OPSL 优势白皮书系列第 3 期：
无模噪声（“绿色噪声”）

消除性能与成本的权衡

对激光器 （CW）激光器 要求严苛的可见光和紫外光应用激光器 例如：泵浦 CEP 稳定激光系统、布里渊散射以及半导体晶圆检测）需要具有低振幅噪声的高质量稳定输出光束。 二极管泵浦固态（DPSS）激光器 产生所需的光束质量（尽管仅限于固定^{输出功率¹}），但其噪声性能往往受限于一种称为“模噪声”或“绿色噪声”的问题。解决这一噪声问题会增加激光器的复杂性。激光器性能（噪声）与成本（复杂性）之间存在权衡。 这种关键的噪声机制在可见光OPSL中完全不存在，因此OPSL能够以更低的成本提供更低的噪声。这也使得OPSL能够以简单的结构产生无噪声的紫外输出（例如355 nm）。这是OPSL在流式细胞术主导紫外波长应用的主要原因。

¹请参阅本系列的白皮书第2号。

混沌模式的行为

激光器 宏观腔体的激光器 输出高度依赖于腔体结构。这适用于OPSL、激光器 大多数连续波气体（离子）激光器。由于腔体长度以数十毫米甚至数十厘米计，这些连续激光器 支持 纵向腔模。 通常激光器中，腔内光束强度会分配到多个纵向模式上，每个模式的频率略有不同（见图1）。

然而，对于离子激光器传统技术而言，腔内总功率在各个模式之间的分配具有相当强的随机性和动态性，如图1所示，这些模式的混合比例随时间变化，且它们在争夺可用的存储增益。但由于强度总和保持恒定，激光器 多模工作激光器 非常激光器 大多数需要低振幅噪声的应用。

在激光器 激光器不同模式之间的这种动态竞争源于激光活性介质具有储存的能量。简而言之，增益激发态 寿命远长于光子 绕连续波腔光子 的时间。具体来说，基于激光器 中激发态 激光器 微秒级，而腔体循环时间仅为纳秒级。 对于某些脉冲激光应用而言，这种储存的能量实际上是一种优势，因为它能实现一种称为Q开关的机制，从而产生非常短且强烈的脉冲。然而，这也限制了激光器的调制速度（即开关速度）。 此外，同样重要的是，当使用频率转换产生基频谐波时（例如将1064 nm基频波长倍增以产生532 nm连续波绿色输出），这种储能现象会引发噪声问题。

频率倍增产生绿色（和紫外）噪声

激光器 OPSL激光器 在近红外波段产生基频输出，随后通过所谓的非线性晶体进行倍频以产生可见光输出，或进行三倍频以产生紫外光输出。这些二次谐波生成（SHG）和三次谐波生成（THG）过程在很大程度上取决于强度——即 SHG 或 THG 晶体中的单位面积功率。 对于激光器峰值功率可能比平均功率高出多个数量级，因此可以在激光腔下游（即腔外）轻松实现高效的倍频（和三倍频）。但对于激光器（激光器获得高强度的唯一方法是将 SHG 和 THG晶体 ，在那里，循环功率可能比输出功率高出两个数量级。 此时，原本无害的模噪声便成了一个真正的问题。

当将倍频晶体插入具有多个纵模的DPSS激光器的基频腔内光束中时， 会在基频和倍频输出中 产生混沌强度噪声—— 见图2。 其原因是既可能发生二次谐波生成（将一个纵模的频率倍增），也可能发生和频生成（将两个不同纵模的频率相加）。 和频生成将各个纵模耦合在一起，从而使纵模之间能够发生直接的动态相互作用。纵模之间所有成对相互作用产生的时间动力学效应——即一个模的强度取决于另一个模的增益——会产生显著的强度噪声。 这一早已被认知的现象被称为“绿色问题”[参考文献 1]，因为最早广泛使用的激光器 腔内倍频激光器 (CW)激光器 绿色 DPSS激光器其中 1064 nm 的激光基频经过倍频后产生 532 nm 的绿色输出。

CW DPSS激光器：性能与成本的权衡

在连续波激光器 ，已采用多种方法激光器 解决模噪声问题。早期的一种方法是使用拉长的谐振腔，以便将功率分配到更多的纵模上。 其原理是通过将噪声效应平均到更多模式上，从而降低噪声水平。这种“展宽”方法对于某些应用已足够，但对于那些对噪声特别敏感的应用（如载波包络相位（CEP）稳定化），该方法已被证明是不够的。当然，它还会对依赖单色性（即窄光谱带宽）的应用产生负面影响。

一种更严谨的方法是从源头消除绿色噪声。在DPSS激光器中实现这一点的最直接方法是，利用干涉仪等光学元件使激光器工作在单纵模。这需要对谐振腔进行主动热稳定，并能够通过压电镜架和反馈电子设备将谐振腔长度和干涉仪性能锁定在一起。这一切都会增加成本和复杂性。

一些商用低噪声激光器 其他主动反馈降噪策略。但在任何情况下，噪声、成本和复杂度之间都存在不可避免的权衡。

OPSL——提供低噪声可见光输出

对于OPSL而言，其增益动力学完全不同。增益介质是一种半导体，泵浦光会在量子阱内产生空穴和电子。这些载流子的辐射和非辐射复合都是非常快速的过程。因此，在OPSL中，有效上态寿命仅为几纳秒或更短，即处于腔体三倍时间尺度上。这带来了两个好处。 首先，OPSL可直接调制，调制速率可达100 kHz。更重要的是，上态寿命的短暂意味着在激光模时间尺度上不存在储能——仅存在瞬时增益。当OPSL工作于多个纵模时，这些腔模的行为因此完全由腔体决定，增益仅随之变化。因此，这些模之间的功率分布随时间保持稳定。

由于功率分布完全稳定，当使用腔内倍频晶体产生可见光输出时，不会出现因纵模之间非线性耦合而产生的噪声。由于上态寿命较短，OPSL中根本不存在“绿色问题”。由于无需采用噪声抑制机制（及其相关的成本和复杂性），因此性能与复杂性（成本、潜在故障模式）之间不存在权衡。 当然，OPSL 可以设计为单模工作，高意 也高意 此类高意 用于干涉等应用。但在 OPSL 中，单模只是这些高相干应用的一种选项，而非实现低噪声的先决条件。

OPSL 提供真正的连续波紫外光输出

频率三倍频技术可与DPSS和OPSL激光器结合使用，以产生紫外光输出。与可见激光器类似，Q开关激光器 采用腔外谐波生成技术，且效率极高。这正是高意 精密材料加工应用激光器 多种工业 激光器 的基础。 但在连续波（CW）工作模式下，绿色噪声问题会演变为更为严重的紫外线问题，因为三倍频效率取决于聚焦强度的三次方。对于可接受准连续波输出的应用（如印刷电路板的激光直接成像），DPSS激光器可实现模式锁定，重复频率可达数十兆赫兹。激光器 便是典型激光器 皮秒脉冲的高峰值功率使得腔外三倍频效率极高。然而，对于数据存储和活细胞分选等应用，脉冲输出和/或伪连续波运行的高峰值功率可能成为问题。 OPSL技术再次提供了最佳解决方案，且无需依赖稳定单模运行等噪声抑制机制。例如Genesis 激光器现已成为满足日益增长的流式细胞术 需求的公认标准，流式细胞术 需要紫外输出，例如用于激发DNA的内源性荧光。