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(shí)現(xiàn)任何想要的波長。

作者：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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)的太赫茲波段一直延伸到了自由電子激光器實(shí)現(xiàn)的X射線波段。新的激光器已經(jīng)填補(bǔ)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(shí)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?yàn)樗�是世界上第一臺激光器，而且還因?yàn)槠漭敵龅纳罴t色激光輸出很容易被肉眼觀察到，這使得用它做實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jià)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(dá)到產(chǎn)生非線性效應(yīng)并改變激光波長的高強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的Robert Alfano和Sidney Shapiro報(bào)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(shí)現(xiàn)的。此后，貝爾實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)較寬的可調(diào)諧激光輸出，還要有機(jī)染料激光器的出現(xiàn)。

圖2：麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)以至于燒壞了膜上的乳膠。^[5]1967年，休斯研究實(shí)驗(yàn)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(dá)公司的Benjamin Snavely研究小組使用氬離子激光器泵浦，實(shí)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(qiáng)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(shí)際缺點(diǎn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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。

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(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn)室的J. Jim Hsieh實(shí)現(xiàn)了這一步，1977年他報(bào)道了室溫下運(yùn)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(shí)現(xiàn)。在今年1月份的Photonics West 2010會議上，startup Kaai公司的Nakamura報(bào)道已經(jīng)開發(fā)出了523nm的InGaN半導(dǎo)體激光器，填補(bǔ)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(jì)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(qiáng)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(qiáng)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(xiàng)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(xiàn)

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4. J.A. Giordmaine and R.C. Miller, "Optical parametric oscillation in the visible spectrum," Appl. Phys. Lett. 9, pp. 298–300 (1966).
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12. J. Faist et al., "Quantum Cascade Laser," Science 264 (5158), pp. 553–556 (April 1994).

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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)上實(shí)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(shí)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?yàn)槠錈晒庑�率低，并且很難實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但是當(dāng)梅曼獨(dú)立測試紅寶石時，卻發(fā)現(xiàn)它的熒光效率其實(shí)非常高，這讓梅曼看到了激光器的誕生希望。

 隨后，梅曼運(yùn)用工程創(chuàng)造力巧妙地設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室等公司和研究機(jī)構(gòu)就運(yùn)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(xiàn)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。