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認識不同類型的光源

原創 photon Thorlabs索雷博 2023-03-22 12:00 發表于上海

光只是電磁波譜中很小的一部分，但在光學研究中它不只是可見光，而是從紫外一直到遠紅外，甚至進入太赫茲。因此，實驗用的光源也有很多類型。

白光光源

白光通常是指人眼感知為白色的光，但有時泛指能產生寬帶光譜的光源，甚至不包含可見光而只包含紫外或紅外光。

白光光源不yi,定發射所有的可見光波長，也不yi,定有相同的光譜形狀。比如，將紅綠藍三個LED組合封裝在一起，或者使用一個藍光LED加磷光材料，通過吸收部分藍光并重新發射綠光和紅光，這兩種方法都能實現白光LED光源。Thorlabs還提供紫外、可見光和紅外LED，光譜范圍從245 nm到4600 nm。

下面展示了不同封裝級別的LED光源。

LED on PCB                         已安裝LED                           準直LED

對于發射連續光譜的白光光源，鹵鎢燈是一種便宜且常用的選項。白熱狀態的鎢燈絲通過黑體輻射提供從紫外到紅外的連續光譜。氙燈和汞燈也提供連續的可見光光譜，并且有一些很強的等離子譜線。它們的光譜中還包含很大一部分紫外和近紅外，使用時要注意佩戴防紫外眼鏡。由于這些光源工作時產生高溫，因此要注意防止tang,傷，而且在更換燈泡時需佩戴手套，不能接觸玻璃表面。

下面展示了Thorlabs的幾款寬帶光源。

SLS204氘燈                         SLS205氙燈                         Globar或鹵鎢燈

超連續譜激光器提供功率高很多的白光，有時被稱為zhong,極白光。超連續譜產生涉及復雜的非線性過程，將脈沖泵浦光轉換成寬帶光輸出，因此超連續激光通常是脈沖光源。中紅外超連續譜的產生尤其困難，因為飛秒泵浦激光器和非線性光纖的選項都很少。

通過摻鐿光纖飛秒激光產生超連續彩虹

SC4500

全光纖方案

一鍵開啟1.3~4.5 µm

高功率超連續譜光源

激光器

激光具有單色性、相干性和方向性等很多有用的性質。激光器根據增益介質可分為氣體、液體和固體型，根據時域波形可分為連續波(CW)和脈沖型。

理想的連續光具有確定的頻率、波長和周期，可用正弦波表示。雖然使用外部調制器能將連續光變成脈沖光，但這是一種浪費能量的方法，使峰值功率無法超過連續光功率。產生激光脈沖更gao,效的方法是通過腔內調制，將腔內存儲的部分能量瞬間釋放，以此輸出高峰值功率的激光，即使平均功率和CW激光相同。

腔外調制低峰值功率                                 腔內調制高峰值功率

實驗室常用的CW激光器包括氣體或金屬蒸汽激光器，比如氦氖、氬離子、氪離子和氦鎘等等。氣體激光器的優點包括低發散、高功率密度和窄線寬。它們需要高壓電源和te,殊氣體管，可能成本比較高，還可能需要通過風扇或循環水散熱。對于振動靈敏的測量，隔離冷卻系統的振動也會變得更為重要。

氦氖激光器及三種安裝方式

氬離子激光反射鏡                   氪離子激光反射鏡                  CO?激光反射鏡

液體染料激光器是zui,早的可調諧激光器，在失去競爭力后又開始被使用了。它們一個重要優點是很寬的波長調諧范圍，但缺點是作為增益介質的常用染料不利于健康。光參量振蕩器(OPO)等固體光學系統也能提供寬波長調諧。

固體激光器有多種形式。有些使用半導體作為增益介質，通過pn結中的電子空穴復合產生激光。有些使用摻雜離子的光學晶體、玻璃或光纖作為增益介質，比如摻鈦藍寶石(Ti:Sa)或Nd:YAG，通過電子躍遷產生激光。

二極管和量子阱激光器已經變得越來越常用。它們尺寸小，提供非常多的波長選項，只需低電壓和電流就能工作。二極管激光器輸出高發散光束，特別是高功率版本，但可使用非球面透鏡進行準直，使用變形棱鏡對或柱面透鏡將橢圓光束變成圓形光束。另外，二極管激光波長還和溫度有yi,定的相關性。

量子級聯激光器(QCL)帶間級聯激光器(ICL)輸出各種中紅外波長，因此在氣體檢測應用中具有重要作用。

不同封裝的二極管激光器或QCL/ICL

實驗室常用的CW激光器還包括二極管泵浦固體激光器(DPSS)，比如使用晶體或玻璃的塊體(bulk)激光器，以及光纖激光器，雖然DPSS不常用于描述光纖激光器。常用的DPSS是各種摻釹或摻鐿的晶體棒或光纖激光器，通過二極管激光泵浦增益介質，使之達到閾值并實現激光作用。

端泵固體激光器示意圖(rp-photonics)

DPSS激光器能提供優異的光束質量、光譜純度和穩定性，還可通過非線性轉換成其它波長。比如，Nd:YAG激光器不僅提供zui,強的1064 nm近紅外光，還可通過非線性轉換成532 nm綠光以及355 nm或266 nm紫外光。

用于Nd:YAG基頻及各次諧波的分束鏡

脈沖激光器

每個光脈沖的持續時間叫做脈沖寬度，簡稱脈寬，常見的有納秒、皮秒和飛秒。每秒內發射的脈沖個數叫做重復頻率，簡稱重頻。通過增益介質命名，我們可以有Nd:YAG、Nd:YVO?、鈦寶石以及摻鐿或摻鉺光纖激光器，等等。

二極管納秒激光器                  微片皮秒激光器                   鈦寶石飛秒激光器

通過腔內調制產生脈沖的技術有增益開關、Q開關(損耗開關)、腔倒空和鎖模。增益開關通過調制泵浦功率產生短脈沖。比如，半導體增益開關激光器通過電流調制能夠產生幾納秒到百皮秒的脈沖。雖然脈沖能量低，但是這種方法非常靈活，比如提供可調重頻和脈寬。

強納秒脈沖一般通過Q開關產生，激光在腔內幾次往返內發射，脈沖能量在幾毫焦到幾焦范圍，具體和系統大小有關。上面展示的微片皮秒激光器也屬于Q開關激光器，能以9 kHz重頻提供45 µJ單脈沖能量，或者以100 kHz重頻提供2 µJ單脈沖能量。

中等能量(一般在1 μJ以下)皮秒和飛秒脈沖主要通過鎖模產生，激光共振腔內存在連續循環的一個或多個超短脈沖，腔內脈沖每次經過輸出耦合鏡發射一個脈沖，重頻一般在10 MHz到100 GHz之間。超短脈寬可通過自相關儀等器件測量。

腔倒空技術既可用于Q開關激光器獲得更短的脈沖，也可用于鎖模激光器以較低的重頻提高脈沖能量。

一些超快激光及其波長范圍
通過非線性轉換也能產生超短脈沖

諧波產生

非線性晶體常用于激光的倍頻。比如，兩個1064 nm基頻光子可通過二次諧波產生(SHG)晶體變成一個532 nm光子。為了產生波長更短的355 nm光子，雖然可直接使用非常難的三次諧波產生(THG)過程，但實用的方法是用一個1064 nm和一個532 nm光子通過混頻產生一個355 nm光子。

1064 nm三倍頻的級聯配置(rp-photonics)

Thorlabs新推出用于飛秒激光的β-BBO可調諧二次諧波產生晶體。這些Type I晶體可用于鈦寶石、綠光泵浦光參量振蕩器和放大器、以及摻鐿和摻鉺激光器，將兩個基頻光子轉換為一個二次諧波光子。下圖展示了FSL1030X2摻鐿光纖飛秒激光通過NLC05晶體從1030 nm近紅外光變成綠光的裝置。

NLC01/02/03鈦寶石激光適用         NLC04/05/06摻鐿激光適用            NLC07摻鉺激光適用

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