低相干性激光的研究进展 
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1 引言
激光因具有相干性高、方向性好、亮度高及单色性好的特点得到了广泛的应用和研究[1-3]。但是当高相干光源照射到粗糙物体时,由于散射光的干涉会形成颗粒状噪点,这些噪点被称为散斑[4]。散斑在无损探测领域有巨大的应用,如测量物体粗糙度、测量晶体的长度变化、检测材料裂纹、研究微血管血流等[5-8]。但是在某些应用领域,如激光显示、激光投影、全息成像、生物成像[9-15]等,只想利用激光的高方向性和高亮度的特性,而需要避免激光的高相干性,因为高相干性产生的散斑会严重影响图像的显示质量。
Wolf[16-17]提出互相干函数和交叉谱密度函数,它们分别描述空间两点在空间-时间域和空间-频率域的相关程度;同时建立了著名的Wolf等式,表明互相干函数和交叉谱密度函数满足波动方程,具有光波的一切特性。Wolf的工作为激光器的相干性调控奠定了理论依据。为了定量研究相干性的变化对散斑效应的影响,人们提出散斑对比度的概念。散斑对比度是一个直观且物理含义明确的物理量,基于误差敏感的评价方法,定义为散斑图像的强度标准差与平均值的比值[4]。散斑对比度分布在0到1之间,0代表无散斑,1代表散斑对比度最大。有研究表明,当散斑对比度为0.05以下时,人眼不可见[18]。
到目前为止,研究人员在降低散斑对比度的研究上取得了很多的突破。Goodman[4,19]从几何光学和统计学的角度详细地分析了散斑现象,并得出散斑本质上是振幅和相位的随机相干叠加的结论,可以通过降低光源的相干性来抑制散斑。且证明当M幅统计独立、非相干的散斑图像叠加时,散斑对比度由1下降为M-1/2。他总结前人的成果,整理了Speckle phenomena in optics: theory and applications[20]这本书。书中详细地阐述了8种降低散斑的方法,例如抖动的屏幕、激光阵列等,但是这些方法存在机械不稳定、体积庞大、成本高等问题。最直接和彻底的消散斑方法是使用低相干性激光。2018年,Chriki等[21]从激光器的模式角度出发,分析腔内不同模式对散斑对比度的影响,且在理论和实验上同时证明了激光腔内产生的不同的横模进行叠加时可以有效地降低散斑对比度。Cao等[22]指出当一个激光器的腔不存在明显的光轴时,如随机激光器和混沌腔激光器等,其横模和纵模不存在明显的区分,且模式分布非常复杂,不同模式之间的空间分布差异较大,所以这类激光的不同模式叠加都能有效地降低散斑对比度。
在过去的30年中,低相干性激光取得了巨大的发展,先后涌现出随机激光[23-31]、简并腔激光[11,32-33]、混沌腔半导体激光[34-35]、近共心腔半导体激光[36]及哑铃形腔半导体激光[37]。本综述按照低相干性激光出现的时间顺序来一一描述5类低相干性激光的发展历史、产生机理、激光特性及各自的优缺点。
2 低相干性激光
2.1 随机激光
1968年,Letokhov[38]提出在随机增益介质中也可能存在激光现象。他指出在不规则排列、杂乱无章的介质中光被散射,从而光子光程增加,假设无序的介质能使通过的光波产生增益效果,那么光波通过该介质时就会被增强放大,直至形成光路闭环产生激光。1994年,Lawandy等[39]将波长为530 nm的激光作为泵浦源,泵浦源激励掺有Al2O3外壳的TiO2微粒胶体溶液,通过测量出射光的光谱变化情况,发现当输入的激励能量较低时,只能看到自发辐射现象,当泵浦光能量达到某一特定值时,出射光谱急剧变窄,出射光从自发辐射变为激光,此时激励源的能量称为阈值。进一步研究表明,胶体溶液中的TiO2微粒与光谱出射有密切联系,从而验证了Letokhov提出的随机激光现象。
随机激光是最早被研究的低相干性光源,随机激光的产生机理非常特殊甚至是反直觉的。在传统激光理论和应用中,普遍认为散射现象对激光产生是极不利的因素。因为散射中心使光子从激光模式中散射出去,致使激光器的品质因数降低,因此在制作激光器的过程中,研究人员都尽可能地降低散射对激光器的影响。但是,随机激光由多重散射形成,如果不进行特殊的调控,随机激光产生的模式随机、出射方向随机,导致其模式多、相干性低、方向性差。传统激光器和随机激光器的产生机理如
2012年,Redding等[24]从散斑对比度和光子简并度角度出发,详细地阐述了随机激光的优点(也可以理解为低相干性激光的优点,因为2012年时,随机激光是唯一的低相干性激光)。随机激光器的发光本质依然是受激辐射,因此其光子简并度与传统激光器类似,使得随机激光具有高光谱密度的特点;同时,又因为随机激光的空间相干性低到可以与传统热光源、发光二极管相比拟,测得的散斑对比度很低。
图 1. 传统Fabry-Pérot激光器和随机激光器的对比[40]。(a)由两个反射镜和增益介质组成的Fabry-Pérot激光器的示意图,右反射镜是部分反射镜,黑色点代表激光腔内的散射中心;(b)随机激光的产生机理,多重散射增加了光在随机增益介质中的路径
Fig. 1. Comparison of traditional Fabry-Pérot laser and random laser. (a) Schematic of a Fabry-Pérot laser with two mirrors and a gain medium, the right mirror is partially mirror, the black dots represent the scattering center in laser cavity; (b) generation mechanism of random laser, multiple scattering increases the path of light inside the random gain medium
图 2. 电注入随机光子晶体激光器[31]。(a)侧向腔光子晶体面发射激光器结构示意图;(b)随机光子晶体的扫描电子显微镜(SEM)图;(c)不同Vr(高斯分布随机函数的变量)下,随机光子晶体激光器的光功率-电流曲线;(d) Vr=0 nm时的激射光谱;(e) Vr=20 nm时的激射光谱;(f) Vr=40 nm时的激射光谱;(g) Vr=50 nm时的激射光谱
Fig. 2. Electrically-injected random photonic crystal laser[31]. (a) Structure schematic of lateral cavity photonic crystal surface emitting laser; (b) SEM image of random photonic crystal; (c) optical power-current curves of random photonic crystal laser under different Vr(variable of Gaussian distribution random function); (d) emission spectra for Vr=0 nm; (e) emission spectra for Vr=20 nm; (f) emission spectra for Vr=40 nm; (g) emission spectra for Vr=50 nm
图 3. 电泵浦有方向性的随机激光器[42]。(a)随机激光器的示意图;(b)具有25%的孔洞填充率和总直径为500 μm的随机激光器的SEM图,小孔的直径为20 μm;(c)在热沉温度为5 K的测试条件下,测量的具有不同填充率的激光器的电流-电压(IV)和光功率-电流(LI)特性;(d)具有不同填充率的器件的最高工作温度和在表面方向测得的峰值输出功率
Fig. 3. Electrically-pumped random laser with directivity[42]. (a) Schematic of the random laser; (b) SEM picture of a random laser with 25% hole-filling fraction and total resonator diameter of 500 μm, the diameter of the holes is 20 μm; (c) current-voltage (IV) and light power-current (LI) characteristics of devices with various filling fractions, measured at a heat-sink temperature of 5 K; (d) maximum operating temperature and the peak output power measured in the surface direction of the device with different filling fractions
由于随机激光新奇的物理现象和特殊的发光性质,在过去30年,粉末、胶体、染料随机激光器,液晶随机激光器,电泵浦随机激光器,光纤随机激光器及光子晶体随机激光器都得到了巨大的发展。Cao等[23]在一个直径约为1 μm、由ZnO纳米颗粒组成的团簇球体中,验证了散射光的相干放大增强了干涉效应,有助于光子的空间束缚。Wiersma等[41]将液晶扩散在激光染料中,实现了温度对随机激光阈值和发射带宽的调节,为主动调控随机激光的发光特性指明了方向。Leong等[28]提出电泵浦随机激光器,该激光器摆脱了传统随机激光器依赖高峰值功率脉冲激光作为泵浦源的限制,有利于随机激光器在实际中的应用。Turitsyn等[29]提出了随机分布反馈式光纤激光器,自此,随机光纤激光器引起了广泛的关注。
为了更精确地调控随机激光的光谱,使其更好地应用于激光显示、激光照明等领域,Guo等[31]基于侧向腔光子晶体面发射激光器的平台结构,如
随机激光的产生机理导致方向性差,大大地削弱了其使用价值,对随机激光方向性进行控制是重要的研究方向。Schönhuber等[42]第一次报道了有方向性的随机激光器,这是随机激光在方向性探索中取得的突破性进展,其器件既实现了具有方向性的光束又保持了随机激光的光谱特性。Wiersma[43]对其工作进行了报道。Schönhuber等[42]使用圆形平面波导,且在这种平面波导上刻蚀随机的小孔,如
压缩制备成本、扩展光谱范围可以进一步推进随机激光的实用化。有机材料具有成本低廉、制备简单、可变形等特点。Chang等[30]使用有机染料制备了白光随机激光器。使用4-(dicyanomethylene)-2-tert-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidin-4-yl-vinyl)-4H-pyra(DCJTB)有机染料产生红色波段的随机激光,使用stilbene-420(S420)有机染料产生蓝色波段的随机激光,且通过溶液加工和自组装工艺,这两种染料就能形成适用于产生随机激光的纳米颗粒和纳米盘。绿色波段的随机激光使用rhodamine 6G(R6G)染料,但是这种染料并不能形成适用于随机激光的天然随机结构,他们通过添加银纳米颗粒作为散射中心来产生绿光随机激光。而后将三种材料制备在一块玻璃衬底上,使用266 nm波长的脉冲激光器对其进行整体泵浦,经红绿蓝三种颜色的光混合最终形成白光。
尽管随机激光具有一些独特的性质,但仍具有不足之处。例如随机激射通常具有较高的阈值,需要高峰值功率脉冲激光作为泵浦光源,光光转换效率也较低;绝大多数随机激光器发射方向为四面八方,具有方向性差的缺点,即使用作照明光源,效率也较低;对随机激光光谱进行调谐的手段相对较少,灵活性也较差。这些不足严重阻碍了随机激光的实际应用。
2.2 简并腔激光
Arnaud[44-46]详细分析了简并腔的理论基础。简并有两重含义,腔内的光线简并且腔内的横模简并。在理想的简并腔中,腔内的光线都属于简并光线,即一次往返后,任意光线会和其自身的路径完全重合。根据光线简并条件,再结合激光的模式理论,通过光线传输方程,针对高斯模式,发现符合简并条件的模式的特征频率里不包含横模和侧模阶数,也就是说在同一个纵模下,可以有无数的横模发生简并,这是简并的深层含义。但是Arnaud只是对简并腔进行了理论分析,并没有把简并腔用到低相干性激光上。
2013年,Nixon等[32]利用4f激光系统搭建了简并腔,且通过调节腔内的针孔孔径来实现腔内的模式数量可调,首次利用简并腔产生了低相干性激光。实验装置如
图 5. 无散斑全场成像[32]。(a)小针孔下的检测图像;(b)大针孔下的检测图像
Fig. 5. Speckle-free full-field imaging[32]. (a) Detected image using small pinhole; (b) detected image using large pinhole
2016年,Knitter等[11]把简并腔内的增益介质改换为垂直腔面发射激光器(VCSEL),实现了电泵浦的简并腔激光器,波长为1055 nm左右,如
图 6. 电泵浦简并腔激光器示意图,通过调整腔内孔径的大小来控制简并腔的模式数[11]。(a)大孔径,低相干性模式;(b)小孔径,高相干性模式
Fig. 6. Schematic of electrically-pumped degenerate cavity laser, controlling the number of modes of degenerate cavity by adjusting the size of the aperture[11]. (a) Large aperture and low coherence operation; (b) small aperture and high coherence operation
图 7. 低相干性光成像得到的爪蟾胚胎心脏的轮廓及高相干性光下观察到的爪蟾胚胎心脏血液流动情况[11]。(a)爪蟾胚胎心脏;(b)爪蟾胚胎心脏跳动周期;(c)使用高相干性光源拍摄的心脏示意图;(d)~(f)使用低相干性光源拍摄的不同阶段的心脏轮廓示意图;(g)~(i)使用高相干性光源拍摄的不同阶段的心脏散斑示意图
Fig. 7. Contour of Xenopus embryonic heart obtained by low coherence light imaging and blood flow in heart of Xenopus embryo under high coherence light[11]. (a) Xenopus embryo with highlighted heart region; (b) heart beating cycle of Xenopus embryo; (c) embryo heart under high-coherence light source; (d)-(f) schematic of heart contours at different stages taken with low-coherence light source; (g)-(i) speckle imaging at different stages taken with high-coherence light source
通过调节腔内的针孔孔径,可以实现简并腔激光器相干性可调的激光输出,是迄今唯一的相干性大幅度可调的激光器。但是其光路复杂,且大部分的简并腔激光器属于光泵浦,导致能量转换效率低。
2.3 混沌腔半导体激光
回音壁模式(WGM)光学微腔因具有超高的Q值、较小的模式体积,在过去的20年间一直是人们的研究热点[47-49]。但是从旋转对称的几何结构可以看出,它最大的缺陷是腔内的模式是各向同性的,导致腔内的光很难被高效地导出和收集,大大限制了其应用。人们提出一种靠微腔和波导耦合实现WGM定向输出的方法[50-51],但是波导与微腔激光器之间的倏逝波耦合需要精密的对准和精确结构空隙的控制,实验制作的要求较高。1997年,Nöckel等[52]另辟蹊径,提出了非对称谐振腔(ARC),并且最先引入基于光线动力学的方法来研究微腔的性质,自此揭开了变形微腔研究的序幕[35,53-61]。研究人员引入庞加莱截面(SOS图)来分析微腔的射线动力学,分析变形微腔内可能存在的模式和光的出射方向。通过研究发现,根据微腔内存在模式的特性,微腔可以分为稳定腔、部分混沌腔和完全混沌腔。
但是变形微腔一直没被用到低相干激光上,直到2015年,Redding等[34]采用完全混沌腔D形腔[62-63],在半导体激光体系上实现了低相干性激光,第一次把变形微腔思想应用到低相干性激光上,结构示意图和模拟结果如
图 8. D形腔激光器的设计和模拟[34]。(a) D形腔的示意图;(b)~(d)最高Q模式的电场分布;(e)前10个激射模式的泵浦阈值
Fig. 8. Design and simulation of D-shaped cavity laser[34]. (a) Schematic of the D-shaped cavity; (b)-(d) electric field distributions of the highest Q mode; (e) calculated pump thresholds of the first 10 lasing modes
图 9. 激光器的空间相干性及其在全场成像中的应用[34]。(a)(b) F-P腔激光器和D形腔激光器的散斑对比度;(c)(d) F-P腔激光器和D形腔激光器在透射模式下的空军分辨率测试图
Fig. 9. Spatial coherence of the lasers and application to full-field imaging[34]. (a)(b) Speckle contrast of the F-P cavity laser and D-shaped cavity laser; (c)(d) Air Force Resolution Chart of the F-P cavity laser and D-shaped cavity laser in transmission mode
虽然D形腔激光器可以实现电泵浦、低相干性输出,但是这种激光器功率低、方向性差的缺点也非常明显。
2.4 近共心腔半导体激光
固体激光的谐振腔由反射镜构成,根据反射镜的曲率半径(R)和反射镜之间的距离(d),定义谐振腔稳定参数g1=1-d/R1,g2=1-d/R2,g1和g2的乘积取值为(-1,1),根据g1×g2不同的取值,可以将激光谐振腔分为稳定腔、介稳腔和非稳腔[66]。以g1和g2为横和纵坐标轴,画出反比例函数,如
图 10. 谐振腔稳定性图,阴影区域为非稳腔[66]
Fig. 10. Stability diagram of the resonator, unstable resonator systems lie in shaded regions[66]
随着半导体刻蚀工艺(比如电感耦合等离子体刻蚀(ICP)和反应离子刻蚀(RIE))的成熟、共焦腔和共心腔在固体激光器中取得的成功,研究人员开始尝试在半导体激光器体系上制备共心腔和共焦腔。1995年,Biellak等[67]就尝试把固体激光器的腔结构移植到半导体激光器上。随后Fukushima等[68-71]开始在这方面进行大量的尝试,将固体激光器中的稳定腔、介稳腔和非稳腔都做在了半导体激光器体系上,且考虑侧壁反射对这些腔内的模式分布和远场分布的影响,如
表 1. 准操场形谐振腔的参数[68]
Table 1. Parameters of the quasi-stadium resonator[68]
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2019年,Kim等[36]尝试把固体激光器中比较成熟的共心腔和共焦腔移植到半导体激光体系上,通过调整g(在0~-1变化),即在稳定腔和非稳腔之间变化,以求找到可能实现多模激射的结构参数。通过模拟计算,发现当g=-0.74时,此时的腔属于近共心腔,腔内的高阶模式和低阶模式的Q值变化差别最小,可以实现多模激射,从而减小器件的散斑对比度。
图 12. 近共心腔结构示意图[36]。(a) 2D对称稳定腔;(b)稳定腔中高阶横模的空间强度分布;(c)非轴向模式;(d)有方向性发射的稳定腔的三维示意图
Fig. 12. Schematic of the near concentric cavity structure[36]. (a) 2D symmetric stable cavity; (b) spatial intensity profile of a high-order transverse mode in a stable cavity; (c) non-axial mode; (d) three-dimensional sketch of the stable cavity with directional emission
图 13. 不同谐振腔的模拟结果[36]。(a)品质因数Q随横模数m变化的曲线;(b)高阶横模(m=7)的场振幅(左)和相应的Husimi投影(右)的空间分布;(c)高Q腔模数和轴向激射模数随g参数变化的曲线
Fig. 13. Simulation results of different resonators[36]. (a) Dependence of quality factor Q on number of transverse mode m; (b) spatial distributions of field amplitude (left) and corresponding Husimi projections (right) for high-order transverse modes (m=7); (c) number of high-Q resonance mode and number of lasing modes as functions of parameter g
2.5 哑铃形腔半导体激光
前面所述的随机激光器、混沌腔半导体激光器、近共心腔半导体激光器都能实现低相干性激光,但是方向性差,虽然近共心腔激光是方向性激射,但是其远场分布的半峰全宽仍然有70°。简并腔激光器需要复杂的外腔,且大部分仍然属于光泵浦,集成度低。
Xu等[37]结合前述激光器的优点,寻求一种既有低相干性又有高方向性、电泵浦的大功率半导体激光器。2020年,他们提出哑铃形腔半导体激光器,如
图 14. 哑铃形腔示意图[37]。(a)具有五层结构的哑铃形腔示意图;(b)哑铃形腔的SEM图,虚线圈表示由SiO2和金属层包裹的腔侧壁
Fig. 14. Schematic of dumbbell-shaped cavity. (a) Schematic of the dumbbell-shaped cavity with five-layer structure; (b) SEM image of the dumbbell-shaped cavity, the virtual coil represents the cavity side wall wrapped by SiO2 and metal layer
通过对哑铃形腔的模拟,依据Q值分布和模场分布,把腔内的模式分为5大类。这5类模式的模场分布如
图 15. 哑铃形腔中5种典型模式的模场分布[37]。(a)第一类模式;(b)第二类模式;(c)第三类高Q模式;(d)第三类低Q模式;(e)F-P基模;(f)共心腔模式;(g)混合模式;(h)混沌模式
Fig. 15. Mode field distributions of the five types of typical modes in the dumbbell-shaped cavity[37]. (a) First type of mode; (b) second type of mode; (c) high-Q mode of the third type of mode; (d) low-Q mode of the third type of mode; (e) fundamental F-P mode; (f) concentric cavity mode; (g) hybrid mode; (h) chaotic mode
图 16. 哑铃形腔半导体激光器实验结果[37]。(a)输出功率和电压与注入电流的关系;(b)激射光谱;(c)水平远场;(d)散斑图样;(e)测试散斑对比度的实验装置示意图
Fig. 16. Experimental results of the dumbbell-shaped cavity semiconductor laser[37]. (a) Output power and voltage as functions of injection current; (b) emission spectrum; (c) horizontal far-field pattern; (d) speckle pattern; (e) schematic of the experimental setup to characterize speckle contrast
实验上他们制备了中心波长为635 nm的哑铃形腔半导体激光器,并测试了其激光特性,如
哑铃形腔半导体激光器是第一个把复合腔的思想运用到低相干性激光器上的激光器,且得到了较好的性能指标,但是也遇到一些问题,比如连续情况下还不能激射,95%强度处的远场发散角为54°,所以哑铃形腔半导体激光器还有优化空间。
3 结论
介绍了5类典型的低相干性激光器的原理、设计理念、历史发展,且分析了各个激光器的优缺点。经过多年的发展,低相干性激光器仍处于实验室研究阶段,还存在很多亟待解决的问题,包括方向性差、功率低、连续不激射、相干性调节手段少等。此外,低相干性激光的应用也需要进一步的发掘。
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