如何能够做到将激光的波长覆盖全光谱？ 第1页

这里有一张很不错的图，来自List of laser types

这图的上半边是产生分立谱线的激光，下半边是连续可调谐的激光。可以看出波长从200nm到30μm都有激光器覆盖到。其中比较重要的激光器有：

Ruby（红宝石激光），694.3nm，第一台诞生的激光器。

He-Ne（氦氖激光），632.8nm，第一台气体激光器，具有优良的相干性和准直性，广泛用于科研和生产。

CO2(二氧化碳激光)，10.6μm，具有很高的平均功率和能量效率，广泛用于材料加工，外科手术。

若丹明染料激光，540~680nm，最早的可调谐激光，被用于科研，光谱学，医学等等。

Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石激光），1064nm，使用广泛的固体激光器，被用于科研，眼科，材料加工等等。著名的激光干涉引力波天文台（LIGO）用的就是这种激光，可以探测相当于质子直径千分之一的位移。

Ti:Sapphire（掺钛蓝宝石激光），650~1100nm，使用最广泛的可调谐激光，基于Ti:Sapphire的锁模激光可以产生超短脉冲和超强功率的飞秒激光。

ArF准分子激光，193nm，重要的深紫外激光，是半导体光刻常用的光源。

这图没有给出的是FEL（自由电子激光）。FEL拥有最宽广的调谐范围，从毫米波到波长0.06nm的硬X射线都实现了出光。而单台激光器也可以在很宽的频段内调谐，如美国的LCLS可以产生0.15~6nm的激光，大连自由电子激光可以产生50~150nm的激光。所以FEL可以用来产生常规激光器难以产生的波长。不过FEL设备体积过于庞大，占地相当于一个网球场，运行成本也很高。

然后说说哪些因素限制了激光器的波长。激光的产生需要三要素：泵浦源，增益介质和谐振腔。常规的激光器是通过能级跃迁产生增益的，所以激光的波长取决于能级的大小。像硬X射线的光子能量达到数keV，远远超过常规物质的能级差，所以很难找到合适的增益介质。而真空紫外（10~200nm）在任何物质都会被强烈吸收，也缺乏高反射率的材料，所以这一方面导致难以构造谐振腔，一方面也难以实现放大（增益介质吸收的比增益的还要多）。

这里重点提一下FEL。FEL和常规激光器不同的是，FEL是通过接近光速运动的高品质电子束在磁场中拐弯产生相干同步辐射。由于同步辐射的光子能量只取决于电子能量和磁场参数，原则上任意波长都可以产生，不受常规激光器的能级限制。FEL是在真空中产生的，不存在材料对光的吸收，也不会因为激光太强导致材料出现非线性，所以FEL可以对任何波长实现增益，理论强度没有上限。唯一的一个问题是反射镜仍然限制了更短波长的获得。后来有一个重大的理论突破是无需反射镜的SASE模式（自放大自发辐射），高速电子一次通过磁场产生激光输出，从而绕过了谐振腔的限制。LCLS是第一台产生硬X射线的激光器，用的就是SASE原理。然而由于缺乏谐振腔，SASE产生的激光时间相干性不如常规激光器，能量涨落，时间抖动也很大。后来人们又开发了用常规激光器提供种子，FEL进行倍频的HGHG模式（高增益谐波产生），这样FEL仍然可以保留常规激光器的时间相干性，同时实现更短波长的输出。大连的极紫外光源用的就是HGHG原理。然而FEL的倍频能力也是有限的，由于常规激光器的波长限制，产生硬X射线仍然很困难。目前比较有希望的是利用金刚石或蓝宝石单晶作为反射镜。金刚石对硬X射线（5~25keV）有良好的反射率，这使得X射线的谐振腔成为可能。所以目前来看激光的波长可以推进到真空紫外/软X射线和硬X射线的波段，而实现更短波长的激光可能需要全新的手段。

还有一个办法绕过谐振腔限制的是用倍频材料。倍频的原理是激光穿过一些非线性材料会产生高次谐波，这些高次谐波保留了输入激光的单色性，相干性。不过倍频材料有一定的工作范围，不是所有的波长都能倍频的，倍频的次数也有限制，常见的有二倍频，三倍频。然而有一种技术叫HHG（High harmonic generation），用气体对入射激光倍频，可以获得二三十倍的倍频。更可贵的是这些倍频的光有更短的脉冲，更小的发散角。利用HHG可以产生阿秒量级的极紫外激光脉冲。