如何才能提高激光器的輸出功率

我們(men) 如何才能提高激光器的輸出功率。首先想到的是提高激光器的泵浦功率（能量），就像武俠(xia) 中內(nei) 力傳(chuan) 輸一樣，即使再笨（轉換效率低），隻要有足夠高的輸入，輸出自然就高。顯然，這隻是最低級的辦法，如何在資源一定的情況下，通過提高自身的修為(wei) （激光器）來提升輸出功率，才是我們(men) 想要的。

     講到這裏，不明真相的看官可能懵了，我們(men) 追求的激光參數到底是哪個(ge) ？功率，能量還是其他？好吧，我們(men) 再來捋一下思路。能量除以時間等於(yu) 功率，所以正常情況下，功率相對於(yu) 能量更合適我們(men) ，舉(ju) 個(ge) 栗子，在相同能量的激光，在1s時間和在1min時間打到你身上，效果哪個(ge) 強？毫無疑問，時間越短，功率越高，效果越厲害（差點說個(ge) “好”字）。細心的小夥(huo) 伴可能發現了另外一個(ge) 點，激光打在你身上一個(ge) 點和打在你整個(ge) 人身上，效果能一樣嗎？不一樣。顯然，結果出來了，我們(men) 追求的是單位麵積內(nei) 的激光功率（單位：W/m2），即激光能量密度或者叫激光功率密度。好的，那提高激光質量的主要內(nei) 容（前麵提到的轉換效率算一個(ge) ，這個(ge) 除外）就可以分為(wei) 兩(liang) 部分：第一部分，提高激光功率；第二部分：將激光聚焦到盡量小的麵積上。那麽(me) 今天，就先講講如何提高激光的功率吧。

調Q技術

首先，介紹下第一種技術：調Q技術。國際慣例，先介紹下什麽(me) 是調Q。調Q技術是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈衝(chong) 中，從(cong) 而使激光光源的峰值功率提高幾個(ge) 數量級的一種技術（脈衝(chong) 寬度指的就是時間，通常我們(men) 所說的飛秒激光就是脈衝(chong) 寬度為(wei) 飛秒量級的激光）。

      好，那麽(me) 問題又來了，為(wei) 什麽(me) 要壓縮？怎麽(me) 樣壓縮？

     在光學基礎知識大講堂第2期激光原理部分介紹過激光產(chan) 生的條件：需要形成粒子數反轉。那麽(me) 當粒子數反轉超過一定值後，就會(hui) 形成振蕩，產(chan) 生激光。當激光發射以後，上能級粒子數就消耗掉了，所以振蕩就停止了，直到下一次粒子數累積後再反轉（專(zhuan) 業(ye) 術語：弛豫振蕩）。這也就是為(wei) 什麽(me) 普通激光器峰值功率不能提高的原因（一般隻有千瓦數量級）。這就像大壩攔截水庫裏的水一樣，當水上漲超過大壩上沿，就會(hui) 溢出，那如果想要一下子得到大量的水怎麽(me) 辦？提高大壩的高度，然後使水位上漲，每隔一定時間將大壩位置下降到原位，這樣就嘩啦一下能得到比原來高很多倍的水量。

     調Q利用的就是這個(ge) 原理，大壩就是激光器固有的損耗值，通過改變損耗值就能控製粒子數反轉的閾值。改變激光器損耗的方法很多，比如轉鏡調Q、電光調Q、聲光調Q、飽和吸收調Q等。再以電光調Q為(wei) 例，在激光器裏麵新添加的器件是偏振片和電光晶體(ti) ，然後通過周期控製電光晶體(ti) ，使得其偏振方向與(yu) 前麵偏振片方向周期性轉變：平行或者垂直。偏振原理：當偏振片平行時，光全部通過；偏振片正交（即垂直）時，光全部攔截。當光全部攔截時就表示激光器的損耗非常非常大。調Q技術一般可以提高2個(ge) 數量級的峰值功率，達到10^6W （MW）量級（^表示冪次方），脈寬為(wei) 納秒量級左右。

鎖模技術

那如果還要再提高峰值功率，縮短脈寬，調Q技術就實現不了了。接下來鎖模技術出場了。鎖模，也叫鎖相，顧名思義(yi) ，就是鎖定激光器的模式，或者鎖定激光的相位。回顧下幹涉的原理：當電磁波（光）滿足一定的條件：相位差（光程差）恒定，振動方向一致，就會(hui) 產(chan) 生幹涉。如圖2（b）所示，當鎖定不同激光縱模（即頻率）之間的相位差後，就會(hui) 將大部分能量集中到幹涉增強處；圖2（b）為(wei) 普通未鎖定相位的光強時域分布。通過這種方法，可以將脈衝(chong) 寬度壓縮到皮秒量級，甚至到亞(ya) 飛秒量級，功率達到10^9W（GW）量級。

調Q脈衝(chong) 放大技術

然後在上麵二種技術發明之後，在很長一段時間內(nei) ，峰值功率都不能提高，因為(wei) 再直接放大能量會(hui) 引起非線性效應以及損傷(shang) 光學元件，直到1985年啁啾脈衝(chong) 放大（CPA）技術的發明。CPA技術不僅(jin) 將峰值功率提升了近10個(ge) 數量級，而且體(ti) 積小、成本低，也避免了上述的問題，甚至成為(wei) 類似於(yu) 神光係列大裝置激光係統的基本手段。

CPA技術原理如圖3所示，結構上分為(wei) 四部分：振蕩器、展寬器、放大器、壓縮器。原理就是先展寬、然後放大、再壓縮成高功率短脈衝(chong) 的激光。這個(ge) 好處就在於(yu) ，極大地避免了在帶有增益介質的放大器中產(chan) 生高峰值功率的激光，從(cong) 而避免元件損傷(shang) 等。

     當然，脈衝(chong) 激光的峰值功率提高到這個(ge) 量級後，我們(men) 追求的已經不單單是功率了，對比度也顯得非常重要（看到這裏的朋友，我很欣賞你，說明你是真的想了解這個(ge) 技術，那我也就不怕對你講得更專(zhuan) 業(ye) 點了）。舉(ju) 個(ge) 栗子，當超短超強的脈衝(chong) 激光密度高於(yu) 10^17 W/cm2，而一般對比度差不多為(wei) 10^6，那麽(me) 預脈衝(chong) （一般CPA采用多級放大）和放大自發輻射（ASE）的強度都會(hui) 超過了10^11 W/cm2，這個(ge) 強度等級已經足以與(yu) 物質發生相互作用，從(cong) 而改變主脈衝(chong) 的初始狀態，進而對實驗結果產(chan) 生重大影響。

     好的，那有沒有解決(jue) 辦法？有。

光學參量啁啾脈衝(chong) 放大技術

前麵提到了啁啾脈衝(chong) 放大技術的一些缺點，為(wei) 了克服這些缺點，1992年提出了另一種光學參量啁啾脈衝(chong) 放大（OPCPA）技術的思路，其原理就是把基於(yu) 增益介質的放大器替換成基於(yu) 非線性過程的參量放大器。接下來我再介紹下參量放大器的原理，自然就知道為(wei) 什麽(me) 它可以克服上麵的缺點了。

     光學參量放大（OPA）是指一束高頻率的光（泵浦光）和一束低頻率的光（信號光）同時進入非線性介質中，輸出中的信號光由於(yu) 差頻效應而得到放大，當然於(yu) 此同時會(hui) 產(chan) 生兩(liang) 者光頻差的第三種相幹光，我們(men) 稱之為(wei) 閑頻光（必須符合能量守恒定律）。

由於(yu) 該技術采用非線性晶體(ti) （例如KDP、BBO等），而不是利用增益介質的粒子數反轉，所以沒有熱效應，沒有ASE效應等，具有非常高的信噪比，我們(men) 的目的就達到了。細心的小夥(huo) 伴會(hui) 發現，參量放大會(hui) 產(chan) 生不同於(yu) 信號光和泵浦光的第三種閑頻光，這不還可以用來拓寬激光光譜嗎？對的，Chinese Optics Letters 2016年第4期封麵文章報道了南京大學祝世寧教授團隊的研究成果，就是利用光參量放大過程獲得高效率的中紅外皮秒激光輸出，比如1064nm波長的泵浦光，可以產(chan) 生1466.5nm的信號光和3876nm的閑頻光（我們(men) 想要的），這是一般激光器不能夠產(chan) 生的激光波長範圍。好了，本期就講到這裏，由於(yu) 這些裏麵涉及的技術太多，不能麵麵俱到，草草收尾，還望見諒！

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