耀如羿射九日落 罢如江海凝清光

激光器的目标很单纯，就是努力把尽可能多的能量分配在尽可能少的模式里。激光器包含三个要素：共振腔，选择适当的模式；增益介质，放大光的功率；泵浦源，从外部提供能量。

泵浦源改变了增益介质中的粒子数分布，使之显著偏离热平衡情况（玻尔兹曼分布），在一些能级之间产生粒子数反转，也就是说上能级的粒子数比下能级多。这样一来，穿过增益介质的光就有可能被放大，不会因为吸收而衰减。这些可能实现粒子数反转的能级，就构成了材料的增益谱。

增益介质处于共振腔里，穿过增益介质的光大多是匆匆过客，只有那些行进方向跟共振腔的光轴一致的光，才有可能在两个端镜之间多次反射。端镜的横向尺寸很小，共振腔的纵向长度很大，为了得到足够增益需要往返的次数很多，所以，任何微小的偏离都是致命的，所以激光器里的横向模式总是很少的。只要方向正确，就都是同路人，步子大点还是小点，关系就不是太大，每次经过增益介质，总是能从他那里揩点油的，所以，激光器的纵向模式可以很多。

激光共振腔跟通常的法布里-珀罗腔的最大差别就在于前者的腔里面放了块增益介质。我们知道，材料的折射率取决于电子在其能带（或能级）中的分布情况，光当然会改变这种分布，而激光共振腔里最不缺的就是光啊。所以，增益介质的折射率是随时变化的，跟激光器的工作状态有很大关系。激光的模式拖曳就是因为这个缘故。激光要实现激射，必须有粒子数反转。同一个地方的粒子数反转，给了这个模式，就不能给那个，不能一鱼双吃，只能是谁的拳头大谁有理（受激辐射正比于光强），这就是激光的模式竞争。对于同一个模式，不同地方的粒子数反转对激光的贡献可能也不一样，因为共振腔里驻波场的振幅是依赖于具体位置的，这样就会贫富分化的情况，造成了激光的空间烧孔。

为了避免空间烧孔，通常有两种方法。一种是采用行波腔，让共振腔里的激光场跑起来，不要停在一个地方不动；另一种方法是采用多模模式，这样就可以让不同的波长占据不同的位置，一方水土养一方人。

为了防止模式竞争，最好的方法就是马太效应。“人之道，损不足而奉有余”，养一根独苗，实现单模激光。横向模式的选择比较容易，通常不过是调节光轴上一个小孔的大小，不同模式的光具有不同的横向光场的分布，同一个小孔导致的光场损耗可以有巨大的差别。纵向模式的选择比较麻烦，经常要放几个不同的标准具（也就是法布里-珀罗腔）在共振腔里，只有经过多重考验的模式才能够幸存下来。

为了防止模式拖曳，就要保证激光工作在稳定的状态。泵浦源要稳定，激光的光强和波长也要稳定。稳定的原则很简单，就是负反馈，“天之道,损有余而补不足”。波长的稳定就是调节共振腔的等效程度，压电晶体可以高速稳定高精度地调节端镜的位置。光强的稳定可以通过改变泵浦光的强度或者共振腔的损耗来实现。

这些方法可以让你得到一个单模的激光器，可是你怎么确定这就是你想要的激光波长呢。这就涉及到激光波长的定标问题，你当然可以找个信得过的激光器、标准具或者其他什么的来比对一下，但是最好的方法还是选择一个自然出现的光学跃迁过程来比对，因为“上帝是微妙的，但不是邪恶的”。

有了定标好的单模激光器，你仍然不会满足的，你还想要波长可以随意调节的激光器，这就是可调谐的激光器。这也不是很难，只要有增益谱足够宽的增益介质，泵浦功率足够强的泵浦源，模式控制自如的光学腔，你就肯定可以做到的——只看你愿意不愿意了。