帶寬也叫線寬或譜寬，可通過波長、頻率、波數(shù)或光子能量進行測量并使用半高寬(FWHM)值表示。本文將介紹激光帶寬的產(chǎn)生機制，并討論如何在激光腔內(nèi)使用不同的光學元件減小輸出帶寬，最終實現(xiàn)單縱模工作。

激光展寬機制

激光器的輸出帶寬源于躍遷能級的模糊性。原子(或分子)集合的能級不是確定的，而是有一定的寬度，因此原子在躍遷時不會發(fā)射波長或能量完全相同的光子。能級有多種產(chǎn)生展寬機制。對于氣體激光器，原子可在激光管內(nèi)自由碰撞。由于每個原子以隨機的方向和速度運動，它們的總發(fā)射光譜覆蓋一定的頻率范圍。原子的平均速度越快，即氣體溫度越高，帶寬就越寬。這就是主要發(fā)生在氣體激光器中的多普勒展寬。在多普勒展寬激光器中，單個原子的帶寬小于激光器的帶寬。一個光子可能使某個原子產(chǎn)生受激發(fā)射，因為原子剛好頻移至光子的頻率，但這個光子可能無法激發(fā)速度和方向不同的其它原子。這種展寬叫做非均勻展寬(見左下圖)，即不同原子對應(yīng)于激光器帶寬內(nèi)的不同頻率。右下圖是一個均勻展寬的示例：每個原子的帶寬都等于激光器的總帶寬。如果某個光子能與其中一個原子發(fā)生互相作用，它就能與所有原子發(fā)生相互作用。

非均勻展寬

均勻展寬

一般而言，均勻展寬激光器的帶寬更容易減小，因為所有原子都可以在更窄的帶寬下實現(xiàn)受激發(fā)射。對于非均勻展寬激光器，如果總帶寬減小，有些原子就無法實現(xiàn)受激發(fā)射，由此導(dǎo)致激光器的輸出功率降低。

在氣體激光器中，均勻展寬的一個來源是壓強展寬(有時也叫碰撞展寬)，它通過增加每個原子的帶寬來增加總帶寬。原子的自然帶寬與碰撞的間隔時間成反比。激光管內(nèi)氣壓越低，即原子越少，碰撞的平均間隔時間就越長，原子帶寬越窄。因此，增加氣壓將增大帶寬。多普勒展寬和壓強展寬是氣體激光器中最重要的展寬機制。如果激光管內(nèi)的氣體壓強較低，則多普勒展寬占主導(dǎo);如果壓強較高，則壓強展寬變得更為明顯。在固體激光器中，每個激光原子被束縛在基質(zhì)晶體的晶格點上，因此不會因為運動而產(chǎn)生碰撞或多普勒展寬。但晶格會受熱而振動，由此展寬激光原子的發(fā)射頻率范圍。因為每個原子受相同的熱振動影響，所以熱展寬也是均勻展寬。當固體激光器以極低溫度工作時，熱展寬很小，但基質(zhì)晶體缺陷會導(dǎo)致殘留展寬。由于這些缺陷處于晶體的不同位置，它們會在不同的活性原子處產(chǎn)生不同的電場，使原子產(chǎn)生不同的頻移。因此，晶體-電場展寬是一種非均勻展寬。

減小帶寬的基本方法

雖然通過冷卻有源介質(zhì)可以減小固體激光器的熱展寬或氣體激光器的多普勒展寬，但這樣不是很有效且不方便。氣體激光器的帶寬還可通過壓強減小，但這往往會降低輸出功率。激光器的正常工作需要兩個條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和大于1的往返增益。降低溫度和壓強的出發(fā)點都是減小粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的帶寬，但這些方法都不實用，而更實用的方法是減小往返增益的帶寬，為此需要改變諧振腔的反饋。舉例而言，如果粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的帶寬為4 GHz，而反射鏡帶寬更大(左下圖)，那么激光器的輸出帶寬為4 GHz，因為在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)帶寬內(nèi)，所有光的往返增益都大于1。如果將反射鏡帶寬減小至1 GHz，那么在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)帶寬內(nèi)，只有部分光能獲得大于1的往返增益，因此輸出帶寬被減小至1 GHz;見右下圖。

無帶寬限制輸出

將帶寬限制在1GHz

減小諧振腔的反饋帶寬是減小激光器帶寬的基本方法。不過，直接減小反射鏡帶寬的途徑仍不實用，因為帶寬1 GHz的激光反射鏡是很難甚至不可能制造出來的。更實用的方法是在腔內(nèi)使用棱鏡、光柵或雙折射濾光片等元件選擇特定頻率的光。

下面是基于色散棱鏡選頻的示意圖。雖然粒子數(shù)反轉(zhuǎn)帶寬仍為4 GHz，但只有帶寬中心的光能被棱鏡折射并通過反射鏡回到腔內(nèi)，使其在腔內(nèi)產(chǎn)生足夠的往返增益，而帶寬兩側(cè)的光無法實現(xiàn)反饋。因此，輸出帶寬被限制在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)帶寬的中心部分。

使用棱鏡減小帶寬

下面是基于衍射光柵選頻的示意圖。這種方法用一個光柵代替其中一個反射鏡。由于光柵的空間色散，只有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)帶寬中心的光才能返回有源介質(zhì)。這同樣減小了諧振腔的反饋帶寬。

使用光柵減小帶寬

為什么不在腔外使用光柵或棱鏡選頻呢?比如，下面展示了腔外選頻的一個示例，其中確實只有更窄帶寬內(nèi)的光能通過光闌。您可能認為這種裝置更好，因為直線腔應(yīng)該更容易對準。但是，這種配置會損耗大部分的輸出激光，而如果在腔內(nèi)使用帶寬限制元件，那么激光器輸出的窄帶光功率就會很接近寬帶輸出功率。

腔外選頻會損耗大部分功率

在通過減小反饋帶寬減小輸出帶寬時，均勻展寬激光器比非均勻展寬激光器具有更好的效果。在均勻展寬激光器中，每個活性原子都能利用帶寬中心的光產(chǎn)生受激發(fā)射，但在非均勻展寬激光器中，部分原子將因為反饋帶寬減小而無法產(chǎn)生受激發(fā)射。不管均勻或非均勻展寬激光器，帶寬壓縮最好都在腔內(nèi)進行。另外，雙折射濾光片也能用于減小往返增益帶寬。如下圖所示，一個全波片以布儒斯特角放在腔內(nèi)：只有中心波長滿足全波延遲(360度延遲)，因此能保持線偏振(p光)并在腔內(nèi)往返;而其它波長的光會經(jīng)歷略有不同的相位延遲而變成橢圓偏振光，因此有一部分會被反射到腔外。因此，其它波長的往返增益將低于中心波長。如果增益足夠低，激光器的帶寬就會減小。

使用雙折射濾光片壓縮帶寬

單縱模(單頻)激光器

激光器的每個橫模和每個縱模都以不同的頻率振蕩，所以在不受限制的激光器中有很多不同的橫模和縱模。在腔內(nèi)使用光闌能迫使激光器以單橫模工作，而窄帶激光器能通過標準具實現(xiàn)單縱模工作。在通常情況下，前面介紹的帶寬限制方法還不足讓激光器實現(xiàn)單縱模工作。如左下圖所示，使用光闌能使激光器以單橫模和多縱模(多個頻率)的組合進行振蕩。這樣輸出的任何頻率都取決于激光增益、反射率曲線和諧振腔模式結(jié)構(gòu)的乘積。如果繼續(xù)用棱鏡或其它元件減小反饋帶寬，諧振腔的模式數(shù)量就會減少(右下圖)。

使用光闌減少橫模數(shù)

使用棱鏡減小縱模數(shù)

為了實現(xiàn)單縱模，通常還需要在腔內(nèi)加一個標準具(FP干涉儀)。標準具的透射峰間距為c/2L，其中L是標準具兩個表面的距離。因此，當L很小時，相鄰?fù)干浞逯g的頻率間隔就很大。如下圖所示，通過標準具的透射峰和諧振腔的縱模之間的協(xié)同作用，激光器只剩下一個縱模被激發(fā)，而其它縱模式都被抑制了。

假設(shè)將一個完美的標準具放入均勻展寬的激光器中，由此得到的單縱模輸出功率能和所有縱模的總和一樣高嗎?答案是不能。下圖展示了單縱模電場的空間分布。由于駐波的節(jié)點處沒有電場，此處的原子無法產(chǎn)生受激發(fā)射，也就無法增加激光器的輸出功率。

實際上，一個標準具通常無法迫使均勻展寬激光器以單縱模振蕩。對于選定模式節(jié)點處的原子，由于增益變得非常高，仍可能激發(fā)一個或多個其它振蕩模式，因此需要增加一個甚至兩個標準具。

審核編輯 黃宇