3. 激光器选型与操作基础

在量子光学实验中，激光器不只是“光源”，它同时决定了可用的量子态制备方式、探测效率、干涉可见度以及实验的时间尺度。选型时如果只盯着“功率越大越好”，往往会在相干长度、模式纯度或同步精度上付出代价。本节围绕连续与脉冲两类激光器的差异、波长与功率的匹配原则、预热与模式检查方法，以及激光安全与功率计的正确使用展开，目标是让读者能够根据实验需求做出合理选择，并完成基本的开机与检查操作。

连续与脉冲：先确定实验的时间尺度

连续激光器（CW）输出功率稳定、线宽窄、相干时间长，适合连续变量量子光学、腔量子电动力学、激光冷却与俘获、以及需要长时间积分的高精度光谱实验。例如在铷原子D2线冷却实验中，常用780 nm外腔半导体激光器，输出几十到几百毫瓦，线宽可压至百千赫兹量级，配合饱和吸收谱锁定后频率漂移可控制在兆赫兹每小时以内。

脉冲激光器则把能量压缩在极短时间窗口内，峰值功率高，适合非线性光学过程、自发参量下转换制备纠缠光子对、时间分辨测量和同步泵浦。以钛蓝宝石飞秒激光器为例，中心波长约800 nm，脉宽约100 fs，重复频率80 MHz，平均功率1～3 W时，单脉冲峰值功率可达百千瓦量级，足以在BBO晶体中高效产生纠缠光子。选型时首先要问：实验需要的是“长时间稳定”还是“高峰值功率与时间标记”？前者优先CW，后者优先脉冲。

波长与功率：匹配介质与探测效率

波长选择由实验介质和探测器件共同决定。碱金属原子冷却常用780 nm（Rb）、852 nm（Cs）、671 nm（Li）；自发参量下转换常用405 nm泵浦产生810 nm光子对，或351 nm泵浦产生702 nm光子对；硅基单光子探测器在600～900 nm量子效率最高，因此纠缠源波长通常落在此区间。若实验涉及光纤传输，还需避开OH吸收峰（约1380 nm），优先选择1550 nm通信波段。

功率选择要区分“平均功率”和“峰值功率”。CW实验通常关注样品处的功率密度，例如冷却实验中每束光功率约10～100 mW，聚焦光斑直径约1 cm，对应光强约10～100 mW/cm²。脉冲实验则要计算峰值功率密度，避免超过晶体损伤阈值。以BBO晶体为例，损伤阈值约1 GW/cm²，若脉宽100 fs、重复频率80 MHz、平均功率1 W、聚焦光斑直径100 μm，峰值功率密度约为1.6×10¹¹ W/cm²，已远超阈值，必须扩束或降低平均功率。因此脉冲实验的功率选择必须结合脉宽、重复频率和聚焦条件综合计算。

预热与模式检查：开机后的必要步骤

半导体激光器和固体激光器在开机后都需要预热，使温度控制环路和腔体达到热平衡。典型预热时间为15～30分钟，期间功率漂移可能达到5%～10%，频率漂移可达数百兆赫兹。预热完成后，再进行模式检查。

模式检查包括三项：一是用光束质量分析仪或刀口法测量M²因子，判断是否接近基模；二是用共焦扫描干涉仪观察纵模结构，确认单频或稳定多模；三是用红外观察卡或CCD检查光斑是否圆对称、有无高阶模或散射环。若发现光斑呈椭圆或出现多瓣，可能是准直偏移或腔镜污染，需要重新调整光路或清洁镜面。

激光安全：不可省略的底线

激光安全的核心是“避免任何一次意外直射或反射进入眼睛”。操作前必须佩戴对应波长的护目镜，例如780 nm用OD4以上、800 nm用OD5以上。光路应尽量保持在1.1 m以下，避免与坐姿视线平齐；所有未使用的光束必须用挡板或终止器吸收，不能随意让光束射向墙壁或桌面。调整光路时使用红外观察卡或CCD，严禁用肉眼直接观察。若使用高功率脉冲激光，还需注意反射镜、透镜和晶体的散射光，必要时加装遮光罩。

功率计使用：量程、波长与读数

功率计分为热堆型和光电二极管型。热堆型量程宽（μW～W），但响应慢、易受环境温度影响；光电二极管型灵敏度高、响应快，但量程窄、易饱和。使用前先确认波长校准系数，例如热堆探头在780 nm和1064 nm的响应度不同，若用1064 nm校准值读780 nm功率，误差可达10%以上。测量时先选大量程，再逐步降低，避免过载。探头表面应垂直于光束，距离适中，避免反射光再次进入探头造成读数偏高。读数稳定后记录，并注明测量位置和波长设置。

一个可参考的开机检查清单

完成以上检查后，激光器才进入可用状态。后续实验中若发现功率突然下降、模式变差或频率漂移增大，应优先检查温度控制、准直和镜面污染，而不是直接调高电流。激光器的稳定运行依赖的是热平衡、模式纯度和安全习惯的共同维持，而不是单一参数的极限追求。