Thorlabs 认识不同类型的光源

认识不同类型的光源

原创 photon Thorlabs索雷博 2023-03-22 12:00 发表于上海

光只是电磁波谱中很小的一部分，但在光学研究中它不只是可见光，而是从紫外一直到远红外，甚至进入太赫兹。因此，实验用的光源也有很多类型。

白光光源

白光通常是指人眼感知为白色的光，但有时泛指能产生宽带光谱的光源，甚至不包含可见光而只包含紫外或红外光。

白光光源不yi,定发射所有的可见光波长，也不yi,定有相同的光谱形状。比如，将红绿蓝三个LED组合封装在一起，或者使用一个蓝光LED加磷光材料，通过吸收部分蓝光并重新发射绿光和红光，这两种方法都能实现白光LED光源。Thorlabs还提供紫外、可见光和红外LED，光谱范围从245 nm到4600 nm。

下面展示了不同封装级别的LED光源。

LED on PCB                         已安装LED                           准直LED

对于发射连续光谱的白光光源，卤钨灯是一种便宜且常用的选项。白热状态的钨灯丝通过黑体辐射提供从紫外到红外的连续光谱。氙灯和汞灯也提供连续的可见光光谱，并且有一些很强的等离子谱线。它们的光谱中还包含很大一部分紫外和近红外，使用时要注意佩戴防紫外眼镜。由于这些光源工作时产生高温，因此要注意防止tang,伤，而且在更换灯泡时需佩戴手套，不能接触玻璃表面。

下面展示了Thorlabs的几款宽带光源。

SLS204氘灯                         SLS205氙灯                         Globar或卤钨灯

超连续谱激光器提供功率高很多的白光，有时被称为zhong,极白光。超连续谱产生涉及复杂的非线性过程，将脉冲泵浦光转换成宽带光输出，因此超连续激光通常是脉冲光源。中红外超连续谱的产生尤其困难，因为飞秒泵浦激光器和非线性光纤的选项都很少。

通过掺镱光纤飞秒激光产生超连续彩虹

SC4500

全光纤方案

一键开启1.3~4.5 µm

高功率超连续谱光源

激光器

激光具有单色性、相干性和方向性等很多有用的性质。激光器根据增益介质可分为气体、液体和固体型，根据时域波形可分为连续波(CW)和脉冲型。

理想的连续光具有确定的频率、波长和周期，可用正弦波表示。虽然使用外部调制器能将连续光变成脉冲光，但这是一种浪费能量的方法，使峰值功率无法超过连续光功率。产生激光脉冲更gao,效的方法是通过腔内调制，将腔内存储的部分能量瞬间释放，以此输出高峰值功率的激光，即使平均功率和CW激光相同。

腔外调制低峰值功率                                 腔内调制高峰值功率

实验室常用的CW激光器包括气体或金属蒸汽激光器，比如氦氖、氩离子、氪离子和氦镉等等。气体激光器的优点包括低发散、高功率密度和窄线宽。它们需要高压电源和te,殊气体管，可能成本比较高，还可能需要通过风扇或循环水散热。对于振动灵敏的测量，隔离冷却系统的振动也会变得更为重要。

氦氖激光器及三种安装方式

氩离子激光反射镜                   氪离子激光反射镜                  CO₂激光反射镜

液体染料激光器是zui,早的可调谐激光器，在失去竞争力后又开始被使用了。它们一个重要优点是很宽的波长调谐范围，但缺点是作为增益介质的常用染料不利于健康。光参量振荡器(OPO)等固体光学系统也能提供宽波长调谐。

固体激光器有多种形式。有些使用半导体作为增益介质，通过pn结中的电子空穴复合产生激光。有些使用掺杂离子的光学晶体、玻璃或光纤作为增益介质，比如掺钛蓝宝石(Ti:Sa)或Nd:YAG，通过电子跃迁产生激光。

二极管和量子阱激光器已经变得越来越常用。它们尺寸小，提供非常多的波长选项，只需低电压和电流就能工作。二极管激光器输出高发散光束，特别是高功率版本，但可使用非球面透镜进行准直，使用变形棱镜对或柱面透镜将椭圆光束变成圆形光束。另外，二极管激光波长还和温度有yi,定的相关性。

量子级联激光器(QCL)带间级联激光器(ICL)输出各种中红外波长，因此在气体检测应用中具有重要作用。

不同封装的二极管激光器或QCL/ICL

实验室常用的CW激光器还包括二极管泵浦固体激光器(DPSS)，比如使用晶体或玻璃的块体(bulk)激光器，以及光纤激光器，虽然DPSS不常用于描述光纤激光器。常用的DPSS是各种掺钕或掺镱的晶体棒或光纤激光器，通过二极管激光泵浦增益介质，使之达到阈值并实现激光作用。

端泵固体激光器示意图(rp-photonics)

DPSS激光器能提供优异的光束质量、光谱纯度和稳定性，还可通过非线性转换成其它波长。比如，Nd:YAG激光器不仅提供zui,强的1064 nm近红外光，还可通过非线性转换成532 nm绿光以及355 nm或266 nm紫外光。

用于Nd:YAG基频及各次谐波的分束镜

脉冲激光器

每个光脉冲的持续时间叫做脉冲宽度，简称脉宽，常见的有纳秒、皮秒和飞秒。每秒内发射的脉冲个数叫做重复频率，简称重频。通过增益介质命名，我们可以有Nd:YAG、Nd:YVO₄、钛宝石以及掺镱或掺铒光纤激光器，等等。

二极管纳秒激光器                  微片皮秒激光器                   钛宝石飞秒激光器

通过腔内调制产生脉冲的技术有增益开关、Q开关(损耗开关)、腔倒空和锁模。增益开关通过调制泵浦功率产生短脉冲。比如，半导体增益开关激光器通过电流调制能够产生几纳秒到百皮秒的脉冲。虽然脉冲能量低，但是这种方法非常灵活，比如提供可调重频和脉宽。

强纳秒脉冲一般通过Q开关产生，激光在腔内几次往返内发射，脉冲能量在几毫焦到几焦范围，具体和系统大小有关。上面展示的微片皮秒激光器也属于Q开关激光器，能以9 kHz重频提供45 µJ单脉冲能量，或者以100 kHz重频提供2 µJ单脉冲能量。

中等能量(一般在1 μJ以下)皮秒和飞秒脉冲主要通过锁模产生，激光共振腔内存在连续循环的一个或多个超短脉冲，腔内脉冲每次经过输出耦合镜发射一个脉冲，重频一般在10 MHz到100 GHz之间。超短脉宽可通过自相关仪等器件测量。

腔倒空技术既可用于Q开关激光器获得更短的脉冲，也可用于锁模激光器以较低的重频提高脉冲能量。

一些超快激光及其波长范围
通过非线性转换也能产生超短脉冲

谐波产生

非线性晶体常用于激光的倍频。比如，两个1064 nm基频光子可通过二次谐波产生(SHG)晶体变成一个532 nm光子。为了产生波长更短的355 nm光子，虽然可直接使用非常难的三次谐波产生(THG)过程，但实用的方法是用一个1064 nm和一个532 nm光子通过混频产生一个355 nm光子。

1064 nm三倍频的级联配置(rp-photonics)

Thorlabs新推出用于飞秒激光的β-BBO可调谐二次谐波产生晶体。这些Type I晶体可用于钛宝石、绿光泵浦光参量振荡器和放大器、以及掺镱和掺铒激光器，将两个基频光子转换为一个二次谐波光子。下图展示了FSL1030X2掺镱光纤飞秒激光通过NLC05晶体从1030 nm近红外光变成绿光的装置。

NLC01/02/03钛宝石激光适用         NLC04/05/06掺镱激光适用            NLC07掺铒激光适用

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