激光50年 激光器的輸出波長在光譜上不斷拓展

早期，激光用戶可選擇的波長屈指可數(shù)。隨著新的激光發(fā)射波長、諧波產(chǎn)生、可調(diào)諧激光器和非線性波長轉(zhuǎn)換等產(chǎn)品和技術(shù)的出現(xiàn)，現(xiàn)在激光用戶幾乎可以實現(xiàn)任何想要的波長。

jeff hecht

在汽車大規(guī)模生產(chǎn)的初期，亨利?福特說客戶只能購買到黑色的汽車。在激光器問世后的最初幾年，尋求可見光激光器的用戶只能獲得紅色的激光輸出。雖然不久之后人們就在實驗室中獲得了更多的激光輸出波長，但是商品化的很少，此后很多年激光用戶只有較少的波長選擇。

激光器輸出波長的拓展已經(jīng)走過了一條漫長的道路。現(xiàn)在，激光器輸出波長的覆蓋范圍已經(jīng)從量子級聯(lián)激光器實現(xiàn)的太赫茲波段一直延伸到了自由電子激光器實現(xiàn)的x射線波段。新的激光器已經(jīng)填補了光譜中的空白區(qū)，并且其中一些激光器是可調(diào)諧的。諧波產(chǎn)生、拉曼頻移和混頻技術(shù)，可以將激光輸出移至新的波長。非線性光學(xué)可以在一個波長范圍內(nèi)拓展激光形成超連續(xù)譜。盡管人們還是不能獲得任何想要的波長，但是一些大型激光展上展示的新的輸出波長依然令人印象深刻，其中有許多激光波長都是在十年前無法實現(xiàn)的。

固定波長激光器

第一代激光器的輸出屬于已知能級之間的固定波長躍遷。梅曼發(fā)明的紅寶石激光器是激光器發(fā)展歷程中的一座里程碑，這不僅是因為它是世界上第一臺激光器，而且還因為其輸出的深紅色激光輸出很容易被肉眼觀察到，這使得用它做實驗非常容易。第一臺氦氖（he-ne）激光器的輸出波長為近紅外波段的1153nm，但直到1962年貝爾實驗室的alan white和dane rigden開發(fā)出632.8nm的紅光he-ne激光器（見圖1），he-ne激光器才獲得了廣泛應(yīng)用。輸出可見紅光的氦氖激光器在科研和測量領(lǐng)域中成為了標(biāo)準(zhǔn)激光器，其應(yīng)用范圍從全息應(yīng)用到下水道水管的調(diào)整等應(yīng)用。



圖1：貝爾實驗室的第一臺紅光氦氖激光器產(chǎn)生的驚人高階模圖像。



隨后，又有其他固定波長的激光器問世，覆蓋的波長從從紅外到紫外區(qū)域，但是這些產(chǎn)品很少被廣泛使用。釹（nd）激光器成為了1.06μm的標(biāo)準(zhǔn)近紅外光源，而co2激光器則成為了10.6μm的標(biāo)準(zhǔn)光源。氬離子、氪離子和氦鎘激光器提供比氦氖激光器功率更高、波長更短的可見光輸出，但是這些產(chǎn)品的價格更高、效率更低。輸出波長為337nm的氮分子激光器成為標(biāo)準(zhǔn)的紫外激光器，直至20世紀(jì)70年代末才被稀有氣體鹵素激光器所取代。

固定波長激光器能夠達到產(chǎn)生非線性效應(yīng)并改變激光波長的高強度。1961年，密歇根大學(xué)的peter franken用紅寶石激光照射石英晶體，第一次產(chǎn)生了紅寶石的347nm二次諧波。[1]1962年，休斯研究實驗室的gisela eckhardt和同事用紅寶石脈沖照射硝基苯和其他液體時，觀察到了受激拉曼散射。[2]更短的脈沖和更高的峰值功率產(chǎn)生了更多引人注目的效應(yīng)。1970年，gte實驗室的robert alfano和sidney shapiro報道了非線性效應(yīng)混合產(chǎn)生了寬帶超連續(xù)譜，他們觀察到從400～700nm的可見光譜跨度。[3]

可調(diào)諧激光器

首次激光器調(diào)諧是通過磁場來移動能級，從而移動固定波長激光器的波長來實現(xiàn)的。此后，貝爾實驗室的joe giordmaine和robert c. miller演示了鈮酸鋰中的光參量振蕩。[4]但是，要實現(xiàn)較寬的可調(diào)諧激光輸出，還要有機染料激光器的出現(xiàn)。



圖2：麻省理工學(xué)院林肯實驗室的peter moulton利用氬離子激光泵浦鈦寶石。

1966年，ibm華生研究中心的peter sorokin和john lankard發(fā)現(xiàn)了染料激光器，他們將紅寶石脈沖照射到氯鋁酞菁染料溶液中時看到了較強的光發(fā)射。在染料盒旁邊放置一對反射鏡，產(chǎn)生的輻射太強以至于燒壞了膜上的乳膠。[5]1967年，休斯研究實驗室的bernard soffer和b.b. mcfarland邁出了制造可調(diào)諧染料激光器的下一步，用一個衍射光柵替代一面腔鏡，這樣可以選擇哪個波長在腔內(nèi)振蕩。[6]1970年，柯達公司的benjamin snavely研究小組使用氬離子激光器泵浦，實現(xiàn)了第一臺連續(xù)輸出的染料激光器。[7]

與傳統(tǒng)的單色儀相比，可調(diào)諧染料激光器可以在一個窄光譜波段內(nèi)提供高得多的功率，成為了強有力的研究工具?？烧{(diào)諧染料激光器使20世紀(jì)70年代產(chǎn)生了一系列光譜上得突破，包括1981年arthur schawlow獲得諾貝爾物理學(xué)獎的工作。染料激光器仍然是具有許多實際缺點的復(fù)雜設(shè)備，包括染料壽命和光譜范圍有限。

固態(tài)振動激光器是可調(diào)諧激光器發(fā)展中的另一大進展，其中發(fā)光離子同時改變振動和電子能級。麻省理工學(xué)院（mit）林肯實驗室的peter moulton發(fā)明的鈦寶石激光器，基本調(diào)諧范圍為675～1100nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何染料激光器（見圖2）。[8]鈦寶石激光也可以倍頻到較短的波長。



圖3：具有激光手術(shù)所需的直接帶隙的iii - v族化合物的半導(dǎo)體二極管激光器的波長與晶格間距之間的關(guān)系。

energy bandgap(ev)：能量帶隙（電子伏特）

lattice constant(nm)：晶格常數(shù)（nm）

blue：藍(lán)光

visible light：可見光

red：紅光

半導(dǎo)體二極管激光器的增益帶寬無法比擬鈦寶石激光器，但可在諧振腔中實現(xiàn)可調(diào)諧。加州大學(xué)圣巴巴拉分校（ucsb）的larry coldren發(fā)明了取樣光柵分布式布拉格反射激光器，其中一對具有不同周期的分布式布拉格反射鏡作為腔鏡。[9]電流或溫度變化可改變光柵的共振，從而調(diào)諧激光。光纖傳輸器中的軟件，可以將可調(diào)諧激光器的輸出設(shè)定在一個固定的波長。

半導(dǎo)體激光器波長調(diào)節(jié)

半導(dǎo)體激光器的輸出波長取決于發(fā)射層中材料的帶隙。早期，半導(dǎo)體二極管激光器中的帶隙由二元iii–v族化合物的性質(zhì)決定，隨后技術(shù)上的進步使得通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體的組分和結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)波長成為可能。

首先是發(fā)展三元化合物，如鎵鋁砷（gaalas），它能夠與砷化鎵（gaas）襯底晶格匹配，當(dāng)鋁的成分增加時，發(fā)射波長藍(lán)移。然而，gaalas并不能夠與gaas的晶格非常好地匹配，因此最關(guān)鍵的一步是四元化合物，如ingaasp，這提供了匹配晶格間距以及所需波長的第二個自由度。mit林肯實驗室的j. jim hsieh實現(xiàn)了這一步，1977年他報道了室溫下運行的ingaasp激光器輸出1.25μm的激光。[10]隨后不久，也是在inp襯底上，成分略有不同的ingaasp激光器問世，應(yīng)用于1.3μm和1.55μm的低損耗光纖窗口。通過調(diào)整四種元素的組分，ingaasp激光器的輸出波長覆蓋了一個重要的波長范圍（見圖3）。

通過優(yōu)化gaas襯底激光器的發(fā)射材料組分，可將其輸出波長拓展到紅光范圍，例如使用algainp可使輸出波長短至620nm。此后，1996年日亞公司（nichia）的shuji nakamura發(fā)明了氮化銦鎵（gainn）半導(dǎo)體激光器，激光跨入了光譜的藍(lán)光波段。[11]藍(lán)光半導(dǎo)體激光器目前屬于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，但綠光半導(dǎo)體激光器仍然很難實現(xiàn)。在今年1月份的photonics west 2010會議上，startup kaai公司的nakamura報道已經(jīng)開發(fā)出了523nm的ingan半導(dǎo)體激光器，填補了在半導(dǎo)體激光器在輸出光譜中的空缺。

光泵浦使半導(dǎo)體激光器能夠?qū)崿F(xiàn)其他輸出波長，同時避免了需要高電流密度通過半導(dǎo)體。這擺脫了設(shè)計上的約束，因此量子阱結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)其他激光器無法得到的波長。泵浦二極管照射薄半導(dǎo)體碟片的表面，該碟片的表面附近具有量子阱層，量子阱在外腔中共振并發(fā)光，產(chǎn)生高強度、高質(zhì)量的光束。這些裝置被稱為opsl（光泵浦半導(dǎo)體激光器）或vecsel（垂直外腔表面發(fā)射激光器），基本輸出在近紅外，可在激光腔內(nèi)倍頻成可見光。其設(shè)計可與特定波長匹配，如氦鎘激光器的441nm激光，或治療糖尿病視網(wǎng)膜病的557nm黃光。

另一種新穎的結(jié)構(gòu)是1994年由貝爾實驗室的federico capasso發(fā)明的量子級聯(lián)激光器，這種激光器中的電子在一個偏置的半導(dǎo)體中通過量子阱堆疊。[12]在每個量子阱中，電子落到導(dǎo)帶中更低的次能級，并發(fā)射一個光子，這個光子的波長取決于激光器的結(jié)構(gòu)和組成。量子級聯(lián)激光器提供了獲得中、遠(yuǎn)紅外波段難以實現(xiàn)的激光波長的方便途徑，還可用于產(chǎn)生太赫茲頻率。

其他激光源和展望

今天的激光光源目錄提供了豐富的波長，這在激光時代的前幾個十年中是很難想像的。此外，非線性光學(xué)提供了產(chǎn)生新的波長的強大工具。高功率飛秒脈沖的高次諧波產(chǎn)生，可以產(chǎn)生極紫外波段的相干光。非線性過程可以產(chǎn)生一個倍頻程或更寬的超連續(xù)譜，以及飛秒頻率梳，這是一項獲得諾貝爾獎的創(chuàng)新，能夠以驚人的精度測量光頻。

現(xiàn)在，我們甚至可以在20世紀(jì)70年代john madey發(fā)明的自由電子激光器（fel）中產(chǎn)生自由電子的受激輻射。fel原理適用于從紅外線到x射線范疇。今天，slac相干光源提供波長0.15～1.5nm的相干x射線。

激光器的輸出波長已經(jīng)走過了漫長的道路，我們現(xiàn)在有極為豐富的激光工具，用于各式各樣的應(yīng)用場合。當(dāng)然，在接下來的半個世紀(jì)，我們在拓展激光器輸出波長方面仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。

參考文獻

1. p.a. franken et al, "generation of optical harmonics," phys. rev. lett. 7, p. 118 (aug. 15, 1961).

2. g. eckhardt et al, "stimulated raman scattering from organic liquids," phys. rev. lett. 9, p. 455 (dec. 1, 1962).

3. r.r. alfano and s.l. shapiro, phys. rev. lett. 24, p. 584 and 592 (mar. 16, 1970) r.r. alfano and s.l. shapiro, phys. rev. lett. 24, pp. 1217–1220 (june 1, 1970).

4. j.a. giordmaine and r.c. miller, "optical parametric oscillation in the visible spectrum," appl. phys. lett. 9, pp. 298–300 (1966).

5. p.p. sorokin and j.r. lankard, ibm journal of research and development 10, p. 162 (1966).

6. b.h. soffer and b.b. mcfarland, "continuously tunable narrow-band organic dye lasers," appl. phys. lett. 10, p. 266 (1967).

7. o.g. peterson et al., "cw operation of an organic dye solution laser," appl. phys. lett. 17, 6, p. 245 (1970).

8. p.f. moulton, "spectroscopic and laser characteristics of ti:al2o3," josa b 3, pp. 125–133 (january 1986).

9. s. lee et al, "integration of semiconductor laser amplifiers with sampled grating tunable lasers for wdm applications," ieee quantum electron. 33, pp. 615–627 (1997).

10. j.h. hsieh and c.c. shen, "room-temperature cw operation of buried-stripe double-heterostructure gainasp/inp diode lasers," appl. phys. lett. 30, p. 429 (apr. 15, 1977).

11. s. nakamura et al., "ingan-based multi-quantum-well-structure laser diodes," japan j. appl. phys. 2, 35(1b):l74-1 (1996).

12. j. faist et al., "quantum cascade laser," science 264 (5158), pp. 553–556 (april 1994).

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梅曼的成就

2010年5月16日是世界上第一臺激光器在梅曼的實驗室中誕生50周年紀(jì)念日。梅曼發(fā)明的紅寶石激光器不但在實驗上實現(xiàn)了之前的設(shè)想，而且還為激光技術(shù)的發(fā)展完全打開了新的大門。



早前的概念將激光器設(shè)想為一個連續(xù)的光學(xué)振蕩器，具有低增益和相對中等的功率。具有優(yōu)勢的候選方案是四能級系統(tǒng)，激光躍遷產(chǎn)生于初始激發(fā)態(tài)和最終基態(tài)之間的一對能級。到1960年底，人們分別在固體（摻鈾氟化鈣）和氣體（氦氖）中實現(xiàn)了四能級激光器系統(tǒng)。

梅曼的紅寶石激光器是三能級系統(tǒng)，光激發(fā)鉻原子到高能級，隨后鉻原子躍遷到亞穩(wěn)態(tài)，最后躍遷到基態(tài)，并產(chǎn)生受激輻射。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為紅寶石不會產(chǎn)生受激輻射，因為其熒光效率低，并且很難實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但是當(dāng)梅曼獨立測試紅寶石時，卻發(fā)現(xiàn)它的熒光效率其實非常高，這讓梅曼看到了激光器的誕生希望。

隨后，梅曼運用工程創(chuàng)造力巧妙地設(shè)計出了一臺脈沖泵浦的紅寶石激光器，泵浦燈是一個攝影用的閃光燈，其在短時間內(nèi)將大多數(shù)鉻原子激發(fā)脫離基態(tài)，產(chǎn)生了所需要的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)閃光燈的脈沖功率超過激光閾值時，梅曼觀察到了人們之前預(yù)測的在激光振蕩中會出現(xiàn)的紅寶石發(fā)射譜線變窄的現(xiàn)象。

此外，梅曼還觀察到了人們未曾預(yù)測到的現(xiàn)象：當(dāng)閃光燈在小紅寶石棒中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)時，在短暫間隔期間高增益的激光器產(chǎn)生了明亮的脈沖。而且，梅曼的激光器很容易制造，在幾周內(nèi)trg inc.公司、貝爾實驗室等公司和研究機構(gòu)就運行起了他們自己的紅寶石激光器，并用吉列刀片測量脈沖功率——即激光能夠穿透的刀片的數(shù)量。

現(xiàn)在看來，梅曼的發(fā)明可能再明顯不過了，但那就是他天才的標(biāo)志。像所有的發(fā)明家一樣，他延伸了早期的工作，包括他自己開發(fā)的一個緊湊的紅寶石微波激射器。他的成功建立在對紅寶石和微波激射器的深刻理解的基礎(chǔ)之上，同時其擁有的工程技能又使得他的紅寶石激光器看起來非常簡單。梅曼的貢獻在于為激光器的發(fā)展指明了道路，讓后來人與其一起推動激光器的發(fā)展。