激光光源之二極管激光器與OPO激光

二極管激光器

近年來，二極管激光器(diode laser)技術(shù)取得了一些顯著進展。二極管激光器體積小且廉價，具有開發(fā)激光原子光譜分析儀器的良好前景。目前，其主要的缺陷是在光譜藍端發(fā)射的激光穩(wěn)定性 不夠，且使用壽命短。

下圖所示是典型的小型半導體激光器(300μm× 250μm× 125μm)的結(jié)構(gòu)示意圖。激光介質(zhì)是一個空間狹窄的薄層。當注入電流通過二極管的活性 p-n 結(jié)時，電子和空穴都移向 p-n 結(jié)并在那里重新結(jié)合而輻射出光子。如果電子和空穴的密度足夠大，這個輻射又能夠激勵電子和空穴的重新結(jié)合而產(chǎn)生受激輻射。與其他類型激光一樣，當輻射的放大超過損失時，就會產(chǎn)生激光。

半導體材料決定輸出激光的波長范圍。通過改變二極管電流和溫度，可以調(diào)諧二極管激光器的輸出波長。改變電流大約可以在 3nm 的波長范圍內(nèi)調(diào)諧，而溫度從-20°C改變到60°C可以在大約 20nm 的波長范圍內(nèi)調(diào)諧波長。下表給出了一些重要半導體激光器的材料及其輸出激光波長或波長范圍。

重要半導體激光器的材料及其輸出波長

半導體激光器與普通激光器相比還有很多優(yōu)點。它是目前所有激光器中體積最小、效率最高的一種激光器，而且操作簡單，使用壽命長（約105h）但是它也存在很多不足之處：首先，二極管激光器的可調(diào)諧波長范圍只有20nm 左右，這就意味著要獲得寬的波長范圍，就需要很多二極管激光器；其次，二極管激光器的可用輸出波長通常在紅區(qū)和近紅外區(qū)，盡管能得到波長更短的藍光，但是 要以高成本、低穩(wěn)定性和低壽命為代價；第三，二極管激光器的輸出波長對溫度的依賴性很大，所以二極管的溫度變化需要穩(wěn)定在幾 mK 范圍內(nèi)。 

OPO 激光器

OPO 激光器是基于光學參量振蕩（optical parametric oscillation， OPO）的一種固體激光器，其工作物質(zhì)是非線性光學材料， 如 BBO 晶體 β-BaB2O4）。OPO 是一種非線性光學過程，即三個光波在合適的非線性光學材料中產(chǎn)生非線性相互作用。

 這種相互作用的三個光波的頻率（w）和波矢量（K，動量矢量）必須滿足能 量和動量匹配條件，即w1=w2+w3, K1 =K2 +K3，如上圖所示， 一個高頻率的光子（w1）通過 BBO 晶體時，就能產(chǎn)生兩個較低頻率的光子（w2 和w3）。將反射鏡放在 BBO 晶體的兩端就能構(gòu)成頻率為 w2 或 w3 或是同時有這兩個頻率的光學諧振腔。通過改變晶體的角度或溫度，可以達到調(diào)諧輸出頻率的目的。目前，OPO 激光器輸出激光波長范圍從紫外到近紅外連續(xù)可調(diào)，而且輸出能量高，自動化程度也高。Michel 等將 OPO 激光應(yīng)用于火焰和電熱原子化 LEAFS 中，實現(xiàn)了 LEAFS 多元素順序連續(xù)測定，提高了 LEAFS 的分析速度。由于在寬波長范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，只要能夠被有效原子化的元素都能用 LEAFS 法進行測定，擴大了 LEAFS 可測元素范圍。