光泵半導(dǎo)體激光器 (OPSL) 是一項獨有的技術(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單平臺上實現(xiàn) 355 nm 波長真正連續(xù)輸出的途徑。 無“綠光噪聲”原因是 OPSL 增益介質(zhì)的上能級壽命接近零。

消除性能/成本權(quán)衡

對連續(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，對性能(噪聲)和成本(復(fù)雜性)進行了權(quán)衡。 這種噪聲機制在可見光 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 能夠以簡單的形式產(chǎn)生無噪聲的紫外光輸出(例如在 355 nm 波長)。 這是 OPSL 在流式細胞術(shù)中使用紫外光波長時占主導(dǎo)地位的一個主要原因。

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)光束強度被劃分為多個縱向模式，每個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，這些單個模式之間的腔內(nèi)總功率劃分是相當(dāng)隨機和動態(tài)的，這些模式的不同組合隨著時間的推移而產(chǎn)生激光，競爭可用的儲備增益，如圖 1 所示。但由于強度總和保持恒定，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態(tài)競爭是由于有源激光介質(zhì)有儲備能量導(dǎo)致的。 簡單地說，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)的時間長得多。 具體來說，釹基 DPSS 激光器的激發(fā)態(tài)壽命是微秒級的，而腔體的行程時間只是納秒級。 對于某些脈沖激光器應(yīng)用來說，儲備能量實際上是一種優(yōu)勢，因為它可以實現(xiàn)一種稱為 Q 開關(guān)的機制，這可以產(chǎn)生非常短但極強的脈沖。 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，它會導(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 波長的連續(xù)綠光輸出。

頻率加倍會產(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，其峰值功率可以比平均功率高很多個數(shù)量級，因此有效的頻率加倍(和三倍增長)很容易在激光腔的下游(即腔外)進行。 但在使用連續(xù)激光器時，獲得高強度的唯一方法是將 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數(shù)量級。 于是以前無害的模式噪聲現(xiàn)在成為了一個現(xiàn)實問題。

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態(tài)分布。

當(dāng)倍頻晶體插入 DPSS 腔內(nèi)時，會引起總功率的混沌波動。 在 OPSL 中不會發(fā)生這種噪聲機制。當(dāng)倍頻晶體插入到具有多個縱向模式的 DPSS 激光器的基本腔內(nèi)光束中時，就會在基本和倍頻輸出中產(chǎn)生混亂的強度噪聲(見圖 2)。原因是可能產(chǎn)生二次諧波(將一個縱向模式的頻率加倍)與和頻(將兩個不同縱向模式的頻率相加)。 和頻生成耦合了各個縱向模式，從而實現(xiàn)了縱向模式之間的直接動態(tài)相互作用。 來自所有縱向模式的成對互動的時間動態(tài)(在此情況下一個模式的強度取決于另一個模式的增益)產(chǎn)生了顯著的強度噪聲。 這種現(xiàn)象早就為人所知，被稱為“綠光問題”[參考文獻 1]，因為第一個廣泛使用腔內(nèi)倍頻的 連續(xù)激光器是綠光 DPSS 激光器，其中 1064 nm 的激光基波進行倍頻以產(chǎn)生 532 nm 波長的綠光輸出。

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的腔體，以便將功率分給更多的縱向模式。 其思路是通過對更多模式的噪聲效應(yīng)進行平均，降低噪聲水平。 這種“涂抹”方法對于某些應(yīng)用來說是足夠的，但對于那些對噪聲特別敏感的應(yīng)用，如載波包絡(luò)相位 (CEP) 穩(wěn)定，實踐證明是不夠用的。 當(dāng)然，它也會對依賴于單色性(即窄頻譜帶寬)的應(yīng)用產(chǎn)生負面影響。

一個更嚴謹?shù)姆椒ㄊ窃谄湓搭^上實際消除綠光噪聲。 在 DPSS 激光器中做到這一點的最直接方法是，利用一個光學(xué)器件(如校準器)使激光器在單個縱向模式下運行。 這需要對腔體進行主動熱穩(wěn)定，以及使用壓電鏡座和反饋電子材料將腔體長度和校準器性能鎖定在一起。 這都會導(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?？?。 因此在 OPSL 中，有效的上能級壽命(即腔內(nèi)行程時間的時間尺度)是幾納秒或更少。 這有兩個好處。 首先，OPSL 可以在高達 100kHz 的速度下直接調(diào)制。 更重要的是，上能級壽命短意味著在激光模式時間尺度上沒有儲備能量，而只有瞬時增益。 當(dāng) OPSL 在多個縱向模式上工作時，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間穩(wěn)定的。

因為功率分布是完全穩(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，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)之間進行權(quán)衡。 當(dāng)然，OPSL 也可以設(shè)計成單模式運行，而且Coherent為干涉測量等應(yīng)用提供了這些產(chǎn)品。 但對于 OPSL 來說，單模是針對這些高相干性應(yīng)用的一個選項，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，而且更為嚴重，因為三倍頻效率是由聚焦強度的三次方?jīng)Q定的。 對于可以接受準連續(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)頻率進行模式鎖定。一個例子是 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，對于數(shù)據(jù)存儲和活細胞分揀等應(yīng)用，脈沖輸出和/或準連續(xù)CW 操作的高峰值功率可能都會造成問題。 OPSL 技術(shù)再次提供了一個優(yōu)化解決方案，而不需要借助噪聲抑制機制(如穩(wěn)定的單模操作)。 例如，Genesis 355 激光器現(xiàn)在是公認的標準，用于滿足對于需要紫外光輸出的流式細胞術(shù)的日益增長需求，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)之間進行權(quán)衡。 造成這種噪聲的潛在機制在 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，而不會額外提高復(fù)雜性或成本。

審核編輯 黃宇