大多數科研人員和工程師都不會(hui) 將“小型、免維護”以及“節能”這樣的特征描述與(yu) 通常出現在科學實驗室中的激光器聯係起來。盡管商用的二極管激光器能夠提供小型、免維護等諸多優(you) 點，但如果不對其改進，它們(men) 通常並不能滿足科學應用的苛刻要求。

       外腔二極管激光器係統，不但能將二極管激光器的性能提升到能夠滿足科研應用需求的水平，還能讓研究人員將更多的時間集中在實際研究上，而在激光器的具體(ti) 操作上花費更少的時間。除了能夠在交鑰匙係統中替代傳(chuan) 統的激光器外，科研級二極管激光器係統還能滿足量子計算、原子光譜以及相移幹涉測量等更多的應用需求，這些應用具體(ti) 體(ti) 現在人們(men) 對電信和其他產(chan) 業(ye) 的投資。

       外腔二極管激光器以現有的激光二極管為(wei) 基礎。目前，市場上的激光二極管能夠提供廣泛的波長範圍，但是這些用於(yu) 電信和消費電子等大批量應用領域的標準器件，通常腔長較短，並且對溫度非常敏感。另外，這些激光二極管的光譜輸出通常寬達幾納米，這對於(yu) 大多數科研應用來說都太寬了。為(wei) 了能夠在拉曼光譜或原子冷卻等應用中對樣品進行探測、測量以及與(yu) 樣品相互作用，需要一個(ge) 穩定的窄線寬光源，因此必須要對現有的激光二極管加以改進。

 精確的機械控製

       采用外腔結構，可以從(cong) 激光二極管輸出的較寬增益譜區內(nei) 選擇一個(ge) 窄線寬的特定波長。通過機械調節激光腔，可以對輸出波長進行精確調諧或掃描。事實上，外腔二極管激光器並非新生之物，早在上個(ge) 世紀90年代就已經有幾家公司在開發商用的外腔二極管激光器。人們(men) 對外腔二極管激光器的興(xing) 趣，也在瘋狂的電信泡沫時代達到了頂峰。除了一些需要寬調諧的測試和測量應用外，目前大多數電信用可調諧激光器均基於(yu) 分布式反饋技術，即通過調整電流在一個(ge) 較窄的波長範圍內(nei) 對二極管的輸出波長進行調諧。然而，分布式反饋激光器隻能提供有限的波長，而不能在較寬的範圍內(nei) 調諧，其典型線寬為(wei) 兆赫茲(zi) 量級。

       自從(cong) 電信泡沫時代開始，外腔激光器一直在穩步發展。原子光譜學的研究要求激光器具有很窄的線寬，從(cong) 而能在不同的原子躍遷之間實現精確調諧。在保證激光器諧振腔穩定的同時，又要保持以亞(ya) 微米的精度移動光柵或腔鏡的精確性和可重複性，這是一項極具挑戰性的工作。此外，還必須要解決(jue) 振動、聲擾動以及熱漂移問題，因為(wei) 這些因素會(hui) 導致激光線寬展寬、模式跳躍以及輸出波長的漂移。采用被動阻尼精密機械技術和電子反饋環技術，已經使得外腔二極管激光器在要求苛刻的應用中表現得非常可靠。

圖1：市場上可用的激光二極管的光譜範圍正在穩步擴展，同時輸出功率也在不斷提高，特別是在近紅外譜區。目前，已經有越來越多的製造商能夠提供藍光甚至綠光激光二極管。

       光柵或腔鏡的精密移動可以通過使用多種製動器來實現，根據應用需求的不同， New Focus公司使用的器件有壓電器件、直流步進電機或音圈馬達。在較寬的波長範圍內(nei) 實現快速掃描，要求調諧臂重量輕，並且能夠靈活、快速移動。然而，這可能導致器件的機械穩定性降低，而且還能導致線寬展寬。對於(yu) 自製係統，用一個(ge) 簡單、堅固的千分尺就足以將激光器緩慢調諧到所要求的精確波長。而對於(yu) 快速光學相幹斷層掃描應用，則要使用工作頻率達幾千赫茲(zi) 的微機電係統，這種應用隻要求有限的相幹長度，因此線寬較寬是可以接受的。       

New Focus公司在其Vortex II型激光器的調諧臂中加入磁阻尼，以進一步減小機械共振。另外，也有其他公司開發出了超穩定裝配技術，該技術在多個(ge) 諧振腔串聯為(wei) 複雜係統時顯得尤為(wei) 重要。       

能夠顯示二極管激光器能用於(yu) 電信以外的領域、並證明這種激光器可以做得堅固耐用的發展裏程碑有兩(liang) 個(ge) ：一個(ge) 是由New Focus公司開發、在國際空間站中用於(yu) 原子光譜學的780nm激光器所顯示出的空間特性；另一個(ge) 是由Toptica公司展示的基於(yu) 多個(ge) 諧振腔的四次諧波紫外輸出。^[1]       

腔型設計的選擇

       外腔二極管激光器的諧振腔通常有兩(liang) 種選擇，並且二者都需要很高的精度。最簡單的是利特羅腔，它利用一塊光柵直接將光束衍射回外腔中。這種結構在機械上易於(yu) 實現，並且由於(yu) 它采用一次反射，因此能夠獲得很高的功率效率。簡單的利特羅腔激光器通常是在實驗室中自主搭建的，但是由於(yu) 轉動光柵時腔長會(hui) 發生變化，因此這種激光器無模式跳躍的調諧範圍非常有限。當光柵角度變化時，光束方向也會(hui) 發生改變。商用外腔二極管激光器係統通過調節二極管電流使調諧範圍達到最大，並通過機械補償(chang) 來實現光束導向，從(cong) 而克服了一些難題。       

       外腔設計的另外一種選擇是Littman Metcalf 腔，它將光柵的位置固定，並通過旋轉反射鏡麵來調節輸出波長。這種腔的主要缺點是：由於(yu) 采用二次反射，因此會(hui) 導致功率損耗，而且激光二極管需要更為(wei) 精密的增透膜。這種腔的主要優(you) 點是：無模式跳躍的調諧範圍要寬得多，並且不存在光束方向偏離（beam walk），這也是New Focus公司采用這種設計長達15年之久的一個(ge) 原因。       

無論選擇哪種類型的激光腔，二極管的挑選都是至關(guan) 重要的。目前市場上商用的激光二極管都是以數以百萬(wan) 計的大規模製造出來的，這些製造商大部分位於(yu) 日本和亞(ya) 洲的其他地區。然而，為(wei) 了滿足某種特殊的科學應用，需要特定波長的二極管用於(yu) 搭建外腔二極管激光器，而這些大批量生產(chan) 的製造商，通常對於(yu) 生產(chan) 少量特殊器件並不感興(xing) 趣。一些規模較小的製造商可能願意做客戶定製的二極管，但是現在人們(men) 又想到了另一種解決(jue) 方案：即在現有的標準二極管上鍍一層增透膜來調節輸出波長。現在New Focus公司可以自己鍍增透膜，因此能夠利用現有的商用二極管小批量生產(chan) 用於(yu) 科研和工業(ye) 中的定製二極管激光器係統。

 提高功率，保持線寬

       隨著二極管技術的不斷進步，其有效輸出功率已經從(cong) 幾毫瓦提高到了幾百毫瓦。市場對於(yu) 更高二極管輸出功率的要求，尤其受到冷原子研究領域的驅動，因為(wei) 他們(men) 在研究原子躍遷時需要更高的功率與(yu) 更大量的原子相互作用。      

       提高二極管激光器的輸出功率帶來了另一個(ge) 挑戰，即對低噪聲電流源的需求。電流起伏會(hui) 對二極管本身引起微小偏差，這能夠導致激光器的線寬展寬。將線寬保持在1MHz以下已經是一種挑戰，因此為(wei) 了獲得窄線寬高功率輸出，采用了一種主振功率放大器的二級係統。主振蕩器位於(yu) 外腔中，其低功率、窄線寬輸出作為(wei) 片式二極管功率放大器的種子。第二級本身不能產(chan) 生激光，但是它的錐形結構能夠在不對線寬產(chan) 生較大改變的情況下將功率放大。   

        盡管這種錐形放大器能夠獲得的波長範圍有限，但是它可以產(chan) 生1W甚至更高的輸出功率。因此，這些二級外腔二極管激光器很大程度上取代了以前的氣體(ti) 激光器、可調諧染料激光器以及一些固體(ti) 激光器。最新的放大器將功率監測和閉環電流控製電路相結合。這一新的可靠性和堅固性水平，使得這些二極管激光器係統能夠服務於(yu) 大氣監測和激光雷達等實驗室以外的應用。另外，目前二極管激光器輸出的更高功率，還可以實現倍頻等高效率的非線性過程，從(cong) 而開辟了量子計算和離子捕獲等以前無法實現的全新應用。   

       科研級二極管激光器係統的發展，始終得益於(yu) 20年來人們(men) 在消費電子領域所傾(qing) 注的多達10億(yi) 美元的投資。電信和光存儲(chu) 應用使研究人員獲得了功率更高、波長範圍更大以及成本更為(wei) 低廉的二極管產(chan) 品（如圖）。市場對二極管激光器的下一輪投資，很可能源於(yu) 人們(men) 對紅綠藍三色投影儀(yi) 的需求。

       隨著綠光激光二極管和可靠的高功率藍光二極管不斷開辟出新的應用領域，並且使現有的技術變得更加簡單，這些二極管將會(hui) 被外腔二極管激光器進一步采用。外腔二極管激光器將能夠在效率上挑戰倍頻固體(ti) 激光器，為(wei) 從(cong) 事光譜學和度量衡應用的研究人員提供更加寬泛的波長選擇。