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窄频激光的奥秘：如何在极小范围内精确调整波长？
在科技迅速发展的当今时代，窄频激光作为一种具有高度可调性的光源，日益成为科研和工业应用的关键设备。这种激光的工作波长具备良好的可调性，使其在多个领域扮演重要角色，从光学通讯到光谱学，无所不包。然而，究竟这些激光是如何在极小范围内精确调整波长的呢？
可调激光器是一种其操作波长可以以可控方式变更的激光。
可调激光的类型
可调激光器的设计种类繁多，包括气体、液体和固体型等。常见的可调激光器类别包括氟化氢激光、二氧化碳激光、染料激光、过渡金属固态激光器、半导体晶体激光器，以及自由电子激光。
这些激光器在光谱学、光化学、原子蒸气激光同位素分离以及光学通讯等领域找到了广泛的应用。
调频技术
单波段调整
虽然没有真正的单色激光，但大多数激光都能在一定的频率范围内发射光。以Nd:YAG激光的1,064奈米波长为例，其线宽约为120 GHz，这意味着它可以在一定范围内进行调整。通过在激光光腔中放置波长选择性的光学元件（如干涉仪），可以选择特定的纵模，以达到输出波长的调节。
多波段调整
许多激光增益介质具有多个过渡波长。例如，Nd:YAG激光除了1,064奈米的主波段外，还有1,052奈米、1,074奈米等弱波段。在此情况下，往往需要抑制最强过渡的增益，这样才能实现对其他波段的有效操作。引入一个色散元件（如棱镜），然后调整光腔的镜子，可以使激光「跳跃」于不同的波段之间，这在氩离子激光器中经常被采用。
窄带调整
某些类型的激光器可以通过改变激光腔长度来实现持续的波长调整。分布反馈（DFB）半导体激光器和垂直腔面发射激光器（VCSELs）使用周期性的分布布拉格反射器结构来形成光腔的反射镜。当激光的温度变化时，反射结构的指数变化使得激光的波长产生偏移。这类激光的调整范围通常在几纳米至最多约6纳米之间。
DFB激光操作在1,550奈米波长范围时，通常以每升高0.08奈米/K的速度进行波长调整。
广泛调整的激光器
样品光栅分布布拉格反射器激光器（SG-DBR）利用可调的 Bragg 镜和相位区段，可以选择超过50奈米的单模输出范围。此外，还有利用多棱镜光栅进行广泛调整的外部腔激光器。在这些设计中，粗调通常由选择合适的激光组合进行，而微调则透过热调整来实现。
应用范畴
可调激光的应用范围极其广泛。当与适当的过滤器耦合时，一个可调来源可以调整几百纳米的波长，光谱解析度可从4纳米达到0.3纳米。这使得可调激光器能够在太阳能电池特性测试、金纳米粒子及单壁碳纳米管的表征中发挥巨大作用。
它们最近被用于早期检测视网膜疾病的超光谱成像中，这需要在广泛波长范围内、狭小带宽和良好隔离的情况下高效照明整个视网膜。
历史沿革
第一次真正广泛可调的激光是1966年的染料激光。在1972年，Hänsch介绍了第一个窄线宽可调激光。这些系统通常包括Lyot滤波器，并使用多种调频技术，例如衍射光栅、棱镜和干涉仪。此外，还有多棱镜光栅结构被广泛应用于各种类型的可调激光器中。
如今，随着光学通讯和其他技术的快速进步，窄频可调激光的未来似乎无穷无尽。这不禁让人反思，未来我们能在哪些新的领域看到窄频激光的耀眼身影？
