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窄頻激光的奧秘：如何在極小範圍內精確調整波長？
在科技迅速發展的當今時代，窄頻激光作為一種具有高度可調性的光源，日益成為科研和工業應用的關鍵設備。這種激光的工作波長具備良好的可調性，使其在多個領域扮演重要角色，從光學通訊到光譜學，無所不包。然而，究竟這些激光是如何在極小範圍內精確調整波長的呢？
可調激光器是一種其操作波長可以以可控方式變更的激光。
可調激光的類型
可調激光器的設計種類繁多，包括氣體、液體和固體型等。常見的可調激光器類別包括氟化氫激光、二氧化碳激光、染料激光、過渡金屬固態激光器、半導體晶體激光器，以及自由電子激光。
這些激光器在光譜學、光化學、原子蒸氣激光同位素分離以及光學通訊等領域找到了廣泛的應用。
調頻技術
單波段調整
雖然沒有真正的單色激光，但大多數激光都能在一定的頻率範圍內發射光。以Nd:YAG激光的1,064奈米波長為例，其線寬約為120 GHz，這意味著它可以在一定範圍內進行調整。通過在激光光腔中放置波長選擇性的光學元件（如干涉儀），可以選擇特定的縱模，以達到輸出波長的調節。
多波段調整
許多激光增益介質具有多個過渡波長。例如，Nd:YAG激光除了1,064奈米的主波段外，還有1,052奈米、1,074奈米等弱波段。在此情況下，往往需要抑制最強過渡的增益，這樣才能實現對其他波段的有效操作。引入一個色散元件（如棱鏡），然後調整光腔的鏡子，可以使激光「跳躍」於不同的波段之間，這在氩離子激光器中經常被採用。
窄帶調整
某些類型的激光器可以通過改變激光腔長度來實現持續的波長調整。分佈反饋（DFB）半導體激光器和垂直腔面發射激光器（VCSELs）使用周期性的分佈布拉格反射器結構來形成光腔的反射鏡。當激光的溫度變化時，反射結構的指數變化使得激光的波長產生偏移。這類激光的調整範圍通常在幾納米至最多約6納米之間。
DFB激光操作在1,550奈米波長範圍時，通常以每升高0.08奈米/K的速度進行波長調整。
廣泛調整的激光器
樣品光柵分佈布拉格反射器激光器（SG-DBR）利用可調的 Bragg 鏡和相位區段，可以選擇超過50奈米的單模輸出範圍。此外，還有利用多棱鏡光柵進行廣泛調整的外部腔激光器。在這些設計中，粗調通常由選擇合適的激光組合進行，而微調則透過熱調整來實現。
應用範疇
可調激光的應用範圍極其廣泛。當與適當的過濾器耦合時，一個可調來源可以調整幾百納米的波長，光譜解析度可從4納米達到0.3納米。這使得可調激光器能夠在太陽能電池特性測試、金納米粒子及單壁碳納米管的表徵中發揮巨大作用。
它們最近被用於早期檢測視網膜疾病的超光譜成像中，這需要在廣泛波長範圍內、狹小帶寬和良好隔離的情況下高效照明整個視網膜。
歷史沿革
第一次真正廣泛可調的激光是1966年的染料激光。在1972年，Hänsch介紹了第一個窄線寬可調激光。這些系統通常包括Lyot濾波器，並使用多種調頻技術，例如衍射光柵、棱鏡和干涉儀。此外，還有多棱鏡光柵結構被廣泛應用於各種類型的可調激光器中。
如今，隨著光學通訊和其他技術的快速進步，窄頻可調激光的未來似乎無窮無盡。這不禁讓人反思，未來我們能在哪些新的領域看到窄頻激光的耀眼身影？
