Newport技术说明之激光输出特性

相干放大过程使激光具有一系列非常独特的性质。对某一特定应用而言，通常只有一个或者几个特性是非常重要的，因此，我们会分别介绍这些特性；但是，其中许多特性又是互相关联的。最常见的激光输出特性包括：波长，增益带宽，单色性，空间和时间分布，准直性，输出功率，相干性和偏振态。

▍波长

现有的大量激光器覆盖了大部分的电磁辐射谱。波长范围从紫外（UV）延伸至中红外（MIR），并且还包括其他更多能够提供从软X射线(<10nm)光谱区到远红外(FIR,>100 μm)的独特系统。激光波长（或者频率ν 0）由产生光跃迁的激光增益介质决定。能够得到广泛的波长要得益于可获得的增益介质种类的增多。此外，几乎所有的激光波长都可以被转变或者变换为另一种波长，因此，从紫外到中红外的光谱区域均可覆盖。这种光谱的灵活性使得激光系统既能够用于光刻或者半导体加工之类的短波长应用，又能够用于材料加工和分子光谱学这样的长波长应用。

▍增益带宽

激光增益介质的带宽(B ) 决定了能够发生激光放大的波长范围。增益带宽主要取决于自发辐射发生的带宽（见图5）。尽管有各种过程对跃迁谱线宽度(Δν ) 的展宽有贡献，但是一些电子跃迁（也受转动和振动影响）能够在频域上重叠，导致频带明显变宽，特别是对于图3 所示的分子或者固体系统。一些典型的增益介质的增益带宽如图1 右侧所示。气体激光器，如HeNe激光器，基于其原子能级间的跃迁，带宽通常非常窄，在1 GHz 量级。

相比之下，固体激光器，比如钛宝石Ti:Al2O3（有时称作Ti:Sapphire 或者Ti:Saph）激光器，带宽可以超过100THz，非常宽。增益带宽也由系统中的总损耗(αr)决定，因为要产生激光需要净增益（见图1，左图）。因此，实际增益带宽可能与自发辐射带宽不同。例如，调制腔内损耗是实现激光波长调谐的一种手段。此外，增益带宽不一定与输出激光束的带宽相同，因为输出激光的带宽也取决于接下来要讨论的激光谐振腔。

图1. 只有增益系数大于损耗系数（填充区域）的频率才a能够发生激光振荡（左图，[1]）。氦氖激光器、Nd:YAG 激光器和钛宝石激光器的激光增益带宽（右图，[3]）。:

▍单色性

单色性是指颜色纯度，对于激光来说是指激光的光谱带宽（有时也称作激光谱线宽度）。图2 说明了激光增益带宽和激光腔性能的组合如何决定输出激光束的带宽。只要位于增益超过损耗的窗口内，任何数量的纵模都能够发出激光。这些激光出射的模式数量等于增益带宽除以谐振腔频率间隔，由(5) 式给出：

举例来说，如果图1 所示Ti:Al2O3 激光器的全部自发辐射光谱都可以用作增益，那么N 能够超过 200,000。这是实现锁模过程的基础，用于在这些类型的系统中产生超短脉冲激光。作为选择，许多气体激光器的增益带宽非常窄，只能支持少量的纵模。在任一激光系统中，缩短腔长（或者相当于增加纵模间隔）都是一种实现单纵模激光的方法。但这种方法会为活性介质的长度设置上限，因而限制了可实现的增益。作为选择， 在腔内引入频率选择元件的技术能够在不影响总增益的情况下实现单模输出[1, 13]。 图2 给出了一个示例，其中，一个长度为d 1 的Etalon 标准具（类似于一种F-P 谐振腔）放置于激光腔内部，只有一个标准具模式适合增益带宽。这个标准具模式与激光腔模式之一重叠，只有单一纵模发射激光。这个模式的光谱宽度由激光腔的反射率和稳定性决定，可以用腔的品质因子Q 量化。精心设计的激光腔能够实现非常窄的激光带宽（< 1 MHz）。单色性高的输出对于遥感应用或者用作频率标准是非常理想的。

图2. 只有位于增益带宽内的谐振腔模式才能起振（上方），使用一个内腔标准具（一种谐振腔）实现单纵模选择（下方）[1]。

▍空间和时间分布

从激光腔出射的光束具有强度分布，这种强度分布既有横向空间上的分布又有时间上的分布。空间分布主要取决于腔的横向模式，并且是旋转对称的。每个横模有不同的空间分布；调整激光腔反射镜并在谐振腔内插入一个小孔可以有选择性地使不想要的模式产生衰减。沿着激光腔中心轴传播的最低阶横模(TEM00) 通常为理想模式，因为该模式以最小的光束发散角传输，能够聚焦成最小的光斑。以基模或者TEM00 模运转的激光器将会出射由高斯函数描述的横向光束分布。

某些激光器以连续波（CW）模式运行，其输出功率在时间上是不变的（见下文关于输出功率的章节）。相反地，有些激光器以脉冲模式运行，其输出功率有瞬变的时域分布。这些激光器通常由其时域分布的形状和宽度来表征。激光器通常发出一系列脉冲，以脉冲重复频率表征（以Hz 表示）。脉冲激光器可用于许多连续激光器性能无法满足要求的应用。有许多种产生脉冲的方法，脉冲持续时间可以在微秒(μs)、纳秒 (ns)、皮秒(ps)、飞秒(fs) 量级甚至更低。

▍准直

由于衍射效应，从任何光源发出的光都会发散。也就是说，光的横向空间分布会随着行进或者传播较大距离后而变大。激光束的发散角通常比其他光小得多，换个说法就是激光束是高度准直的。准直光有高度定向而且彼此平行传播的光子。一个激光束的高准直度源自腔镜的平行度，使光束垂直于腔内反射镜。在所有横模中TEM(00) 模的发散度最低。

与TEM(00) 模相关的高斯光束的传输如图3 所示。由于其发散度非常小，高度准直的激光能够实现各种各样的应用，包括大气遥感、天文望远镜的自适应光学，甚至月球激光测距，这要使光束传播到月球。有趣的是，激光的高度方向性也可以用来被聚焦成非常小的光斑（见图3）。一束准直的TEM00 横模通过一个聚焦元件（如透镜或者曲面镜），光斑直径会减小至与波长接近。关于聚焦激光束的物理学细节，尤其在显微镜的背景下，这种将激光束紧聚焦成高强度小光斑的能力被用于高分辨率显微镜、非线性光学、光刻甚至核聚变领域。

图3 呈高斯分布的激光束的传输：大发散角（左），中等发散角（中），小发散角（右）。虚线表示不同传输距离下的横向光斑尺寸。

▍输出功率

激光器的平均输出功率通常以毫瓦(mW)、瓦(W) 或者千瓦(kW) 为单位。对于连续激光器，输出功率不随时间变化，功率值的意义是很直观的。对于脉冲激光器，平均输出功率也可以定义为脉冲能量和重复频率的乘积。由于单个脉冲的能量被挤压在很短的时间内，另外一个称作峰值输出功率或者峰值功率的量正比于脉冲能量与脉冲宽度的商值。为了了解脉冲激光的“强大”程度，可以考虑一个100 W 的灯泡，其平均功率和峰值功率相等。一个单脉冲能量1 J、重复频率10 Hz 的10 ns 激光器，输出的平均功率是10 W，但是激光的峰值功率是1,000,000 kW。连续激光器的平均功率通常远小于100 W；然而，正是这种能够将功率限制在一束空间分布相对较小的准直光中的能力，将激光与其他光源（如灯泡）区分开来。因此，描述单位面积内功率的物理量（称作强度的参数），或者将发散角考虑在内的物理量（称作辐射度的参数），也是重要的激光特性。

图4 一束单色光分束后产生干涉条纹，一束光照射固定的反射镜，另一束照射可移动的反射镜。当反射光重新相遇时，会出现干涉图样。干涉图样的中心部分显示了激光散斑引起的颗粒度。

▍相干性

回想一下，在受激辐射过程中，激光光子是克隆的，因此它们之间的相位关系是固定的。相干性指的是单个激光束中各个部分的同相程度。相干性可分为时间相干性和空间相干性。时间或者纵向的相干性决定了不同光束能够发生干涉的容易程度。干涉是当两个波占有相同的空间并且相干时发生的现象。依据合成波的振幅比原始波更强或者更弱，称作相长干涉或者相消干涉。光束分束后、重新合束之前，每一束光传输不同的距离时，比如在干涉仪中（见图4），倘若它们仍然是相干的，将会彼此产生干涉。

纵向相干长度决定了光束保持同相的距离，与上文中单色性章节描述的激光带宽呈负相关。时间相干性对全息术和一般的干涉测量这样的应用至关重要。空间或者横向相干性指的是传输一定距离后一束激光不同空间部分的相位关系。当激光从粗糙表面反射时，空间相干性的影响通常表现为观察到的激光散斑（见图4），使得来自表面每个部分的光波彼此干涉，产生被称作散斑的颗粒状图样。有关时间和空间相干性以及这些波的特性如何影响不同干涉过程的内容。

▍偏振

偏振指的是光的电磁场中横波的振荡方向。线偏振指的是场的振荡被限制在与传播方向垂直的单一平面上。一些基于激光的应用要求线偏振光源，包括非线性频率转换、某些形式的光通信和干涉测量。因此，线偏振激光是一种很理想的情况。在激光腔外使用偏振选择元件可实现线偏振光，但是多个偏振竞争放大会在激光腔内引发噪声问题。如果激光增益介质是偏振相关的，那么在激光腔内可以产生一束单线偏振光，某些固体激光器属于这种情形。一种可供选择的方法是在谐振腔内放置一个偏振选择元件。图5 给出了一个例子，其中，布儒斯特窗片使与入射平面垂直的偏振态发生更大的损耗，而在入射平面内的偏振态没有损耗。

图5. End Mirror- 端面反射镜；Brewster windows- 布儒斯特窗片；Gain Medium- 增益介质；Output Coupler- 输出耦合镜； Polarized Laser Output- 偏振激光输出在气体激光器中使用布儒斯特窗片产生线偏振激光束。在入射平面内的偏振光透过以布儒斯特角放置的窗口片(QB)，没有反射损耗。正交的偏振模式有反射损耗，因此不会振荡[1]。