波长可调谐激光器
在激光技术领域，大多数传统激光器只能输出单一或少数几个固定波长的激光。然而，科学研究和工业应用常常需要能在一定光谱范围内连续、精确调谐的激光源。可调谐激光器应运而生，它如同一把可以随意调节的“光学尺”或“颜色笔”，为我们探索物质特性、传递信息以及进行精密测量提供了前所未有的灵活性。
1.波长调谐的原理
波长可调谐激光器通过某种物理机制，主动可控地改变激光器输出的中心波长。其基本原理主要基于激光产生的三个条件：受激辐射、粒子数反转和谐振反馈。调谐的本质是改变激光器的谐振腔条件或增益介质的增益谱。
可调谐激光器的原理图
2.波长调谐的主要技术途径
2.1控制谐振腔损耗
这是最常用的方法。在激光谐振腔内引入一个波长选择元件（如光栅、棱镜、法布里-珀罗标准具等）。通过物理旋转或电学调节该元件，只让特定波长的光在腔内满足振荡条件（即损耗最小），而其他波长的光被抑制，从而实现波长的选择和调谐。
2.2调节增益介质
某些增益介质（如染料、半导体等）本身具有很宽的增益谱。通过改变泵浦条件、温度或施加外部场（如电流、磁场），可以改变其增益谱的中心位置或形状，从而实现输出波长的调谐。
2.3非线性频率变换
利用非线性光学晶体（如PPLN，周期极化铌酸锂），将固定波长的激光转换为新的波长（如倍频、光参量振荡）。通过调节晶体的温度、角度或极化周期，可以实现输出波长的宽范围调谐。
3.波长可调谐激光器的分类
根据其结构和调谐机制，波长可调谐激光器可分为以下几大类：
3.1分布式反馈激光器与分布式布拉格反射激光器
在半导体激光器的有源区内或附近制作一个布拉格光栅。通过改变注入电流或温度，利用等离子体效应和热效应改变光栅的有效折射率，从而改变其布拉格波长，实现波长调谐。调谐范围较窄（几纳米到十几纳米），但调谐速度快（纳秒到微秒级），线宽窄，体积小，非常适合高速光纤通信系统。
3.2外腔二极管激光器
将半导体激光管（LD）的一个端面镀增透膜，并将其置于一个外部谐振腔中。腔内的光栅作为波长选择元件。通过精密地旋转光栅的角度，可以改变反馈回激光管的最强反射波长，从而实现单模、宽范围的波长调谐。调谐范围极宽（可达上百纳米），线宽非常窄，频率稳定性好。是原子物理、光谱学和高分辨率测量的主力工具。
3.3可调谐垂直腔面发射激光器
VCSEL的谐振腔垂直于衬底表面。通过引入微机电系统，将VCSEL的上反射镜制作成一个可动的悬臂梁或薄膜。通过施加电压，可以精确控制腔长，从而实现波长的连续调谐。调谐速度快，功耗低，易于二维集成，在高速传感和通信领域前景广阔。
3.4钛宝石激光器及其他固体激光器
钛蓝宝石晶体具有极宽的增益带宽（约650-1100 nm）。通过使用可调谐的腔内元件（如双折射滤光片），可以在其整个增益范围内实现调谐。调谐范围极宽，输出功率高，是超快激光和宽谱光谱学研究的重要工具。
3.5光纤激光器
利用掺杂稀土元素（如铒、镱、铥）的光纤作为增益介质，并结合可调谐滤波器（如可调法布里-珀罗滤波器、声光可调滤波器）作为波长选择元件。输出功率高，光束质量好，调谐范围取决于增益光纤（如铒光纤在C波段和L波段）。广泛用于光纤传感和光谱学。
4.关键性能参数
波长可调谐激光器，主要有以下几个关键参数：
4.1调谐范围：激光器能够输出激光的波长范围，通常以纳米或波数表示。这是其最核心的参数。
4.2输出功率：在整个调谐范围内，激光器的输出功率是否平稳。通常给出最大的功率和功率稳定性。
4.3线宽：激光光谱的宽度，决定了激光的单色性。窄线宽对于高分辨率光谱和相干通信至关重要。
TUN 1054-1074nm波长及线宽稳定性（<10pm over 1hour ±2℃）
4.4调谐速度：从一个波长切换到另一个波长所需的时间。对于高速通信和动态传感非常重要。
4.5波长精度与重复性：波长设置的准确性以及多次调谐到同一波长的一致性。
TUN 1054-1074nm波长精调范围23GHz（89pm）精细调谐精度<1pm
5. 波长可调谐激光器的应用
5.1光纤通信：波分复用系统的光源，可以灵活分配波长，极大提升网络容量和灵活性。
5.2光谱学：通过扫描激光波长，可以高分辨率、高灵敏度地探测原子、分子的吸收和发射光谱，用于环境监测、化学分析和医学诊断。
5.3传感技术：基于光纤布拉格光栅、法布里-珀罗干涉仪等的传感器，通过检测波长漂移来测量应力、温度、压力等物理量。
5.4生物医学：光学相干断层扫描利用宽带光源进行生物组织的高分辨率成像，可调谐激光器是其核心部件。
5.5计量与基准：作为频率标准，用于精密测量、原子钟和基础物理研究。
5.6国防与安全：用于自由空间光通信、激光雷达和化学战剂探测。
6.典型的波长可调谐激光器
新产业生产的波长可调谐激光器主要包括半导体光器、固体激光器、钛宝石激光器和光纤激光器等类型。典型波长覆盖400nm到中红外，功率W级以上，调谐范围可达百纳米以上，调谐精度<0.001nm,广泛应用于生物医疗、光谱分析、传感和计量等领域。详情请访问www.cnilaser.com/ 了解
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波长可调谐激光器已经从实验室的精密仪器，发展成为推动现代信息技术、科学研究和工业制造发展的关键使能技术。随着新材料（如量子点、量子阱）、新结构（如光子集成电路）和智能控制算法的发展，未来的波长可调谐激光器将朝着更宽调谐范围、更高输出功率、更小体积、更低成本以及更智能化的方向发展，继续在照亮未知世界和连接数字未来的道路上扮演不可或缺的角色。
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