白皮书

OPSL 优势白皮书系列 #3:
无“绿光噪声”

Overview

The optically pumped semiconductor laser (OPSL) is a unique, patented technology that provides lower intrinsic noise than other continuous wave (CW) solid state lasers having UV or visible output, and is the only way to achieve true-CW output at 355 nm in a simple, cost-effective platform. The reason is the absence of mode noise due to the near-zero upper state lifetime of the OPSL gain medium.

OPSL Advantages White Papers in this series:

#1. Wavelength flexibility
#2. Invariant beam properties
#3. No mode noise ("green noise")
#4. Superior reliability - huge installed base

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Eliminating the Performance/Cost Trade-off

Demanding visible and ultraviolet applications for CW lasers (e.g., pumping CEP-stabilized laser systems, Brillouin scattering, and semiconductor wafer inspection) need a high quality stable output beam with low amplitude noise. Diode pumped solid state (DPSS) lasers can produce the requisite beam quality, albeit only at a fixed output power1, but their noise performance is often limited by a problem called mode noise or “green noise.” Addressing this noise adds laser complexity. In DPSS visible lasers, there is thus a trade-off between performance (noise) and cost (complexity). This critical noise mechanism is completely absent in visible OPSLs which can thus offer lower noise at a reduced cost. It also enables OPSLs to generate noise free ultraviolet output (e.g., at 355 nm) in a simple format. This is a major reason that OPSLs dominate the use of ultraviolet wavelengths in flow cytometry.

1 See whitepaper #2 in this series.

 

混沌模式行为

基于宏观腔体的连续激光器的输出高度依赖于腔体的配置。 OPSL、传统 DPSS 激光器和大多数连续气体(离子)激光器都是如此。 由于腔体长度通常在几十毫米甚至几十厘米,这些连续激光器的腔体可以支持多种纵向模。 通常在这类激光器中,腔内光束强度被划分为多个纵向模式,每个模式的频率略有不同(见图 1)。

Figure 1

图 1:DPSS 激光器和 OPSL 的纵向模式动态特征。

然而,在采用传统技术(如离子和 DPSS 激光器)的情况下,这些单个模式之间的腔内总功率划分是相当随机和动态的,这些模式的不同组合随着时间的推移而产生激光,竞争可用的储备增益,如图 1 所示。但由于强度总和保持恒定,离子激光器中的多模操作非常适合大多数需要低振幅噪声的应用。

在离子激光器和 DPSS 激光器中,这种不同模式之间的动态竞争是由于有源激光介质有储备能量导致的。 简单地说,增益介质激发态的寿命比光子在连续腔内循环的时间长得多。 具体来说,钕基 DPSS 激光器的激发态寿命是微秒级的,而腔体的行程时间只是纳秒级。 对于某些脉冲激光器应用来说,储备能量实际上是一种优势,因为它可以实现一种称为 Q 开关的机制,这可以产生非常短但极强的脉冲。 然而,它限制了激光器的调制(开启和关闭)速度。 而且,同样重要的是,当使用频率转换来产生基波的谐波时,它会导致噪声问题,例如将 1064 nm 的基波频率增加一倍,以产生 532 nm 波长的连续绿光输出。

 

频率加倍会产生绿光(和紫外光)噪声

DPSS 激光器和 OPSL 都在近红外波段产生基本输出,然后将其频率加倍以产生可见光输出,或使用所谓的非线性晶体将频率加倍以产生紫外光输出。 这些二次谐波产生 (SHG) 和三次谐波产生 (THG) 过程高度依赖于强度,也就是 SHG 或 THG 晶体中的单位面积功率。 在使用脉冲激光器时,其峰值功率可以比平均功率高很多个数量级,因此有效的频率加倍(和三倍增长)很容易在激光腔的下游(即腔外)进行。 但在使用连续激光器时,获得高强度的唯一方法是将 SHG 和 THG 晶体放在腔内,在其中循环功率可以比输出功率大两个数量级。 于是以前无害的模式噪声现在成为了一个现实问题。

Figure 2

图 2:在连续 DPSS 多模激光器中,功率是恒定的,即使其在不同纵向模式之间动态分布。 当倍频晶体插入 DPSS 腔内时,会引起总功率的混沌波动。 在 OPSL 中不会发生这种噪声机制。

当倍频晶体插入到具有多个纵向模式的 DPSS 激光器的基本腔内光束中时,就会在基本和倍频输出中产生混乱的强度噪声(见图 2)。原因是可能产生二次谐波(将一个纵向模式的频率加倍)与和频(将两个不同纵向模式的频率相加)。 和频生成耦合了各个纵向模式,从而实现了纵向模式之间的直接动态相互作用。 来自所有纵向模式的成对互动的时间动态(在此情况下一个模式的强度取决于另一个模式的增益)产生了显著的强度噪声。 这种现象早就为人所知,被称为“绿光问题”[参考文献 1],因为第一个广泛使用腔内倍频的 连续激光器是绿光 DPSS 激光器,其中 1064 nm 的激光基波进行倍频以产生 532 nm 波长的绿光输出。

 

连续 DPSS 激光器: 性能/成本权衡

在 CW DPSS 激光器中已经使用了几种方法来解决模式噪声问题。 早期的方法是使用拉长的腔体,以便将功率分给更多的纵向模式。 其思路是通过对更多模式的噪声效应进行平均,降低噪声水平。 这种“涂抹”方法对于某些应用来说是足够的,但对于那些对噪声特别敏感的应用,如载波包络相位 (CEP) 稳定,实践证明是不够用的。 当然,它也会对依赖于单色性(即窄频谱带宽)的应用产生负面影响。

一个更严谨的方法是在其源头上实际消除绿光噪声。 在 DPSS 激光器中做到这一点的最直接方法是,利用一个光学器件(如校准器)使激光器在单个纵向模式下运行。 这需要对腔体进行主动热稳定,以及使用压电镜座和反馈电子材料将腔体长度和校准器性能锁定在一起。 这都会导致成本和复杂性增加。

部分商用低噪声 DPSS 激光器是基于其他有源反馈降噪策略的。 但在每一种情况下,都不可避免地要在噪声、成本和复杂性进行权衡。

 

OPSL – 提供低噪声可见光输出

在使用 OPSL 的情况下,增益动态特性是完全不同的。 增益介质是一种半导体,其中泵浦光在量子阱内产生空穴和电子。 这些电荷载流子的辐射和非辐射重组过程都非常快。 因此在 OPSL 中,有效的上能级寿命(即腔内行程时间的时间尺度)是几纳秒或更少。 这有两个好处。 首先,OPSL 可以在高达 100kHz 的速度下直接调制。 更重要的是,上能级寿命短意味着在激光模式时间尺度上没有储备能量,而只有瞬时增益。 当 OPSL 在多个纵向模式上工作时,这些腔体模式的行为因此完全由腔体决定,增益只是跟随其变化。 因此,这些模式之间的功率分布是随时间稳定的。

因为功率分布是完全稳定的,所以当使用腔内倍频晶体来产生可见光输出时,就没有由于纵向模式之间非线性耦合而产生的噪声。 由于上能级寿命短,绿光问题在 OPSL 中根本不存在。 由于不需要噪声抑制机制,也就避免了相关的成本和复杂性,所以就不需要在性能和复杂性(成本、潜在故障模式)之间进行权衡。 当然,OPSL 也可以设计成单模式运行,而且Coherent为干涉测量等应用提供了这些产品。 但对于 OPSL 来说,单模是针对这些高相干性应用的一个选项,而不是低噪声的先决条件。

 

OPSL 提供真正的连续紫外光输出

三倍频可用于 DPSS 和 OPSL,以产生紫外光输出。 与可见光激光器一样,调Q DPSS 激光器可以使用效率极高的腔外谐波发生功能。 这是Coherent为精密材料加工应用生产的几种工业纳秒激光器的基础。 但是在连续操作中,绿光噪声问题表现为紫外光问题,而且更为严重,因为三倍频效率是由聚焦强度的三次方决定的。 对于可以接受准连续输出的应用,如印刷电路板激光直接成像,DPSS 激光器可以用几十兆赫的重复频率进行模式锁定。一个例子是 Paladin 系列激光器,其皮秒脉冲的峰值功率很高,这意味着腔外三倍频效率是非常高的。 然而,对于数据存储和活细胞分拣等应用,脉冲输出和/或准连续CW 操作的高峰值功率可能都会造成问题。 OPSL 技术再次提供了一个优化解决方案,而不需要借助噪声抑制机制(如稳定的单模操作)。 例如,Genesis 355 激光器现在是公认的标准,用于满足对于需要紫外光输出的流式细胞术的日益增长需求,例如激发 DNA 的自体荧光。

Figure 3

图 3:Genesis 355 是一款低噪声紫外光 (355 nm) OPSL,能够为流式细胞术等应用提供真正的连续输出,且噪声非常低。

Summary

First generation, continuous wave solid-state lasers utilized DPSS technology. Obtaining visible and ultraviolet output with this technology is compromised by a phenomenon called green noise, leading to a trade-off between performance (low noise) and complexity (cost, and potential failure modes). The underlying mechanism responsible for this noise is completely eliminated in OPSLs. As a result, multimode visible and ultraviolet OPSLs provide superior noise characteristics without incurring any extra complexity or cost.

References

1. T. Baer, Large amplitude fluctuations due to longitudinal mode coupling in diode-pumped intracavity-doubled Nd:YAG lasers, J. Opt. Soc. Am. B, vol 3, 9, pp 1175-1180 (1986).

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