圖1：諧振腔只支持滿足諧振條件的模式，Nλ=2×腔長(zhǎng)。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

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(zhǎng)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(zhǎng)在1047到1064 nm之間。每個(gè)激光波長(zhǎng)都與一個(gè)線寬相關(guān)聯(lián)，這取決于幾個(gè)因素：激光介質(zhì)的增益帶寬和光學(xué)諧振器的設(shè)計(jì)，其中可能包括有意縮小線寬的元件，如濾波器或標(biāo)準(zhǔn)具。

如果激光可以同時(shí)產(chǎn)生不同的光帶，那么確定工作波長(zhǎng)的第一步就是使用只在所需波長(zhǎng)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(dá)到激光作用的閾值。然而，即使是一條激光線實(shí)際上也覆蓋了一系列波長(zhǎng)。例如，激光二極管產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)范圍為幾納米，與它們的“增益帶寬”相對(duì)應(yīng)。

該增益帶寬內(nèi)輸出光束的特定波長(zhǎng)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(shè)計(jì)。為了在光在反射鏡之間來回傳播時(shí)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(zhǎng)的精確倍數(shù)

Nλ = 2 × Cavity Length

其中λ是激光波長(zhǎng)，N是一個(gè)稱為模數(shù)的整數(shù)。這通常是一個(gè)非常大的整數(shù)，因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)比典型的腔長(zhǎng)小得多。例如，在高功率激光二極管中，紅外輸出波長(zhǎng)為0.808μm，但腔長(zhǎng)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(zhǎng)稱為縱向腔模。激光器的實(shí)際輸出波長(zhǎng)將對(duì)應(yīng)于增益帶寬內(nèi)的腔模，如圖4(底部)所示。這種機(jī)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~150 GHz(相當(dāng)于波長(zhǎng)差~0.3 nm)。

如果激光二極管在3nm的增益線上工作，大約10個(gè)橫跨3nm的縱向模式將能夠振蕩。諧振器設(shè)計(jì)還控制所謂的橫模，橫模負(fù)責(zé)垂直于光束方向的平面上的強(qiáng)度分布。理想的激光束具有徑向?qū)ΨQ的橫截面：強(qiáng)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(shí)存在，通常導(dǎo)致輪廓看起來是高斯的，但實(shí)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(yuǎn)小于相鄰縱向模式之間的差異(約1 MHz，而大約為數(shù)百兆赫至數(shù)百千兆赫)。

圖2：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(gè)縱模的激光器具有有限的相干性——不同波長(zhǎng)在長(zhǎng)距離內(nèi)不能保持同相。全息術(shù)等需要出色相干性的應(yīng)用受益于使用單縱模激光器。對(duì)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(shí)現(xiàn)的;這使得模式間距大于增益帶寬，并且只有一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)具。使用許多復(fù)雜的設(shè)計(jì)增強(qiáng)功能，可以將激光器的線寬限制在1 kHz以下，這對(duì)科學(xué)干涉應(yīng)用非常有用。

一些固態(tài)激光器具有極寬的帶寬，可擴(kuò)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(gè)缺點(diǎn)，而是能夠設(shè)計(jì)出可調(diào)諧和超快(飛秒和皮秒脈沖寬度)激光器。設(shè)計(jì)可調(diào)諧CW激光器需要在腔中加入一個(gè)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(gè)作用：一是縮小帶寬，二是通過旋轉(zhuǎn)濾光片實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)諧。當(dāng)寬帶激光器需要預(yù)設(shè)在特定的應(yīng)用依賴波長(zhǎng)時(shí)，這種類型的濾波器也被用作工廠設(shè)置的工具，將波長(zhǎng)鎖定在精確的值。這通常是光泵浦半導(dǎo)體激光器(OPSL)的情況，可以將其設(shè)置在5至10 nm工作范圍內(nèi)的所需波長(zhǎng)。

CW激光器的大多數(shù)應(yīng)用要求功率在長(zhǎng)時(shí)間(數(shù)小時(shí)或數(shù)周)以及短時(shí)間(微秒)內(nèi)盡可能穩(wěn)定，具體取決于具體應(yīng)用。為了確保在溫度、振動(dòng)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(shí)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(duì)準(zhǔn)。

審核編輯 黃宇