John Wallace

 法國(guó)巴黎大學(xué)激光物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出一款名為垂直外腔表面發(fā)射有機(jī)激光器（VECSOL）的有機(jī)光泵浦固體激光器。該激光器能夠發(fā)出高質(zhì)量光束，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)43%，并且可調(diào)諧。^[1]通過(guò)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，并借助于塑料光纖，VECSOL將有望廣泛應(yīng)用于傳感或通信領(lǐng)域。

VECSOL的增益介質(zhì)是一層有機(jī)聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜，其中摻雜了1%重量的若丹明640。利用離心沉積法將幾微米厚的PMMA薄膜覆蓋到一塊平面鏡上。該平面鏡對(duì)于波長(zhǎng)為600~660nm之間的光的反射率大于99.5%，與之相距4mm處有一塊凹面（曲率半徑為200mm）輸出耦合鏡，它對(duì)于波長(zhǎng)在600~880nm之間的光的反射率為98%。凹面輸出耦合鏡與平面鏡組成了完整的激光諧振腔。

激光器的泵浦波長(zhǎng)為532nm，諧振腔內(nèi)的兩塊腔鏡對(duì)于532nm波長(zhǎng)的光來(lái)說(shuō)是透明的。然而，厚度為17µm的PMMA薄膜對(duì)于泵浦光的單程吸收率可達(dá)80%。泵浦VECSOL的光束由倍頻Nd:YAG激光束發(fā)出。該激光束可以是持續(xù)時(shí)間為7ns的“長(zhǎng)脈沖”，也可以是0.5ns的“短脈沖”，兩者都具有10Hz的重復(fù)頻率和140μm的泵浦光束直徑（如圖）。

可調(diào)諧性

對(duì)于長(zhǎng)脈沖泵浦，這種VECSOL的輸出激光閾值為1.8μJ，最大輸出能量為6μJ（峰值功率為870W），光光轉(zhuǎn)換效率為43%（量子效率為63%）。輸出光束是與泵浦光束偏振方向相同的線偏振光，并且是衍射受限的（光束質(zhì)量M²值為1.0）。光束的中心波長(zhǎng)約為655nm，但是在640~670nm之間包含多個(gè)波長(zhǎng)峰，峰-峰間隔為7.5μm，是由PMMA薄膜的厚度所形成的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜范圍。由于采用了離心沉積工藝，平面鏡的PMMA薄膜的厚度可變，從而可以通過(guò)橫向平移平面鏡在20nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)諧。

圖：利用532nm激光泵浦具有平凹諧振腔的VECSOL，后者以43%的轉(zhuǎn)換效率輸出波長(zhǎng)約為650nm的激光。

研究人員還測(cè)試了厚度為10μm、5.6μm和2.35μm的PMMA薄膜。他們發(fā)現(xiàn)針對(duì)不同的薄膜厚度，波長(zhǎng)峰之間的間隔也不同，這與預(yù)期相一致。最薄的薄膜對(duì)應(yīng)的峰-峰間隔非常大，以至于此時(shí)激光器只能形成一個(gè)峰（由于最薄的薄膜層的厚度均勻，因此單個(gè)峰是不可調(diào)諧的）。

短脈沖泵浦的輸出激光閾值為0.95μJ，最大輸出能量為0.7μJ（峰值功率為2kW），轉(zhuǎn)換效率為6.3%。

研究人員注意到，對(duì)于長(zhǎng)脈沖泵浦，VECSOL的腔長(zhǎng)可以增加到60mm，而對(duì)于短脈沖泵浦，也可以增加到10mm，這讓他們可以插入腔內(nèi)光學(xué)元件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

“這種激光器對(duì)于那些需要成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊并且易于操作的可見(jiàn)光波段可調(diào)諧光源的應(yīng)用來(lái)說(shuō)很有吸引力。”研究員Sebastien Chénais說(shuō)，“這種VECSOL與分布反饋式有機(jī)激光器或有機(jī)微腔激光器之間的關(guān)鍵不同在于，它具有完美的衍射極限光束質(zhì)量，并且可以達(dá)到非常高的轉(zhuǎn)換效率。聚合物光纖在650nm波長(zhǎng)處具有最大透射率，而這恰好是VECSOL輸出光的波長(zhǎng)范圍，因此很容易將光束耦合到聚合物光纖中。這一點(diǎn)同樣適用于短距離數(shù)據(jù)通信。另一個(gè)潛在的應(yīng)用領(lǐng)域是有機(jī)分子光譜學(xué)，包括生物系統(tǒng)或者化學(xué)傳感。因此，在那些需要中等能量的脈沖激光的應(yīng)用領(lǐng)域，它可能會(huì)取代昂貴笨重的光參量振蕩器或液體染料激光器。”

Chénais相信，如果再對(duì)VECSOL做一些改進(jìn)（例如，增加控制良好的波長(zhǎng)調(diào)諧能力），它將在工業(yè)領(lǐng)域引起關(guān)注。他指出，目前整套系統(tǒng)的成本幾乎就是泵浦激光器的成本；如果采用像激光二極管這類更加廉價(jià)的泵浦源，該激光器將更具成本效益。

易于重新涂層

“我們最終的目標(biāo)是用有機(jī)半導(dǎo)體作為增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電泵浦，但是目前這個(gè)設(shè)想仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，并且在短期內(nèi)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)。”Chénais說(shuō)，“與使用大體積染料摻雜塊狀聚合物的固體染料激光器相比（或者與其他需要為激活介質(zhì)制模的更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)相比），這種激光器大大降低了由于有機(jī)染料自身固有的低光穩(wěn)定性所帶來(lái)的局限性，因?yàn)榍逑辞荤R并涂覆一層全新的活性涂層僅僅需要幾分鐘的時(shí)間。”

參考文獻(xiàn)：

1. H. Rabbani-Haghhighi et al., Opt. Lett. 35, 12, p. 1968 (2010).