激光波長的轉換

轉自MKS光學與運動控制

導敘

激光的波長是一項基本特征，由增益介質及其內部結構決定。常見的激光源之一是激光二極管，其波長由其設計和組成材料決定。激光二極管由電流驅動，直接將電能轉換為光。對于指ding的應用，并非所有波長都能采用所需的參數（例如功能或能量）從激光器中生成。當需要其他激光波長時，通常會使用某種波長轉換。在本文中，我們將介紹轉換激光的波長會對特定應用有利的情況，并且概述用于實現此類波長轉換的流程。

可調諧激光器

我們先討論調諧激光器。調諧范圍首先受到增益介質帶寬的限制。實現調諧的方法是控制激光腔內的損失，使產生激光的特定波長的損失降到最 di限度。
調諧機制可以像控制激光的溫度那樣簡單，也可以復雜到使用微機電促動器來更改激光腔的長度。可調諧激光二極管能夠實現到 40 nm 調諧范圍。

固態激光器

另一方面，許多固態激光器的增益光譜較窄，因此不可調諧，值得注意的例外是鈦寶石激光器，得益于較寬的增益帶寬，它能夠在 650-1100 nm 范圍內調諧。

線性波長

當激光用于將增益介質（通常為水晶）泵浦到更高的能態時，就會發生線性波長轉換。受激電子通過發出更長波長輻射來衰減到更低的能態。在激光腔內部放置增益介質，即可構成激光器。一個例子是 Nd:YAG 激光器，通常使用激光二極管在 808 nm 進行泵浦， 發出 1064 nm 輻射。 

非線性波長

接下來，我們要考慮非線性波長轉換。在光電領域，當極化密度 P 等物理量對激光器的電場 E 作出非線性響應時，我們就稱該系統為非線性。當介電材料受到電場 E 的影響時，其分子會獲得電偶極矩，我們稱該介質被極化。極化密度 P 表示這些電偶極矩的密度，可以使用以下方程來描述：

其中，e0 是常數，c(n) 稱為介質的 n 階極化率，表示介電材料響應外加電場 E 的極化度。這個方程表明，如果電場 E 激發介質，則產生與 E2 成比例的極化，其強度與 c(2) 項相關。如果 E 以 ω 頻率振蕩，則 P 具有以 2 ω 的頻率振蕩的分量。簡而言之，為了得到響應頻率為 ω 的激發，我們使電偶以 2 ω 的頻率振蕩和輻射。因此，事實上，介質將頻率為 ω 的輻射轉換成頻率為 2ω 的輻射。

這稱為二次諧波產生 (SHG)。二次諧波產生的一個都知道的例子是 532 nm 綠光激光器，它使用非線性水晶，通過 SHG 將 1064 nm 轉換為 532 nm。Spectra Physics VGEN-G 光纖激光器是依賴于此過程的一款商用激光器，如圖 1 中所示，它包含 SHG 模塊，用于產生脈沖綠光激光束。

圖 1 Spectra Physics VGEN-G 光纖激光器

典型的非線性光學過程依賴于充分極化的強激光束，以及能夠支持該激光束的非線性介質。非線性光學過程需要的激光工作條件、非線性介質以及過程中使用的極化率 c(n) 各不相同。

許多非線性過程會產生波長范圍較窄的輻射，但也不是沒有例外；例如，超連續光源通常使用復雜的光纖結構將光脈沖轉換為超寬帶輻射，而它就包含非常寬的波長范圍。

為了讓非線性介質高效地產生相干輻射，需要滿足某些條件，稱為相位匹配條件。相位匹配意味著非線性介質內部以不同頻率相互作用的波將保持適當的相位關系。只有滿足這些條件，我們才會獲得相干輻射，產生自光在介質內部傳播期間發生的非線性過程的總和。基本的相位匹配方程為：

k3 = k1 + k2

其中，k 是光的波矢量，下標表示相互作用的光束。對于 SHG，下標 1 和 2 表示原始激光，而下標 3 表示新產生的頻率加倍的波。圖 2 顯示 SHG 過程的示意圖，紅外光在該過程中轉換為綠光。但是非線性過程的轉換效率有限，因此一部分入射光會穿過非線性介質而不發生改變。這樣，當以短脈沖工作時，與平均功率恒定的連續波 (CW) 激光器相比，脈沖激光器的瞬時功率可能*。瞬時功率高，能夠提高非線性過程的效率。

圖2 二次諧波產生的示意圖

盡管滿足相位匹配條件基本上意味著節省能量和動量，但結果是使用 SHG 高效地轉換光的波長需要精心設計非線性介質。為什么會這樣？如果我們假定共線傳播（以便方程 k3 = k1 + k2 變為標量）并設 k1=k2（因為這些波矢量源于相同的激光束），則得到等式 k3 = 2k1。代入定義 k = 2 pn/l，其中，n 是折射率，l 是光的波長，則得出條件 n3 =n1，因為 l3 = l1/2。這意味著非線性水晶內部的原始波和新產生的波應具有相同的折射率。然而，很少有材料會在如此寬的光譜范圍內具有固定的折射率。

因此，為了實現相位匹配，非線性介質還必須是雙折射，也就是說，其折射率還取決于水晶內部光束的極化和傳播方向。 

所以，通過以特定角度精心切割非線性水晶，并且時而控制其溫度（因為折射率也與溫度有關），可以滿足方程 k3 = k1 + k2，因為 k 矢量源于不同的色散曲線。

再次檢查方程 P = e0(c(1)E + c(2)E2 + c(3)E3 + …)，我們發現其他非線性過程也成為可能：和頻與差頻產生、三次諧波產生，以及其他過程。和頻與差頻產生是產生兩個輸入頻率的和與差的過程。它們還依賴于 c(2) 非線性度，事實上，SHG 是和頻產生的特殊情況，其中兩個輸入波的頻率相同。相比之下，三次諧波產生依賴于 c(3) 非線性度，允許以原始光束頻率的三倍來產生光。

要從 1064 nm 激光器獲得 355 nm 的波長，可以使用單個水晶來實現三次諧波產生。然而，結果是由于大多數的 c(3) 非線性度與 c(2) 相比較低，更高效的方法是使用第一個水晶通過 SHG 產生 532 nm 的光，然后將二次諧波和剩余的 1064 nm 光束引向第二個水晶，通過和頻產生來獲得 355 nm 的激光。
值得注意的是，用于這些過程的兩個水晶不相同，因為每個水晶都混合不同的波長，所以需要為其支持的非線性過程專門定制。

非相干激光驅動光源

最后我們來討論非相干激光驅動光源。一個都知道的例子是由激光輻射激發的發光等離子體：激光可以激發氙燈中的等離子體，從而在可見光譜范圍產生寬帶光源。

非相干光源的另一個例子是產生以 13 nm 波長發出遠紫外 (EUV) 輻射的等離子體。產生該等離子體的方法是以大約 10 µm 的波長在真空中的錫滴上聚焦高功率二氧化碳激光。這里只有一小部分多千瓦級激光會轉換為短 800 倍的波長輻射。產生的 EUV 光能夠實現微電子行業中使用的*的光刻工藝。

在面臨需要采用激光器的應用時，要考慮波長和激光器的工作模式。例如，對于金屬焊接，則需要高功率 CW 激光器，以便將金屬加熱到熔點并將金屬部件連接起來。55 nm 或 266 nm 等短波長更適合于這種應用，因為金屬中的光吸收會隨著波長減小而顯著增加。相比之下，激光雕刻則需要使用脈沖激光器，因為它依賴于高瞬時功率在物體表面打標，而不需要產生的熱量穿透到材料深處。與上一個例子類似，應根據樣品的材料來選擇激光波長，以實現優異的性能。

結論

我們并不是總能夠為特定應用獲得所需的最佳波長，因為存在種種限制：激光機制自身限制，自非線性材料的可用性，以及能夠轉化激光波長的過程。

無論如何，采用非線性光學元件能夠使激光行業達到更寬廣的波長區域，同時不斷提高激光器的各種性能，從而提高各種基于激光的系統的產量和性能。

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