为什么别的激光器一调功率就“虚焦”，而它不会？

在科研和工业领域，精确控制激光功率是家常便饭。无论是为了防止灵敏的探测器过载，还是为了在超分辨显微镜中寻找最佳分辨率，抑或是保护娇贵的实验样品，我们总需要频繁地转动那个“功率旋钮”。然而，对于大多数固态激光器而言，调低功率往往伴随着一个令人头疼的副作用：光束质量开始“失控”——发散角变大、光斑变形、指向漂移。这背后真正的“元凶”，是一个在激光物理中广为人知却难以根除的现象：热透镜效应。今天，我们要介绍一项彻底解决此问题的技术——光泵浦半导体激光器(OPSL)，及其核心优势之一：恒定光束属性。

01、功率调节的“隐形代价”：热透镜效应

当激光晶体被泵浦发光时，一部分能量会不可避免地转化为热量，在晶体内部形成从中心到边缘的温度梯度。这会导致两个后果：晶体折射率随温度变化，形成类似透镜的折射率分布、晶体受热膨胀，导致光学表面发生微小的曲率变化。

图 1：在基于块状晶体光泵浦的激光器中，泵浦光会导致无用的径向热梯度，并且通常还会产生纵向热梯度，从而导致很强的热透镜效应，且其透镜功率随泵浦功率的变化而变化。

这两种效应叠加，就像在激光谐振腔内插入了一个功率依赖的“隐形透镜”(即热透镜)。泵浦功率一变，这个透镜的“度数”就跟着变，直接导致输出光束的发散度、直径和模式发生改变。为了解决这个问题，一些高端DPSS激光器配备了复杂的动态补偿系统(如ThermaTrak™)，通过移动内部透镜来实时校正。但更多的普通激光器则无能为力，其光束参数往往只在标称的最大功率下才能得到保证。

02、OPSL的解决方案：从“厚砖”到“薄片”的革命

OPSL技术之所以能跳出这个困境，源于其颠覆性的增益介质设计。

传统DPSS激光器：使用块状晶体(如Nd:YVO₄)，热传导路径长，热梯度显著，热透镜效应强。

OPSL激光器：使用超薄半导体量子阱芯片(厚度<10微米)，像一片蝉翼附着在高效散热器上。

这个“薄”是革命性的。热梯度依然存在，但由于增益介质的厚度不到传统晶体的千分之一，热量可以瞬间被导走，无法形成有效的热透镜。从物理结构上，就杜绝了功率变化导致光束畸变的可能性。为了验证这一优势，工程师进行了严苛的干涉测试：他们将OPSL芯片置于极端泵浦条件下(光斑仅420μm，功率高达9W)，结果测得的波前畸变微乎其微(仅λ/40)，从实验层面证实了其近乎为零的热透镜效应。

图 2：OPSL 增益芯片的光学性能是通过将其纳入基于高相干单频 980 nm 测试激光器的马赫-曾恩干涉仪进行测试的。

03、真实数据说话：功率随便调，光束稳如山

理论需要实践检验。对一台8瓦的 Verdi G OPSL激光器(532nm) 进行的实测数据令人信服：当输出功率从几百毫瓦到满功率8瓦之间动态调整(变化超过一个数量级)时：光束发散角保持恒定、光束直径保持恒定。这意味着，无论是进行低功率的系统校准，还是需要精细调节功率以优化STED显微镜的分辨率，用户都无需担心因功率变化而重新调整光路或牺牲光束质量。

图 3：在 Verdi 系列 OPSL 中，输出功率改变超过一个数量级，不会导致输出光束发散发生有意义的变化。

图 4：在 Verdi 系列 OPSL 中，输出功率改变超过一个数量级，不会导致输出光束直径发生有意义的变化。

04、不止于此：OPSL的完整优势图谱

恒定光束属性只是OPSL技术优势的一环。它作为一个平台技术，还为您带来：

波长灵活性：通过设计半导体结构，可在可见光到近红外范围内提供多种波长选择。

无“绿光噪声”：从根本上避免了传统DPSS绿光激光器的功率低频噪声问题，输出极其稳定。

卓越的可靠性：半导体芯片结构坚固耐用，拥有庞大的成功安装案例，平均无故障时间极长。

05、总结

在需要精密功率控制的应用中，OPSL提供了一种“一劳永逸”的解决方案。它让用户摆脱了功率与光束质量不可兼得的束缚，真正实现了“调功率不调光路”的操作自由，简化了系统集成，提升了实验的重复性与工艺的一致性，从长远看提供了更优的总体拥有成本。选择OPSL，就是选择了一份在功率变化时也始终如一的稳定与可靠。

审核编辑 黄宇