激光光源之二极管激光器与OPO激光

二极管激光器

近年来，二极管激光器(diode laser)技术取得了一些显著进展。二极管激光器体积小且廉价，具有开发激光原子光谱分析仪器的良好前景。目前，其主要的缺陷是在光谱蓝端发射的激光稳定性 不够，且使用寿命短。

下图所示是典型的小型半导体激光器(300μm× 250μm× 125μm)的结构示意图。激光介质是一个空间狭窄的薄层。当注入电流通过二极管的活性 p-n 结时，电子和空穴都移向 p-n 结并在那里重新结合而辐射出光子。如果电子和空穴的密度足够大，这个辐射又能够激励电子和空穴的重新结合而产生受激辐射。与其他类型激光一样，当辐射的放大超过损失时，就会产生激光。

半导体材料决定输出激光的波长范围。通过改变二极管电流和温度，可以调谐二极管激光器的输出波长。改变电流大约可以在 3nm 的波长范围内调谐，而温度从-20°C改变到60°C可以在大约 20nm 的波长范围内调谐波长。下表给出了一些重要半导体激光器的材料及其输出激光波长或波长范围。

重要半导体激光器的材料及其输出波长

半导体激光器与普通激光器相比还有很多优点。它是目前所有激光器中体积最小、效率最高的一种激光器，而且操作简单，使用寿命长（约105h）但是它也存在很多不足之处：首先，二极管激光器的可调谐波长范围只有20nm 左右，这就意味着要获得宽的波长范围，就需要很多二极管激光器；其次，二极管激光器的可用输出波长通常在红区和近红外区，尽管能得到波长更短的蓝光，但是 要以高成本、低稳定性和低寿命为代价；第三，二极管激光器的输出波长对温度的依赖性很大，所以二极管的温度变化需要稳定在几 mK 范围内。 

OPO 激光器

OPO 激光器是基于光学参量振荡（optical parametric oscillation， OPO）的一种固体激光器，其工作物质是非线性光学材料， 如 BBO 晶体 β-BaB2O4）。OPO 是一种非线性光学过程，即三个光波在合适的非线性光学材料中产生非线性相互作用。

 这种相互作用的三个光波的频率（w）和波矢量（K，动量矢量）必须满足能 量和动量匹配条件，即w1=w2+w3, K1 =K2 +K3，如上图所示， 一个高频率的光子（w1）通过 BBO 晶体时，就能产生两个较低频率的光子（w2 和w3）。将反射镜放在 BBO 晶体的两端就能构成频率为 w2 或 w3 或是同时有这两个频率的光学谐振腔。通过改变晶体的角度或温度，可以达到调谐输出频率的目的。目前，OPO 激光器输出激光波长范围从紫外到近红外连续可调，而且输出能量高，自动化程度也高。Michel 等将 OPO 激光应用于火焰和电热原子化 LEAFS 中，实现了 LEAFS 多元素顺序连续测定，提高了 LEAFS 的分析速度。由于在宽波长范围内连续可调，只要能够被有效原子化的元素都能用 LEAFS 法进行测定，扩大了 LEAFS 可测元素范围。