连续波激光器的工作原理与应用
连续波激光器的工作原理与应用
连续波激光器是激光技术领域的重要组成部分，广泛应用于科学研究、工业加工、医疗诊断等多个领域。本文将为您详细介绍连续波激光器的工作原理、模式特性以及其在不同应用场景中的表现。
激光可分为三大类：连续波(CW)、脉冲和超快。顾名思义，连续波激光器产生连续的、不间断的光束，理想情况下具有非常稳定的输出功率。发生这种情况的确切波长或线是由激光介质的特性决定的。例如，CO2分子很容易在10.6µm处发出激光，而基于钕的晶体(如YAG或钒酸盐)产生的波长在1047到1064 nm之间。
每个激光波长都与一个线宽相关联，这取决于几个因素：激光介质的增益带宽和光学谐振器的设计，其中可能包括有意缩小线宽的元件，如滤波器或标准具。
如果激光可以同时产生不同的光带，那么确定工作波长的第一步就是使用只在所需波长高度反射的腔镜。反射镜在所有其他线的低反射率将阻止这些达到激光作用的阈值。然而，即使是一条激光线实际上也覆盖了一系列波长。例如，激光二极管产生的光的波长范围为几纳米，与它们的“增益带宽”相对应。
该增益带宽内输出光束的特定波长由腔的纵模决定。图1显示了双镜腔的行为，这是最基本的设计。为了在光在反射镜之间来回传播时保持增益，波必须保持同相并“再现”其波型，这意味着腔往返距离必须是波长的精确倍数
Nλ = 2 × Cavity Length
其中λ是激光波长，N是一个称为模数的整数。这通常是一个非常大的整数，因为光的波长比典型的腔长小得多。例如，在高功率激光二极管中，红外输出波长为0.808μm，但腔长可能为1mm，因此即使在非常小的激光谐振腔中，N是~2500。满足该共振方程的波长称为纵向腔模。激光器的实际输出波长将对应于增益带宽内的腔模，如图1(底部)所示。这种机制被称为多纵向模式操作。以高功率激光二极管为例，相邻纵模之间的间距为
W150 GHz(相当于波长差0.3 nm)。
如果激光二极管在3nm的增益线上工作，大约10个横跨3nm的纵向模式将能够振荡。谐振器设计还控制所谓的横模，横模负责垂直于光束方向的平面上的强度分布。理想的激光束具有径向对称的横截面：强度在中心最大，在边缘拖尾，遵循高斯分布。这被称为TEM00或基本输出模式。激光还可以产生许多其他TEM模式，其中一些如图2所示。通常，放置在腔内的圆形孔用于迫使激光器在基模下工作。在多横模操作中，许多模式同时存在，通常导致轮廓看起来是高斯的，但实际上具有退化的特性(更高的发散度和更低的辐射率)。通常使用M2(M平方)参数来指定激光束的质量。例如，仅在TEM00模式下工作的YAG激光器具有M2=1，而多模激光二极管具有数百的M2。不同的横模也有略微不同的频率;然而，这种差异远小于相邻纵向模式之间的差异(约1 MHz，而大约为数百兆赫至数百千兆赫)。
图1：谐振腔只支持满足谐振条件的模式，Nλ=2×腔长。CW激光器的输出由增益带宽和这些谐振腔模式的重叠来定义
图2：激光器可以发射任意数量的横模，其中TEM00通常是最理想的
产生多个纵模的激光器具有有限的相干性——不同波长在长距离内不能保持同相。全息术等需要出色相干性的应用受益于使用单纵模激光器。对于一些增益带宽窄的激光器类型，单模输出是通过非常短的谐振腔实现的;这使得模式间距大于增益带宽，并且只有一个模式激光。然而，通常将仅优先通过一种模式的过滤元件插入腔中。最常见的滤波器类型称为标准具。使用许多复杂的设计增强功能，可以将激光器的线宽限制在1 kHz以下，这对科学干涉应用非常有用。
一些固态激光器具有极宽的带宽，可扩展到数百纳米。最常见的例子是钛宝石激光器。这种宽带并不是一个缺点，而是能够设计出可调谐和超快(飞秒和皮秒脉冲宽度)激光器。设计可调谐CW激光器需要在腔中加入一个额外的滤波元件，通常是双折射(或Lyot)滤波器。双折射滤光片有两个作用：一是缩小带宽，二是通过旋转滤光片实现平滑调谐。当宽带激光器需要预设在特定的应用依赖波长时，这种类型的滤波器也被用作工厂设置的工具，将波长锁定在精确的值。这通常是光泵浦半导体激光器(OPSL)的情况，可以将其设置在5至10 nm工作范围内的所需波长。
CW激光器的大多数应用要求功率在长时间(数小时或数周)以及短时间(微秒)内尽可能稳定，具体取决于具体应用。为了确保在温度、振动和激光器本身老化等不同环境条件下也能保持这种稳定性，实施了微处理器控制回路。例如，二极管泵浦Nd激光器将具有伺服系统来调节泵浦二极管的温度和输出功率，以保持谐振腔的稳定输出功率。此外，其他伺服系统可以控制谐振腔镜的完美对准。