下，這對科學干涉應用非常有用。一些固態(tài)激光器具有極寬的帶寬，可擴展到數(shù)百納米。最常見的例子是鈦寶石激光器。這種寬帶并不是一個缺點，而是能夠設計出可調(diào)諧和超快（飛秒和皮秒脈沖寬度）激光器。設計可調(diào)諧CW激光器需要在腔中加入一個額外的濾波元件，通常是雙折射（或Lyot）濾波器。雙折射濾光片有兩個作用：一是縮小帶寬，二是通過旋轉濾光片實現(xiàn)平滑調(diào)諧。當寬帶激光器需要預設在特定的應用依賴波長時，這種類型的濾波器也被用作工廠設置的工具，將波長鎖定在精確的值。這通常是光泵浦

半導體激光器

（OPSL）的情況，可以將其設置在5至10nm工作范圍內(nèi)的所需波長。CW激光器的大多數(shù)應用要求功率在長時間（數(shù)小時或數(shù)周）以及短時間（微秒）內(nèi)盡可能穩(wěn)定，具體取決于具體應用。為了確保在溫度、振動和激光器本身老化等不同環(huán)境條件下也能保持這種穩(wěn)定性，實施了微處理器控制回路。例如，二極管泵浦Nd激光器將具有伺服系統(tǒng)來調(diào)節(jié)泵浦二極管的溫度和輸出功率，以保持諧振腔的穩(wěn)定輸出功率。此外，其他伺服系統(tǒng)可以控制諧振腔鏡的完美對準。

脈沖激光器

一些材料，如含有鹵素的惰性氣體的激發(fā)二聚體（或“激基體”），如ArF和XeCl，只能在幾十納秒的短時間內(nèi)維持激光作用。其他激光器，如Nd或Yb二極管泵浦固態(tài)（DPSS）激光器，適合在CW或脈沖操作中運行。其他激光器，如激光二極管或OPSL，根本不適合脈沖操作。在此背景下，我們將其定義為產(chǎn)生0.5至500納秒脈沖的“脈沖”激光設備。該制度適用于時間分辨科學實驗，尤其適用于與燒蝕或其他類型的非熱材料改性相關的各種制造工藝。

納秒脈沖激光最重要的特性是能夠非常快速地“存儲”和釋放能量；即以納秒為尺度使得激光輸出可以實現(xiàn)數(shù)十千瓦至兆瓦的峰值功率。正是這種高峰值功率使材料的燒蝕處理成為可能。此外，高峰值功率能夠實現(xiàn)許多所謂的光學非線性過程，如諧波產(chǎn)生和光學參量放大。操作納秒脈沖激光器與操作CW激光器有很大不同。為了構建和產(chǎn)生每個脈沖，光在激光腔內(nèi)只有很少的往返時間，而迄今為止描述的基于部分透射鏡的簡單雙鏡腔無法產(chǎn)生這些高能短脈沖。

產(chǎn)生這些高能脈沖的關鍵是通過阻止激光增益和放大過程，將泵浦的能量存儲在激光介質(zhì)的原子或分子中。然后，當存儲的能量達到最大值時，激光作用迅速啟動：存儲的能量導致極高的激光增益（放大），僅在幾次往返中發(fā)生，在此期間，一個巨大的脈沖積聚并通過部分透射鏡耦合。這種狀態(tài)被稱為調(diào)q操作，可以被概念化為雙鏡腔，其中一個反射鏡和激光介質(zhì)之間有一個光學門（圖6）。

當門關閉并且激光介質(zhì)被泵浦時，光子不能在腔中循環(huán)，并且原子的激發(fā)增強；一旦柵極打開，光子就開始通過受激發(fā)射積累起來，每次往返都有很大的增益；其中的一小部分（約20%至40%）通過部分透射鏡耦合。結果是一個脈沖，其上升時間非?？?，下降時間較慢，典型持續(xù)時間為1至200納秒。脈沖持續(xù)時間取決于幾個參數(shù)：增益介質(zhì)的類型及其可以存儲多少能量、腔長、脈沖的重復率和泵浦能量，僅舉最重要的幾個參數(shù)。工業(yè)中常用的調(diào)Q激光器可以產(chǎn)生高達數(shù)十或數(shù)百瓦的平均功率，重復率低至10Hz或高達300kHz。大多數(shù)工業(yè)過程都在數(shù)萬赫茲到數(shù)百赫茲的范圍內(nèi)。

圖6：顯示固態(tài)激光器中Q開關工作原理的示意圖

實際的調(diào)q裝置是聲光調(diào)制器或電光調(diào)制器（EOM）。兩者都使用晶體，其中外加電場會對晶體的光學性質(zhì)產(chǎn)生一些擾動。在聲光調(diào)制器的情況下，施加的電場是一個射頻電壓，在晶體中產(chǎn)生高頻聲波。這種聲波衍射激光中的光子，防止激光放大。

相反，EOM使用施加的高電壓來改變晶體折射率并改變?nèi)肷涔獾钠瘢豢梢栽谇恢蟹胖闷衩舾泄鈱W器件的適當組合以僅允許改變偏振的光循環(huán)，從而在向EOM施加電壓時發(fā)射ms脈沖。其他類型的激光器，如準分子激光器，不需要調(diào)q來產(chǎn)生納秒脈沖，而是依賴于瞬態(tài)泵浦脈沖：準分子激光脈沖是通過用強大而短的放電激發(fā)稀有氣體/鹵素混合物來產(chǎn)生的。鈦藍寶石激光器也可以產(chǎn)生納秒級脈沖，如果它們被頻率加倍的調(diào)qYAG激光器產(chǎn)生的納秒級綠光脈沖泵浦的話。這種方法被稱為增益開關，因為直接改變的是腔增益而不是腔損耗。

除了大量的工業(yè)應用外，調(diào)q激光器在科學研究中也有重要的應用。一種是通過在1-10kHz使用調(diào)qNd:YAG或Nd:YLF的倍頻（綠色）輸出泵送Ti：藍寶石超快放大器（在下一節(jié)中描述）。另一種是使用YAG或YLF激光器在1-100赫茲的焦耳范圍內(nèi)產(chǎn)生每脈沖的能量。這些激光器通常與非線性光學發(fā)生器一起使用，可以在紫外，可見光和紅外區(qū)域產(chǎn)生可調(diào)諧的波長，從而實現(xiàn)時間和波長分辨的研究。

現(xiàn)在大多數(shù)YAG或YLF激光器工作在bbb1khz二極管泵浦，而高能10至100赫茲系統(tǒng)需要泵浦與閃光燈，因為二極管不適合產(chǎn)生高能輸出脈沖。在某些科學應用中，可能需要窄線寬調(diào)q激光器。在某些情況下，這可以使用光學光柵和標準子的組合來完成；在其他情況下，激光可以用低功率連續(xù)波或調(diào)q窄線寬激光器“播種”，這比高功率階段更容易控制。這種方法稱為“注入播種”，使用MOPA（主振蕩器，功率放大器），從概念上將線寬選擇和大功率產(chǎn)生分為兩個階段，并針對這兩個目的進行優(yōu)化設計。

超快激光器

超快激光器通常被定義為產(chǎn)生5fs到100ps（1飛秒=10^?15秒）范圍內(nèi)脈沖的激光器。如果激光能夠在許多縱向模式中振蕩，那么這種短脈沖可以通過所謂的鎖模技術產(chǎn)生。利用這種技術，模式被鎖定在相位（鎖模狀態(tài)），它們的相干干涉導致腔內(nèi)光場坍縮成一個在激光腔中來回傳播的單脈沖。每次脈沖到達輸出反射鏡時，部分脈沖被耦合出來并可用。物理學表明，干擾的模式越多，脈沖持續(xù)時間越短（圖7）。由于更大的激光帶寬支持更多的振蕩模式，脈沖持續(xù)時間與激光增益材料的帶寬成反比。

在沒有色散的情況下，這些脈沖是時間帶寬受限的，即在給定帶寬下具有盡可能短的長度。超快脈沖在研究中非常有用；由于脈沖持續(xù)時間短，峰值功率高，20世紀90年代飛秒激光器的出現(xiàn)使開創(chuàng)性的研究獲得了諾貝爾獎，并獲得了飛化學（泵浦探針光譜學）和光梳的產(chǎn)生。飛秒激光也使多光子激發(fā)（MPE）技術能夠提供活體組織的三維成像。MPE現(xiàn)在被廣泛應用于生物研究的幾個領域，最著名的是神經(jīng)科學。許多重要的應用需要使用再生放大或主振蕩器功率放大器（MOPA）方法中的一種來放大超快脈沖。

脈沖放大通常需要降低重復率，因此脈沖拾取器選擇要在一個或多個放大級中放大的振蕩器脈沖。在飛秒激光器的情況下，放大脈沖的峰值功率會破壞激光光學。出于這個原因，通常在放大之前將脈沖（啁啾）拉伸到50到200ps。然后將放大的脈沖重新壓縮到fs域。這通常被稱為啁啾脈沖放大，或CPA。在科學研究中，放大的超快脈沖被用于廣泛的應用。這些包括光化學、泵浦探測光譜、太赫茲（THz）產(chǎn)生和產(chǎn)生加速電子和其他小帶電粒子。這些脈沖還可以驅動非線性產(chǎn)生脈沖寬度為數(shù)十阿秒的極端紫外光。

在工業(yè)應用中，放大的超快脈沖越來越多地用于需要燒蝕或材料改性而沒有任何殘余熱效應和/或在亞微米空間尺度上的材料加工應用。例子包括平板顯示器生產(chǎn)中的薄膜圖案化。超快激光也越來越多地用于切割觸摸屏的鋼化玻璃，使用一種稱為細絲切割的工藝，這是其他激光無法完成的。這種方法可以產(chǎn)生無與倫比的邊緣質(zhì)量，并可以創(chuàng)建彎曲的形狀和切割。

超快激光材料

直到最近，科學超快激光器主要依靠鈦：藍寶石（Ti:藍寶石），因為它具有大帶寬和寬調(diào)諧范圍；交鑰匙商用鈦寶石激光器可以提供短至6飛秒的脈沖。鈦寶石激光器通常使用綠色波長CW

泵浦激光器

進行泵浦。鈦寶石振蕩器的典型重復頻率為50至100MHz，峰值功率高達幾百千瓦。最常見的基于鈦藍寶石的CPA系統(tǒng)工作在1至10kHz，放大器級由納秒綠色激光器供電。鈦：藍寶石CPA系統(tǒng)的獨特之處在于，它們能夠產(chǎn)生幾毫焦耳的脈沖能量，脈沖寬度短至20fs。基于鈦寶石的定制CPA系統(tǒng)可以產(chǎn)生甚至數(shù)拍瓦的峰值功率。

工業(yè)超快激光器通常需要高重復率和高功率，以便在應用中保持經(jīng)濟可行的吞吐量。直到最近，其中大多數(shù)都是基于摻釹塊狀材料（例如，YVO4，YAG或玻璃）的MOPA系統(tǒng)。這些激光器和放大器已被證明可以提供必要的功率和工業(yè)可靠性組合。然而，Nd的增益帶寬越小意味著它們被限制在10ps范圍內(nèi)。它們的高峰值功率和高重復率適用于精密微加工應用，特別是薄膜和/或化學強化玻璃等堅韌材料，使用剛才提到的成絲方法。

圖7:當大量在同一位置都有“零”的激光模式發(fā)生干涉時，產(chǎn)生的疊加是一個非常窄的脈沖

在過去的10年里，使用鐿（Yb）的飛秒激光器和放大器已經(jīng)可以滿足科學和工業(yè)領域不斷變化的市場需求。Coherent的摩納哥系列Yb基MOPA就是一個例子。摻鐿材料在一定程度上結合了鈦藍寶石科學激光器和釹基工業(yè)激光器的優(yōu)點。對于科學研究，Yb的增益帶寬意味著振蕩器脈沖可以短至50秒，這對于許多應用來說是綽綽有余的，特別是在MPE顯微鏡中。

與Ti：藍寶石不同，Yb可以直接二極管泵浦并以光纖格式使用，與通常受冷卻和熱透鏡問題限制的體增益材料相比，具有更高的可擴展性。這意味著yb光纖mopa型放大器可以提供高達數(shù)十MHz的靈活重復率。當用于泵浦光學參數(shù)器件時，所得到的輸出從紫外到中紅外波長完全可調(diào)，為先進材料光譜學或功能性生物成像等應用提供了優(yōu)勢。值得注意的是，對于需要極短（<50秒）脈沖寬度和/或高脈沖能量的科學應用，鈦藍寶石目前仍然是首選的增益材料，在可預見的未來，這兩種介質(zhì)將共存。

對于工業(yè)應用，yb光纖放大器的主要吸引力是在飛秒范圍內(nèi)的高峰值功率和高平均功率的組合，不像具有皮秒脈沖寬度的Nd系統(tǒng)。飛秒激光脈沖在材料加工方面比皮秒脈沖有兩個優(yōu)點。首先，飛秒脈沖的持續(xù)時間比在材料中建立熱傳導所需的時間短一個數(shù)量級，這與納秒脈沖不同。其次，短脈沖和非線性相互作用意味著fs脈沖可以提供比ps脈沖更好的邊緣質(zhì)量和精度。因此，yb光纖放大器在電子和顯示器中發(fā)現(xiàn)的混合層基板（例如，玻璃上的聚酰亞胺）的微加工中迅速找到應用。

圖8:啁啾脈沖放大器（CPA）的基本元件和操作

倍頻和諧波產(chǎn)生

即使有廣泛的商用激光器選擇，也不可能總是找到一個與特定應用所需的波長完全匹配的激光器。鈦藍寶石激光器可廣泛調(diào)諧，但在大多數(shù)情況下，它們對于工業(yè)應用來說過于復雜，并且無法達到光譜中最重要的紫外區(qū)域。opsl很簡單，可以設計在920-1160納米范圍內(nèi)的許多波長，但不適合脈沖操作。為了在幾乎任何工作狀態(tài)下獲得所需的波長-連續(xù)波，脈沖或超快-諧波頻率轉換和參數(shù)生成過程在與迄今為止描述的激光器結合使用時提供了波長靈活性。所有這些過程都是相互關聯(lián)的，因為它們的強度非線性地依賴于激光的峰值功率，所以被稱為非線性光學過程。

也就是說，它們與激光峰值功率的平方、三分之一或更高的功率成正比。簡單地說，當一束強烈的和/或緊密聚焦的激光束穿過合適的晶體時，它的振蕩電場以幾種方式與晶體的電子相互作用。其中一種機制會扭曲晶體中的電子云，從而使原子以與激光束相同的頻率偏振，但頻率也是激光束的兩倍（非線性偏振）。這個頻率對應的波長是入射激光的一半。非線性極化比線性項小得多，但它取決于激光峰值功率的平方，因此在強激光脈沖存在時增加得更強。它產(chǎn)生的光場頻率是原激光束的兩倍，其結果是部分入射激光功率將被轉換為原波長的一半（二次諧波產(chǎn)生（SHG）或倍頻）（圖9）。由于必須守恒能量，SHG光束的任何增益都是以原光束功率的降低為代價的。

在某些情況下，有可能實現(xiàn)原始（“基”）光束幾乎完全轉換為其二次諧波。常見的SHG晶體有BBO、LBO和KDP。SHG最常見的例子是將基于nd的激光紅外輸出在1064nm轉換為532nm（綠色）的綠色輸出，構成最流行的可見波長，普遍用于泵浦Ti：藍寶石激光器。

圖9:二次諧波發(fā)生晶體的基本功能

只有在“相位匹配”的條件下才能實現(xiàn)高效的SHG。在大多數(shù)情況下，新頻率的光會被重新轉換到原來的頻率，失去或根本不加相來產(chǎn)生任何相當大的功率。這個困難是通過選擇晶體溫度和取向來克服的，這種晶體溫度和取向創(chuàng)造了所謂的相位匹配條件，在這種條件下，基頻光和二次諧波光的相速度是相同的。這是通過在晶體中選擇特定的傳播方向（通常是溫度和波長的函數(shù)）來實現(xiàn)的，這樣兩種波就能以相同的速度傳播。

SHG過程的擴展是三次諧波發(fā)生（THG），其中入射波長三分之一處的波長是由SHG光束與其基波的相互作用產(chǎn)生的；以及四次諧波發(fā)生（FHG），其中SHG光束再次被倍頻。所有這些諧波過程都可以概括為頻率混合，其中不同波長的兩個相干光束被混合以產(chǎn)生和頻和差頻生成（分別為SFG和DFG）。諧波產(chǎn)生可以應用于連續(xù)波、脈沖和超快激光器，大大擴展了可用波長的范圍。

脈沖或超快激光有足夠的峰值功率（千瓦范圍），以實現(xiàn)相對較高的轉換效率，在一次通過諧波晶體。另一方面，連續(xù)波激光器通常不能產(chǎn)生足夠的功率來產(chǎn)生有效的諧波，因此晶體中的功率必須通過將非線性晶體放入激光腔內(nèi)（“腔內(nèi)加倍”）來增強，或者在晶體周圍建立一個與原始連續(xù)波激光腔的模式相匹配的特殊腔（“諧振加倍”）。

光學參量生成

在前一節(jié)描述的和頻率混合過程中，兩個不同頻率的光子相互作用，產(chǎn)生一個頻率為兩個初始頻率之和的單個光子。相反的過程也是可能的：單個光子與合適的晶體相互作用并消失，產(chǎn)生兩個能量更低且不同（稱為“非簡并”）的光子。這個過程被稱為光學參量生成，它是有用的，因為它產(chǎn)生了兩個新的可調(diào)諧波長，它們僅受能量和動量守恒以及非線性晶體折射率n的約束：νp=νs+νi

1/(npλp)=1/(nsλs)+1/(niλi)下標p、s和i指的是泵浦波長和兩個新波長，這兩個新波長（由于歷史原因）被稱為“信號”和“空閑”，信號波長是兩者中較短的一個，并且都比泵浦波長長。當晶體中三個波長np、ns和np的折射率滿足上述動量守恒方程時，相位匹配發(fā)生。這可以通過改變晶體的溫度或角度或泵浦波長（如果泵浦激光是可調(diào)諧的）來實現(xiàn)，以便在所需的信號或空閑波長處進行相位匹配。雖然SHG光束的波長是由泵浦波長確定的，但OPG過程可以產(chǎn)生無限組波長對。波長對的放大不僅需要在晶體中進行相位匹配，而且需要從波長對統(tǒng)計分布的噪聲中“跳起”這一過程。這正是在光學參量振蕩器（OPO）或光學參量放大器（OPA）中發(fā)生的事情，這兩種先進的激光配件都能夠產(chǎn)生從中紫外到中紅外的可調(diào)諧輸出。

在OPO中，信號和可能的泵浦在類似激光的腔中諧振，其中所需的信號波長從噪聲（信號/閑散對的隨機分布）開始，并在每次往返期間通過與該波長相匹配的晶體進行放大（圖10）。在OPA中，藍寶石或YAG圓盤被泵浦以產(chǎn)生一束相對明亮的白光，顧名思義，它包含了可見光和近紅外光譜的所有波長。當OPA晶體被泵浦激光器泵浦時，OPA晶體中相位匹配的唯一波長對將被放大。

圖10:光學參量振蕩器（OPO）將輸入光子轉換為具有較低能量的兩個光子，并保存輸入的能量和動量納米、皮秒和飛秒opo是與脈沖和超快泵浦激光器一起實現(xiàn)的復雜器件。

連續(xù)opo即使不是更復雜，也同樣復雜。opa更容易設計和制造，但需要一個能量更高的泵來產(chǎn)生白光和晶體中的單通放大。由于這個原因，它們被CPA皮秒或飛秒放大器泵浦，產(chǎn)生至少幾微焦耳。在OPA/OPO中添加一個或多個諧波生成和混合階段，產(chǎn)生的波長范圍可以覆蓋200nm至20μm。

常見激光器類型

多年來，最常見的連續(xù)波激光器是氦氖激光器，簡稱氦氖激光器。這些低功率激光器（幾毫瓦）使用放電在玻璃管中產(chǎn)生低壓等離子體；幾乎所有的都發(fā)出633納米的紅光。近年來，大多數(shù)氦氖應用已經(jīng)轉向可見激光二極管。典型的應用包括條形碼讀取器、建筑和木材行業(yè)的校準任務，以及從醫(yī)療手術到高能物理的一系列瞄準和指向應用。

事實上，激光二極管已經(jīng)成為迄今為止最常見的激光類型，在整個電信和數(shù)據(jù)存儲（例如，dvd,cd）中真正大量使用。在激光二極管中，電流在pn結中產(chǎn)生電荷載流子（電子和空穴）。它們結合并通過受激輻射發(fā)光。激光二極管可以作為功率高達幾十瓦的單發(fā)射器，也可以作為具有許多單獨發(fā)射器的單片線性棒。這些棒可以組裝成二維陣列，總輸出功率在千瓦范圍內(nèi)。它們用于連續(xù)波和脈沖操作，用于所謂的直接二極管應用。但更重要的是，激光二極管現(xiàn)在是許多其他類型激光器的基礎，它們被用作光泵，執(zhí)行初始的電光功率轉換。

例如，高功率可見光和紫外連續(xù)波應用最初是由氬離子和氪離子激光器支持的?；谠诟唠娏飨鹿ぷ鞯牡入x子放電管，這些氣相激光器體積大，效率低，產(chǎn)生大量的熱量，必須主動消散。管也有一個有限的壽命，因此代表一個昂貴的消耗品。在大多數(shù)以前的應用中，發(fā)射藍色或綠色波長的離子激光器被DPSS激光器所取代。在這里，增益介質(zhì)是由一個或多個激光二極管泵浦的摻釹晶體（通常是Nd:YVO4）。

1064nm的近紅外基波然后通過使用腔內(nèi)倍頻晶體轉換為532nm的綠色輸出。反過來，DPSS激光器也受到了一些新技術的挑戰(zhàn)，其中OPSL最為成功。這里的增益介質(zhì)是由一個或多個激光二極管泵浦的大面積半導體激光器。OPSL具有許多優(yōu)點，最顯著的是波長和功率可擴展性。具體來說，這些激光器可以設計成在幾乎任何可見波長下工作，最終將應用從有限的傳統(tǒng)波長選擇的限制中解放出來（即氬離子激光器的488和514nm以及倍頻YAG激光器的532nm）。

事實上，opsl代表了激光器的范式轉變，因為它們可以根據(jù)應用的需要而不是相反。OPSL現(xiàn)在是低功耗生物儀器應用的領先技術，最顯著的是488納米；OPSL技術的功率可擴展性和固有的低噪聲現(xiàn)在正使多路綠色和黃色OPSL有力地進入其他應用，包括科學研究、法醫(yī)、眼科和燈光秀。雖然YVO4和其他釹晶體主體適合在CW、調(diào)Q和鎖模操作中運行，但激光二極管、OPSL和離子激光器不支持Q開關操作，幾乎不用于鎖模狀態(tài)。波長較長的二氧化碳（CO2）激光器采用等離子體放電技術，發(fā)射的中紅外波長約為10μm。大多數(shù)是連續(xù)波或偽連續(xù)波，商業(yè)輸出功率從幾瓦到幾千瓦。類似的技術是一氧化碳（CO）激光器，它最初是在20世紀60年代開發(fā)的，但直到2015年才真正用于工業(yè)用途。CO激光器發(fā)射光譜范圍為5~6μm。

與CO2激光器相比，這種波長較短的中紅外輸出為某些應用提供了兩個重要優(yōu)勢。首先，許多金屬、薄膜、聚合物、PCB介質(zhì)、陶瓷和復合材料在較短波長處表現(xiàn)出明顯不同的吸收，這有時可以被利用為優(yōu)勢。其次，由于衍射，它們可以聚焦到更小的光斑尺寸，這與波長成線性比例?？傊?，這些特性使CO激光器在一些玻璃加工，薄膜切割和陶瓷刻劃應用中提供卓越的結果。另一項重要技術是光纖激光器，它可以以CW、Q開關和鎖模格式工作，通常發(fā)射約1μm（當光纖摻雜鐿時）。在光纖激光器中，諧振腔由大模面積、

雙包層光纖

（外包層含有摻雜劑）和用于諧振腔鏡的光纖布拉格光柵形成。這是由一系列二極管激光器從兩端泵浦的，其輸出通過光纖耦合到增益光纖中。光纖激光器有幾個重要的優(yōu)點。首先，輸出是天然的光纖傳輸，這使得它很容易與許多激光機床耦合，并將激光與機器人傳輸系統(tǒng)集成。其次，光纖激光束的質(zhì)量足以將其耦合到小光纖中，允許光束聚焦到小點上，以獲得金屬焊接、切割和其他工業(yè)過程所需的高功率密度。光纖激光器的結構也有利于功率縮放。

一組泵浦和增益光纖通?？梢援a(chǎn)生高達數(shù)千瓦的輸出功率，但也可以使用光纖組合器來實現(xiàn)功率縮放，實現(xiàn)超過10千瓦的輸出功率。最后，與CO2和固態(tài)激光器相比，光纖激光器具有高的壁塞效率（將輸入電能轉換為激光），并且維護要求也很低。這降低了擁有成本。Nd:YVO4,Yb:YAG,CO2，摻鐿光纖和直接二極管激光器是工業(yè)激光器應用的主力。直接二極管激光器，特別是，提供最低的成本每瓦的任何工業(yè)激光類型，以及最低的運行成本，由于其高的電效率。直接二極管激光器主要服務于低亮度應用，如熱處理、熔覆和一些焊接應用。缺點是，高功率激光二極管或陣列無法提供任何接近其他類型的激光所提供的衍射限制光束。平板放電技術的出現(xiàn)使得CO2激光器的尺寸功率比大大降低，提高了其在亞千瓦級應用中的實用性。低成本波導設計也支持功率在幾十瓦的CO2激光器的健康市場，主要用于標記和雕刻應用。在過去的十年中，高功率光纖激光器（bbb1kw）在4-6mm厚度范圍內(nèi)的金屬切割應用中占據(jù)主導地位，因為它們通常具有出色的效果，并且比同等功率的CO2激光器維護成本更低。

此外，近紅外光纖激光器在切割某些金屬時是有利的，如銅、鋁和黃銅，這些金屬由于其在遠紅外中的高反射率而難以用二氧化碳切割。二氧化碳激光器繼續(xù)用于更厚的材料，但這主要是因為已經(jīng)針對這種激光器優(yōu)化了工藝，制造商在改變生產(chǎn)工藝方面進展緩慢。然而，這種情況可能會隨著時間的推移而改變。1千瓦及以下的CO2激光器仍然用于一些較薄的金屬（2至4毫米）切割應用。當必須加工金屬和非金屬時，CO2激光器仍然是首選。這是因為它們較長的波長被廣泛的非金屬材料很好地吸收，包括木材、紙、皮革、布、塑料和許多其他有機物，而近紅外光纖激光輸出則不然。Nd:YAG可為金屬焊接和切割等材料加工應用提供峰值功率。

在這些重工業(yè)應用中，原始功率比光束質(zhì)量更重要，多年來，這些激光器都是用燈泵浦的。如今，這些激光器大多已被二極管泵浦鐿基光纖激光器和磁盤激光器所取代，輸出功率高達20千瓦。手電筒泵送Nd:YAG，Er:YAG和Cr:Tm:Ho:YAG仍在醫(yī)療應用中使用，其中需要以數(shù)十赫茲的重復頻率在焦耳范圍內(nèi)的脈沖能量。在這種高能量的工作狀態(tài)下，二極管泵浦是不劃算的。相反，低功率調(diào)qDPSS激光器主要基于Nd:YVO4。這些通常針對高光束質(zhì)量的微加工和微結構應用進行了優(yōu)化，具有高重復率（高達250kHz），以支持高通量工藝。

它們的功率高達數(shù)十瓦，可選擇近紅外（1064納米），綠色（532納米）或紫外線（3555納米）輸出。紫外線在制作“精致”材料的小特征方面很受歡迎，因為它可以聚焦到一個小點，并最大限度地減少外圍熱損傷。深紫外（266納米）版本已開始在某些應用中使用，但其相對較高的成本和對特殊光束傳輸光學器件的需求導致許多潛在應用依賴于針對短脈沖持續(xù)時間優(yōu)化的355納米激光器，這可以在許多材料中產(chǎn)生類似的結果。準分子代表了另一種重要的脈沖激光技術。

它們可以在整個紫外線中產(chǎn)生幾個離散的波長；根據(jù)氣體組合，發(fā)射范圍從157到348納米。193nm的深紫外線是半導體工業(yè)中光刻工藝最廣泛使用的光源。308nm波長用于高性能顯示器中硅的退火。相同的波長也是在高性能柴油發(fā)動機的缸套上產(chǎn)生獨特的長磨損表面的關鍵。最后，準分子具有產(chǎn)生高脈沖能量的獨特能力-每個脈沖高達1焦耳。這使得可以直接寫入低成本的電子電路，用于醫(yī)療一次性用品等應用。如前所述，用于科學應用的超快激光器主要由鈦藍寶石組成。超快激光也是微加工和其他高精度材料加工應用的快速發(fā)展技術。雖然在商業(yè)上可用的工業(yè)超快激光器的形式和結構上存在一些多樣性，但它們都使用某種基本配置。

具體來說，一個被動鎖模振蕩器被用來產(chǎn)生脈沖寬度約為幾ps或更短的輸出，這是驅動光消融所必需的。然而，大多數(shù)鎖模振蕩器以幾十兆赫的重復率產(chǎn)生相對較低的能量脈沖（在納焦耳范圍內(nèi)）。當脈沖與脈沖重疊在50%到70%的范圍內(nèi)時，微加工的最佳效果達到。換句話說，在下一個超快脈沖到達之前，光束偏轉機制將光束移動約三分之一的光束直徑。因此，幾十兆赫茲范圍內(nèi)的重復頻率太高，無法與現(xiàn)有的掃描技術一起使用，因此脈沖拾取器選擇這些脈沖的一小部分。然后，這些脈沖的能量在放大器中增強以產(chǎn)生最終輸出。大多數(shù)商用皮秒和飛秒產(chǎn)品基于以下架構之一：

光纖激光振蕩器，隨后是基于光纖的前置放大器和光纖或棒狀光纖放大器。

光纖激光振蕩器，后面是基于光纖的前置放大器和一個或多個體放大器。

二極管泵浦固態(tài)振蕩器，后面是體放大器。

全光纖（振蕩器和放大器）方法具有成本相對較低的優(yōu)點，并具有魯棒性的潛力。最大的負面影響是光纖放大器中的非線性和熱效應將最大每脈沖能量和平均輸出功率分別限制在約100μJ和100W（在亞ps脈沖寬度和使用CPA時）。這種水平的脈沖能量可以滿足當今大多數(shù)微加工應用。為了實現(xiàn)更高的脈沖能量和更高的輸出功率，需要為一些目前和許多未來的應用，光纖振蕩器可以配合一個體放大器。如果本體放大器的增益較低，如摻雜鐿的棒型或盤型放大器，則使用再生放大器。

在再生放大器中，脈沖要經(jīng)過大量的傳遞（最多150次）來提取存儲在放大器介質(zhì)中的能量。從低增益放大器中提取能量的能力允許使用大光束區(qū)域來實現(xiàn)數(shù)百兆焦耳的非常高的脈沖能量和多千瓦范圍內(nèi)的輸出功率。第三種方法是將光纖振蕩器與基于光纖的前置放大器和具有高增益的體二極管泵浦固態(tài)放大器結合使用，通常使用Nd:YVO4（用于10ps脈沖）或Yb:YAG（用于sub-ps脈沖）作為增益介質(zhì)。這些幾何結構已經(jīng)證明了在100-W范圍內(nèi)的輸出功率，在Yb:YAG的情況下，高達kW水平。

最后，存在許多其他類型的利基和奇特激光器，這些激光器超出了本文的范圍。示例包括用于電信的拉曼激光器、用于某些氣體傳感應用的量子級聯(lián)激光器以及往往僅限于軍事項目的化學激光器。

源自網(wǎng)絡

審核編輯 黃宇