万字长文，看懂激光基础知识！

尽管激光器的范围从量子点到足球场大小，并利用从自由电子到固体的材料，但其基本工作原理始终是相同的。本文介绍了有关激光器如何工作以及为什么工作的基本信息。自1960年首次演示激光以来，已经过去了60多年。在最初引起人们的兴趣之后，激光一度被归类为“等待问题的解决方案”，但渐渐地，它们的应用范围已经扩大到包括DNA测序、消费电子产品制造或冻结原子周围电子运动等不同领域。如果没有激光，这些应用中的大多数都是不可能的。

要掌握激光在物理学中的相关性，需要注意的是，没有其他人造光源能产生像激光脉冲（现在低于10 ^- 16秒）那样短的脉冲（任何类型），也没有工具能以~10 ^- 15的精度测量绝对频率！由激光服务的工业制造、微电子、生物医学和仪器仪表应用非常多样化，并且依赖于独特的功能，比如产生低于光衍射极限的特征，在不影响表面的情况下修改材料的体积，或者在半空中捕获和移动单个粒子。所有光源都将输入能量转化为光。在激光的情况下，输入或泵浦能量可以采取多种形式，最常见的两种是光学和电学。对于光泵浦，能量源可以是灯，或者更常见的是另一种激光器。电泵浦可以通过直流电流（如激光二极管）、放电（惰性气体激光器和准分子激光器）或射频放电（大多数CO2激光器）实现。

在灯泡、LED或恒星等传统（非相干）光源中，每个被输入泵浦能量激发的原子根据给定的统计概率随机发射一个光子。这会在所有方向上产生波长分布的辐射，单个光子之间没有相互关系。这被称为自发辐射。

图1：自发辐射是一个随机过程，而受激辐射产生具有相同性质的光子爱因斯坦预言，受激原子也可以通过一种称为受激辐射的过程将储存的能量转化为光。

这个过程通常从一个被激发的原子首先通过自发发射产生一个光子开始。当这个光子到达另一个被激发的原子时，相互作用刺激该原子发射第二个光子（图1）。这个过程有两个重要特征。首先，它是倍增性的——一个光子变成了两个。如果这两个光子与另外两个被激发的原子相互作用，就会产生总共四个光子，以此类推。第二，也是最重要的，这两个光子具有相同的性质：波长、方向、相位和偏振。在有足够数量的受激原子存在的情况下，这种“放大”光的能力导致了“光学增益”，这是激光操作的基础，并证明了其首字母缩略词“光放大（通过）受激发射（辐射）”的合理性。广泛的固体、液体和气相材料已被发现在适当的泵送条件下表现出增益。

激光腔

激光腔或谐振器是系统的核心。在某些高增益装置（如准分子激光器）中，通过一组受激原子或分子的单次跃迁就足以启动激光作用；然而，对于大多数激光器来说，需要通过多次通过激光介质来进一步提高增益。这是沿着由一组产生反馈的腔镜定义的光轴实现的（图2）。激光介质（晶体，半导体或封闭在适当约束结构中的气体）沿着谐振器的光轴放置。这个独特的具有很高光增益的轴也成为了激光束的传播方向。另一个不同的例子是独特的长（和灵活的！）增益轴是光纤激光器。

图2:在典型的气体激光器中，增益介质呈细长的圆柱形。腔体由两个镜子限定。

一种是部分反射，允许输出光束逃逸最简单的空腔是由两个相互面对的镜子定义的——一个全反射镜和一个部分反射镜，其反射率可以在30%到接近100%之间变化。光在这些镜子之间来回反射，每次通过增益介质，光的强度都会增加。自发地向轴以外的方向发射的光子只是丢失，对激光的工作没有贡献。当激光被放大时，一些光通过部分反射器（输出耦合器）逃离腔或振荡器；然而，在平衡状态下（所谓的“稳定状态”或“连续波”），这些“光学损失”被光子在腔内连续往返所经历的光学增益完全补偿。激光器的输出恰好是输出耦合器发射的光束的一部分。在理想的激光器中，输出光束中的所有光子都是相同的，从而产生完美的方向性和单色性。

这决定了激光光源独特的相干性和亮度。单色性——光子的能量通过E = hc/λ的关系决定了它的波长，其中h是普朗克常数，c是光速，λ是波长。理想的激光发射出的光子能量完全相同，波长也相同，而且是完全单色的。许多应用都依赖于单色。例如，在电信领域，几个波长稍微偏移的激光器可以在同一根光纤中以平行的脉冲流传输，而不会产生串扰。真正的激光并不完全是单色的，因为几种增宽机制会使发射光子的频率（和能量）变宽。例如，自由运行的YAG激光器可以具有几十千兆赫的线宽，而稳定的二极管泵浦YAG激光器可以具有<1 kHz的线宽。这些展宽机制中最著名的是多普勒展宽，它由组成活性气体介质的原子集合中的速度分布决定。相干性——除了具有相同的波长外，构成理想激光束的光子都是同相位的（图3），或“相干的”，从而产生以均匀波前传播的电场。理想的表示是平面波沿给定方向以平坦波前传播，并且垂直于该方向的每个平面在给定时间经历相同的电场和磁场振幅和相位。

当两个具有这种特征的波相互作用时，就会产生干涉图案，就像杨的实验一样。真实的激光束在某种程度上偏离了这种理想的行为，但它们仍然是最接近理想的相干平面波的光源，并且它们使依赖于光干涉的许多应用成为可能。例如，精密透镜和镜子的表面是用激光干涉仪测量的，用于追踪和探测引力波的几英里长的干涉仪的干涉模式的微小变化也是如此。

图3：激光与传统光的不同之处在于，所有光波都是同相的

亮度（或者更准确地说，亮度）——激光和传统光源之间最明显的区别是，所有发射的光都以强光束的方式沿同一方向传播。亮度定义为每单位表面面积和单位立体角离开光源的光量。像太阳这样的恒星从单位表面积上发射出大量的辐射，但这些辐射是向许多不同的方向发射的。相反，激光束是高度定向的，其结果是它的亮度比地球表面所经历的太阳要强烈得多。由于这个原因，仅仅5毫瓦的激光笔的功率就比阳光直射对眼睛更“致盲”（也更危险）。由于其高辐射率，激光束可以投射很远的距离或聚焦到一个非常小的点上。精心设计的激光器产生的光束只会以衍射定律规定的最小量膨胀（“发散”）。例如，衍射要求激光束可以产生的最小光斑大约等于其波长。

连续波激光器

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4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4（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

W~150 GHz（相当于波长差~0.3 nm）。

图4：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5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5：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。

脉冲激光器

一些材料，如含有卤素的惰性气体的激发二聚体（或“激基体”），如ArF和XeCl，只能在几十纳秒的短时间内维持激光作用。其他激光器，如Nd或Yb二极管泵浦固态（DPSS）激光器，适合在CW或脉冲操作中运行。其他激光器，如激光二极管或OPSL，根本不适合脉冲操作。在此背景下，我们将其定义为产生0.5至500纳秒脉冲的“脉冲”激光设备。该制度适用于时间分辨科学实验，尤其适用于与烧蚀或其他类型的非热材料改性相关的各种制造工艺。

纳秒脉冲激光最重要的特性是能够非常快速地“存储”和释放能量；即以纳秒为尺度使得激光输出可以实现数十千瓦至兆瓦的峰值功率。正是这种高峰值功率使材料的烧蚀处理成为可能。此外，高峰值功率能够实现许多所谓的光学非线性过程，如谐波产生和光学参量放大。操作纳秒脉冲激光器与操作CW激光器有很大不同。为了构建和产生每个脉冲，光在激光腔内只有很少的往返时间，而迄今为止描述的基于部分透射镜的简单双镜腔无法产生这些高能短脉冲。

产生这些高能脉冲的关键是通过阻止激光增益和放大过程，将泵浦的能量存储在激光介质的原子或分子中。然后，当存储的能量达到最大值时，激光作用迅速启动：存储的能量导致极高的激光增益（放大），仅在几次往返中发生，在此期间，一个巨大的脉冲积聚并通过部分透射镜耦合。这种状态被称为调q操作，可以被概念化为双镜腔，其中一个反射镜和激光介质之间有一个光学门（图6）。

当门关闭并且激光介质被泵浦时，光子不能在腔中循环，并且原子的激发增强；一旦栅极打开，光子就开始通过受激发射积累起来，每次往返都有很大的增益；其中的一小部分（约20%至40%）通过部分透射镜耦合。结果是一个脉冲，其上升时间非常快，下降时间较慢，典型持续时间为1至200纳秒。脉冲持续时间取决于几个参数：增益介质的类型及其可以存储多少能量、腔长、脉冲的重复率和泵浦能量，仅举最重要的几个参数。工业中常用的调Q激光器可以产生高达数十或数百瓦的平均功率，重复率低至10Hz或高达300kHz。大多数工业过程都在数万赫兹到数百赫兹的范围内。

图6：显示固态激光器中Q开关工作原理的示意图

实际的调q装置是声光调制器或电光调制器（EOM）。两者都使用晶体，其中外加电场会对晶体的光学性质产生一些扰动。在声光调制器的情况下，施加的电场是一个射频电压，在晶体中产生高频声波。这种声波衍射激光中的光子，防止激光放大。

相反，EOM使用施加的高电压来改变晶体折射率并改变入射光的偏振；可以在腔中放置偏振敏感光学器件的适当组合以仅允许改变偏振的光循环，从而在向EOM施加电压时发射ms脉冲。其他类型的激光器，如准分子激光器，不需要调q来产生纳秒脉冲，而是依赖于瞬态泵浦脉冲：准分子激光脉冲是通过用强大而短的放电激发稀有气体/卤素混合物来产生的。钛蓝宝石激光器也可以产生纳秒级脉冲，如果它们被频率加倍的调q YAG激光器产生的纳秒级绿光脉冲泵浦的话。这种方法被称为增益开关，因为直接改变的是腔增益而不是腔损耗。

除了大量的工业应用外，调q激光器在科学研究中也有重要的应用。一种是通过在1-10 kHz使用调q Nd:YAG或Nd:YLF的倍频（绿色）输出泵送Ti：蓝宝石超快放大器（在下一节中描述）。另一种是使用YAG或YLF激光器在1-100赫兹的焦耳范围内产生每脉冲的能量。这些激光器通常与非线性光学发生器一起使用，可以在紫外，可见光和红外区域产生可调谐的波长，从而实现时间和波长分辨的研究。

现在大多数YAG或YLF激光器工作在bbb1khz二极管泵浦，而高能10至100赫兹系统需要泵浦与闪光灯，因为二极管不适合产生高能输出脉冲。在某些科学应用中，可能需要窄线宽调q激光器。在某些情况下，这可以使用光学光栅和标准子的组合来完成；在其他情况下，激光可以用低功率连续波或调q窄线宽激光器“播种”，这比高功率阶段更容易控制。这种方法称为“注入播种”，使用MOPA（主振荡器，功率放大器），从概念上将线宽选择和大功率产生分为两个阶段，并针对这两个目的进行优化设计。

超快激光器

超快激光器通常被定义为产生5fs到100ps（1飞秒= 10^−15秒）范围内脉冲的激光器。如果激光能够在许多纵向模式中振荡，那么这种短脉冲可以通过所谓的锁模技术产生。利用这种技术，模式被锁定在相位（锁模状态），它们的相干干涉导致腔内光场坍缩成一个在激光腔中来回传播的单脉冲。每次脉冲到达输出反射镜时，部分脉冲被耦合出来并可用。物理学表明，干扰的模式越多，脉冲持续时间越短（图7）。由于更大的激光带宽支持更多的振荡模式，脉冲持续时间与激光增益材料的带宽成反比。

在没有色散的情况下，这些脉冲是时间带宽受限的，即在给定带宽下具有尽可能短的长度。超快脉冲在研究中非常有用；由于脉冲持续时间短，峰值功率高，20世纪90年代飞秒激光器的出现使开创性的研究获得了诺贝尔奖，并获得了飞化学（泵浦探针光谱学）和光梳的产生。飞秒激光也使多光子激发（MPE）技术能够提供活体组织的三维成像。MPE现在被广泛应用于生物研究的几个领域，最著名的是神经科学。许多重要的应用需要使用再生放大或主振荡器功率放大器（MOPA）方法中的一种来放大超快脉冲。

脉冲放大通常需要降低重复率，因此脉冲拾取器选择要在一个或多个放大级中放大的振荡器脉冲。在飞秒激光器的情况下，放大脉冲的峰值功率会破坏激光光学。出于这个原因，通常在放大之前将脉冲（啁啾）拉伸到50到200 ps。然后将放大的脉冲重新压缩到fs域。这通常被称为啁啾脉冲放大，或CPA。在科学研究中，放大的超快脉冲被用于广泛的应用。这些包括光化学、泵浦探测光谱、太赫兹（THz）产生和产生加速电子和其他小带电粒子。这些脉冲还可以驱动非线性产生脉冲宽度为数十阿秒的极端紫外光。

在工业应用中，放大的超快脉冲越来越多地用于需要烧蚀或材料改性而没有任何残余热效应和/或在亚微米空间尺度上的材料加工应用。例子包括平板显示器生产中的薄膜图案化。超快激光也越来越多地用于切割触摸屏的钢化玻璃，使用一种称为细丝切割的工艺，这是其他激光无法完成的。这种方法可以产生无与伦比的边缘质量，并可以创建弯曲的形状和切割。

超快激光材料

直到最近，科学超快激光器主要依靠钛：蓝宝石（Ti:蓝宝石），因为它具有大带宽和宽调谐范围；交钥匙商用钛宝石激光器可以提供短至6飞秒的脉冲。钛宝石激光器通常使用绿色波长CW

泵浦激光器

进行泵浦。钛宝石振荡器的典型重复频率为50至100 MHz，峰值功率高达几百千瓦。最常见的基于钛蓝宝石的CPA系统工作在1至10 kHz，放大器级由纳秒绿色激光器供电。钛：蓝宝石CPA系统的独特之处在于，它们能够产生几毫焦耳的脉冲能量，脉冲宽度短至20fs。基于钛宝石的定制CPA系统可以产生甚至数拍瓦的峰值功率。

工业超快激光器通常需要高重复率和高功率，以便在应用中保持经济可行的吞吐量。直到最近，其中大多数都是基于掺钕块状材料（例如，YVO4， YAG或玻璃）的MOPA系统。这些激光器和放大器已被证明可以提供必要的功率和工业可靠性组合。然而，Nd的增益带宽越小意味着它们被限制在10ps范围内。它们的高峰值功率和高重复率适用于精密微加工应用，特别是薄膜和/或化学强化玻璃等坚韧材料，使用刚才提到的成丝方法。

图7:当大量在同一位置都有“零”的激光模式发生干涉时，产生的叠加是一个非常窄的脉冲

在过去的10年里，使用镱（Yb）的飞秒激光器和放大器已经可以满足科学和工业领域不断变化的市场需求。Coherent的摩纳哥系列Yb基MOPA就是一个例子。掺镱材料在一定程度上结合了钛蓝宝石科学激光器和钕基工业激光器的优点。对于科学研究，Yb的增益带宽意味着振荡器脉冲可以短至50秒，这对于许多应用来说是绰绰有余的，特别是在MPE显微镜中。

与Ti：蓝宝石不同，Yb可以直接二极管泵浦并以光纤格式使用，与通常受冷却和热透镜问题限制的体增益材料相比，具有更高的可扩展性。这意味着yb光纤mopa型放大器可以提供高达数十MHz的灵活重复率。当用于泵浦光学参数器件时，所得到的输出从紫外到中红外波长完全可调，为先进材料光谱学或功能性生物成像等应用提供了优势。值得注意的是，对于需要极短（<50秒）脉冲宽度和/或高脉冲能量的科学应用，钛蓝宝石目前仍然是首选的增益材料，在可预见的未来，这两种介质将共存。

对于工业应用，yb光纤放大器的主要吸引力是在飞秒范围内的高峰值功率和高平均功率的组合，不像具有皮秒脉冲宽度的Nd系统。飞秒激光脉冲在材料加工方面比皮秒脉冲有两个优点。首先，飞秒脉冲的持续时间比在材料中建立热传导所需的时间短一个数量级，这与纳秒脉冲不同。其次，短脉冲和非线性相互作用意味着fs脉冲可以提供比ps脉冲更好的边缘质量和精度。因此，yb光纤放大器在电子和显示器中发现的混合层基板（例如，玻璃上的聚酰亚胺）的微加工中迅速找到应用。

图8:啁啾脉冲放大器（CPA）的基本元件和操作

倍频和谐波产生

即使有广泛的商用激光器选择，也不可能总是找到一个与特定应用所需的波长完全匹配的激光器。钛蓝宝石激光器可广泛调谐，但在大多数情况下，它们对于工业应用来说过于复杂，并且无法达到光谱中最重要的紫外区域。opsl很简单，可以设计在920- 1160纳米范围内的许多波长，但不适合脉冲操作。为了在几乎任何工作状态下获得所需的波长-连续波，脉冲或超快-谐波频率转换和参数生成过程在与迄今为止描述的激光器结合使用时提供了波长灵活性。所有这些过程都是相互关联的，因为它们的强度非线性地依赖于激光的峰值功率，所以被称为非线性光学过程。

也就是说，它们与激光峰值功率的平方、三分之一或更高的功率成正比。简单地说，当一束强烈的和/或紧密聚焦的激光束穿过合适的晶体时，它的振荡电场以几种方式与晶体的电子相互作用。其中一种机制会扭曲晶体中的电子云，从而使原子以与激光束相同的频率偏振，但频率也是激光束的两倍（非线性偏振）。这个频率对应的波长是入射激光的一半。非线性极化比线性项小得多，但它取决于激光峰值功率的平方，因此在强激光脉冲存在时增加得更强。它产生的光场频率是原激光束的两倍，其结果是部分入射激光功率将被转换为原波长的一半（二次谐波产生（SHG）或倍频）（图9）。由于必须守恒能量，SHG光束的任何增益都是以原光束功率的降低为代价的。

在某些情况下，有可能实现原始（“基”）光束几乎完全转换为其二次谐波。常见的SHG晶体有BBO、LBO和KDP。SHG最常见的例子是将基于nd的激光红外输出在1064nm转换为532nm（绿色）的绿色输出，构成最流行的可见波长，普遍用于泵浦Ti：蓝宝石激光器。

图9:二次谐波发生晶体的基本功能

只有在“相位匹配”的条件下才能实现高效的SHG。在大多数情况下，新频率的光会被重新转换到原来的频率，失去或根本不加相来产生任何相当大的功率。这个困难是通过选择晶体温度和取向来克服的，这种晶体温度和取向创造了所谓的相位匹配条件，在这种条件下，基频光和二次谐波光的相速度是相同的。这是通过在晶体中选择特定的传播方向（通常是温度和波长的函数）来实现的，这样两种波就能以相同的速度传播。

SHG过程的扩展是三次谐波发生（THG），其中入射波长三分之一处的波长是由SHG光束与其基波的相互作用产生的；以及四次谐波发生（FHG），其中SHG光束再次被倍频。所有这些谐波过程都可以概括为频率混合，其中不同波长的两个相干光束被混合以产生和频和差频生成（分别为SFG和DFG）。谐波产生可以应用于连续波、脉冲和超快激光器，大大扩展了可用波长的范围。

脉冲或超快激光有足够的峰值功率（千瓦范围），以实现相对较高的转换效率，在一次通过谐波晶体。另一方面，连续波激光器通常不能产生足够的功率来产生有效的谐波，因此晶体中的功率必须通过将非线性晶体放入激光腔内（“腔内加倍”）来增强，或者在晶体周围建立一个与原始连续波激光腔的模式相匹配的特殊腔（“谐振加倍”）。

光学参量生成

在前一节描述的和频率混合过程中，两个不同频率的光子相互作用，产生一个频率为两个初始频率之和的单个光子。相反的过程也是可能的：单个光子与合适的晶体相互作用并消失，产生两个能量更低且不同（称为“非简并”）的光子。这个过程被称为光学参量生成，它是有用的，因为它产生了两个新的可调谐波长，它们仅受能量和动量守恒以及非线性晶体折射率n的约束：νp = νs + νi

1/(npλp) = 1/(nsλs) + 1/(niλi)下标p、s和i指的是泵浦波长和两个新波长，这两个新波长（由于历史原因）被称为“信号”和“空闲”，信号波长是两者中较短的一个，并且都比泵浦波长长。当晶体中三个波长np、ns和np的折射率满足上述动量守恒方程时，相位匹配发生。这可以通过改变晶体的温度或角度或泵浦波长（如果泵浦激光是可调谐的）来实现，以便在所需的信号或空闲波长处进行相位匹配。虽然SHG光束的波长是由泵浦波长确定的，但OPG过程可以产生无限组波长对。波长对的放大不仅需要在晶体中进行相位匹配，而且需要从波长对统计分布的噪声中“跳起”这一过程。这正是在光学参量振荡器（OPO）或光学参量放大器（OPA）中发生的事情，这两种先进的激光配件都能够产生从中紫外到中红外的可调谐输出。

在OPO中，信号和可能的泵浦在类似激光的腔中谐振，其中所需的信号波长从噪声（信号/闲散对的随机分布）开始，并在每次往返期间通过与该波长相匹配的晶体进行放大（图10）。在OPA中，蓝宝石或YAG圆盘被泵浦以产生一束相对明亮的白光，顾名思义，它包含了可见光和近红外光谱的所有波长。当OPA晶体被泵浦激光器泵浦时，OPA晶体中相位匹配的唯一波长对将被放大。

图10:光学参量振荡器（OPO）将输入光子转换为具有较低能量的两个光子，并保存输入的能量和动量纳米、皮秒和飞秒opo是与脉冲和超快泵浦激光器一起实现的复杂器件。

连续opo即使不是更复杂，也同样复杂。opa更容易设计和制造，但需要一个能量更高的泵来产生白光和晶体中的单通放大。由于这个原因，它们被CPA皮秒或飞秒放大器泵浦，产生至少几微焦耳。在OPA/OPO中添加一个或多个谐波生成和混合阶段，产生的波长范围可以覆盖200 nm至20 μ m。

常见激光器类型

多年来，最常见的连续波激光器是氦氖激光器，简称氦氖激光器。这些低功率激光器（几毫瓦）使用放电在玻璃管中产生低压等离子体；几乎所有的都发出633纳米的红光。近年来，大多数氦氖应用已经转向可见激光二极管。典型的应用包括条形码读取器、建筑和木材行业的校准任务，以及从医疗手术到高能物理的一系列瞄准和指向应用。

事实上，激光二极管已经成为迄今为止最常见的激光类型，在整个电信和数据存储（例如，dvd, cd）中真正大量使用。在激光二极管中，电流在pn结中产生电荷载流子（电子和空穴）。它们结合并通过受激辐射发光。激光二极管可以作为功率高达几十瓦的单发射器，也可以作为具有许多单独发射器的单片线性棒。这些棒可以组装成二维阵列，总输出功率在千瓦范围内。它们用于连续波和脉冲操作，用于所谓的直接二极管应用。但更重要的是，激光二极管现在是许多其他类型激光器的基础，它们被用作光泵，执行初始的电光功率转换。

例如，高功率可见光和紫外连续波应用最初是由氩离子和氪离子激光器支持的。基于在高电流下工作的等离子放电管，这些气相激光器体积大，效率低，产生大量的热量，必须主动消散。管也有一个有限的寿命，因此代表一个昂贵的消耗品。在大多数以前的应用中，发射蓝色或绿色波长的离子激光器被DPSS激光器所取代。在这里，增益介质是由一个或多个激光二极管泵浦的掺钕晶体（通常是Nd:YVO4）。

1064nm的近红外基波然后通过使用腔内倍频晶体转换为532nm的绿色输出。反过来，DPSS激光器也受到了一些新技术的挑战，其中OPSL最为成功。这里的增益介质是由一个或多个激光二极管泵浦的大面积半导体激光器。OPSL具有许多优点，最显著的是波长和功率可扩展性。具体来说，这些激光器可以设计成在几乎任何可见波长下工作，最终将应用从有限的传统波长选择的限制中解放出来（即氩离子激光器的488和514 nm以及倍频YAG激光器的532 nm）。

事实上，opsl代表了激光器的范式转变，因为它们可以根据应用的需要而不是相反。OPSL现在是低功耗生物仪器应用的领先技术，最显著的是488纳米；OPSL技术的功率可扩展性和固有的低噪声现在正使多路绿色和黄色OPSL有力地进入其他应用，包括科学研究、法医、眼科和灯光秀。虽然YVO4和其他钕晶体主体适合在CW、调Q和锁模操作中运行，但激光二极管、OPSL和离子激光器不支持Q开关操作，几乎不用于锁模状态。波长较长的二氧化碳（CO2）激光器采用等离子体放电技术，发射的中红外波长约为10µm。大多数是连续波或伪连续波，商业输出功率从几瓦到几千瓦。类似的技术是一氧化碳（CO）激光器，它最初是在20世纪60年代开发的，但直到2015年才真正用于工业用途。CO激光器发射光谱范围为5 ~ 6µm。

与CO2激光器相比，这种波长较短的中红外输出为某些应用提供了两个重要优势。首先，许多金属、薄膜、聚合物、PCB介质、陶瓷和复合材料在较短波长处表现出明显不同的吸收，这有时可以被利用为优势。其次，由于衍射，它们可以聚焦到更小的光斑尺寸，这与波长成线性比例。总之，这些特性使CO激光器在一些玻璃加工，薄膜切割和陶瓷刻划应用中提供卓越的结果。另一项重要技术是光纤激光器，它可以以CW、Q开关和锁模格式工作，通常发射约1μm（当光纤掺杂镱时）。在光纤激光器中，谐振腔由大模面积、

双包层光纤

（外包层含有掺杂剂）和用于谐振腔镜的光纤布拉格光栅形成。这是由一系列二极管激光器从两端泵浦的，其输出通过光纤耦合到增益光纤中。光纤激光器有几个重要的优点。首先，输出是天然的光纤传输，这使得它很容易与许多激光机床耦合，并将激光与机器人传输系统集成。其次，光纤激光束的质量足以将其耦合到小光纤中，允许光束聚焦到小点上，以获得金属焊接、切割和其他工业过程所需的高功率密度。光纤激光器的结构也有利于功率缩放。

一组泵浦和增益光纤通常可以产生高达数千瓦的输出功率，但也可以使用光纤组合器来实现功率缩放，实现超过10千瓦的输出功率。最后，与CO2和固态激光器相比，光纤激光器具有高的壁塞效率（将输入电能转换为激光），并且维护要求也很低。这降低了拥有成本。Nd:YVO4, Yb:YAG, CO2，掺镱光纤和直接二极管激光器是工业激光器应用的主力。直接二极管激光器，特别是，提供最低的成本每瓦的任何工业激光类型，以及最低的运行成本，由于其高的电效率。直接二极管激光器主要服务于低亮度应用，如热处理、熔覆和一些焊接应用。缺点是，高功率激光二极管或阵列无法提供任何接近其他类型的激光所提供的衍射限制光束。平板放电技术的出现使得CO2激光器的尺寸功率比大大降低，提高了其在亚千瓦级应用中的实用性。低成本波导设计也支持功率在几十瓦的CO2激光器的健康市场，主要用于标记和雕刻应用。在过去的十年中，高功率光纤激光器（bbb1kw）在4- 6mm厚度范围内的金属切割应用中占据主导地位，因为它们通常具有出色的效果，并且比同等功率的CO2激光器维护成本更低。

此外，近红外光纤激光器在切割某些金属时是有利的，如铜、铝和黄铜，这些金属由于其在远红外中的高反射率而难以用二氧化碳切割。二氧化碳激光器继续用于更厚的材料，但这主要是因为已经针对这种激光器优化了工艺，制造商在改变生产工艺方面进展缓慢。然而，这种情况可能会随着时间的推移而改变。1千瓦及以下的CO2激光器仍然用于一些较薄的金属（2至4毫米）切割应用。当必须加工金属和非金属时，CO2激光器仍然是首选。这是因为它们较长的波长被广泛的非金属材料很好地吸收，包括木材、纸、皮革、布、塑料和许多其他有机物，而近红外光纤激光输出则不然。Nd:YAG可为金属焊接和切割等材料加工应用提供峰值功率。

在这些重工业应用中，原始功率比光束质量更重要，多年来，这些激光器都是用灯泵浦的。如今，这些激光器大多已被二极管泵浦镱基光纤激光器和磁盘激光器所取代，输出功率高达20千瓦。手电筒泵送Nd:YAG， Er:YAG和Cr:Tm:Ho:YAG仍在医疗应用中使用，其中需要以数十赫兹的重复频率在焦耳范围内的脉冲能量。在这种高能量的工作状态下，二极管泵浦是不划算的。相反，低功率调q DPSS激光器主要基于Nd:YVO4。这些通常针对高光束质量的微加工和微结构应用进行了优化，具有高重复率（高达250 kHz），以支持高通量工艺。

它们的功率高达数十瓦，可选择近红外（1064纳米），绿色（532纳米）或紫外线（3555纳米）输出。紫外线在制作“精致”材料的小特征方面很受欢迎，因为它可以聚焦到一个小点，并最大限度地减少外围热损伤。深紫外（266纳米）版本已开始在某些应用中使用，但其相对较高的成本和对特殊光束传输光学器件的需求导致许多潜在应用依赖于针对短脉冲持续时间优化的355纳米激光器，这可以在许多材料中产生类似的结果。准分子代表了另一种重要的脉冲激光技术。

它们可以在整个紫外线中产生几个离散的波长；根据气体组合，发射范围从157到348纳米。193nm的深紫外线是半导体工业中光刻工艺最广泛使用的光源。308 nm波长用于高性能显示器中硅的退火。相同的波长也是在高性能柴油发动机的缸套上产生独特的长磨损表面的关键。最后，准分子具有产生高脉冲能量的独特能力-每个脉冲高达1焦耳。这使得可以直接写入低成本的电子威廉希尔官方网站 ，用于医疗一次性用品等应用。如前所述，用于科学应用的超快激光器主要由钛蓝宝石组成。超快激光也是微加工和其他高精度材料加工应用的快速发展技术。虽然在商业上可用的工业超快激光器的形式和结构上存在一些多样性，但它们都使用某种基本配置。

具体来说，一个被动锁模振荡器被用来产生脉冲宽度约为几ps或更短的输出，这是驱动光消融所必需的。然而，大多数锁模振荡器以几十兆赫的重复率产生相对较低的能量脉冲（在纳焦耳范围内）。当脉冲与脉冲重叠在50%到70%的范围内时，微加工的最佳效果达到。换句话说，在下一个超快脉冲到达之前，光束偏转机制将光束移动约三分之一的光束直径。因此，几十兆赫兹范围内的重复频率太高，无法与现有的扫描技术一起使用，因此脉冲拾取器选择这些脉冲的一小部分。然后，这些脉冲的能量在放大器中增强以产生最终输出。大多数商用皮秒和飞秒产品基于以下架构之一：

光纤激光振荡器，随后是基于光纤的前置放大器和光纤或棒状光纤放大器。

光纤激光振荡器，后面是基于光纤的前置放大器和一个或多个体放大器。

二极管泵浦固态振荡器，后面是体放大器。

全光纤（振荡器和放大器）方法具有成本相对较低的优点，并具有鲁棒性的潜力。最大的负面影响是光纤放大器中的非线性和热效应将最大每脉冲能量和平均输出功率分别限制在约100µJ和100 W（在亚ps脉冲宽度和使用CPA时）。这种水平的脉冲能量可以满足当今大多数微加工应用。为了实现更高的脉冲能量和更高的输出功率，需要为一些目前和许多未来的应用，光纤振荡器可以配合一个体放大器。如果本体放大器的增益较低，如掺杂镱的棒型或盘型放大器，则使用再生放大器。

在再生放大器中，脉冲要经过大量的传递（最多150次）来提取存储在放大器介质中的能量。从低增益放大器中提取能量的能力允许使用大光束区域来实现数百兆焦耳的非常高的脉冲能量和多千瓦范围内的输出功率。第三种方法是将光纤振荡器与基于光纤的前置放大器和具有高增益的体二极管泵浦固态放大器结合使用，通常使用Nd:YVO4（用于10ps脉冲）或Yb:YAG（用于sub-ps脉冲）作为增益介质。这些几何结构已经证明了在100-W范围内的输出功率，在Yb:YAG的情况下，高达kW水平。

最后，存在许多其他类型的利基和奇特激光器，这些激光器超出了本文的范围。示例包括用于电信的拉曼激光器、用于某些气体传感应用的量子级联激光器以及往往仅限于军事项目的化学激光器。

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审核编辑 黄宇