導語

激光的波長是一項基本特征，由增益介質及其內(nei) 部結構決(jue) 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(jue) 定。激光二極管由電流驅動，直接將電能轉換為(wei) 光。對於(yu) 指定的應用，並非所有波長都能采用所需的參數（例如功能或能量）從(cong) 激光器中生成。當需要其他激光波長時，通常會(hui) 使用某種波長轉換。在本文中，我們(men) 將介紹轉換激光的波長會(hui) 對特定應用有利的情況，並且概述用於(yu) 實現此類波長轉換的流程。

可調諧激光器

我們(men) 先討論調諧激光器。調諧範圍首先受到增益介質帶寬的限製。實現調諧的方法是控製激光腔內(nei) 的損失，使產(chan) 生激光的特定波長的損失降到最低限度。

調諧機製可以像控製激光的溫度那樣簡單，也可以複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 調諧範圍。

固態激光器

另一方麵，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，得益於(yu) 較寬的增益帶寬，它能夠在 650-1100 nm 範圍內(nei) 調諧。

線性波長

當激光用於(yu) 將增益介質（通常為(wei) 水晶）泵浦到更高的能態時，就會(hui) 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(nei) 部放置增益介質，即可構成激光器。一個(ge) 眾(zhong) 所周知的例子是 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(men) 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(men) 就稱該係統為(wei) 非線性。當介電材料受到電場 E 的影響時，其分子會(hui) 獲得電偶極矩，我們(men) 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：

P = e0(c(1)E + c(2)E2 + c(3)E3 + …)

其中，e0 是常數，c(n) 稱為(wei) 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(ge) 方程表明，如果電場 E 激發介質，則產(chan) 生與(yu) E2 成比例的極化，其強度與(yu) c(2) 項相關(guan) 。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(wei) 了得到響應頻率為(wei) ω 的激發，我們(men) 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(wei) ω 的輻射轉換成頻率為(wei) 2ω 的輻射。

這稱為(wei) 二次諧波產(chan) 生 (SHG)。二次諧波產(chan) 生的一個(ge) 眾(zhong) 所周知的例子是 532 nm 綠光激光器，它使用非線性水晶，通過 SHG 將 1064 nm 轉換為(wei) 532 nm。Spectra Physics VGEN-G 光纖激光器是依賴於(yu) 此過程的一款商用激光器，如圖 1 中所示，它包含 SHG 模塊，用於(yu) 產(chan) 生脈衝(chong) 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於(yu) 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(hui) 產(chan) 生波長範圍較窄的輻射，但也不是沒有例外；例如，超連續光源通常使用複雜的光纖結構將光脈衝(chong) 轉換為(wei) 超寬帶輻射，而它就包含非常寬的波長範圍 。

為(wei) 了讓非線性介質高效地產(chan) 生相幹輻射，需要滿足某些條件，稱為(wei) 相位匹配條件。相位匹配意味著非線性介質內(nei) 部以不同頻率相互作用的波將保持適當的相位關(guan) 係。隻有滿足這些條件，我們(men) 才會(hui) 獲得相幹輻射，產(chan) 生自光在介質內(nei) 部傳(chuan) 播期間發生的非線性過程的總和。基本的相位匹配方程為(wei) ：

k3 = k1 + k2

其中，k 是光的波矢量，下標表示相互作用的光束。對於(yu) SHG，下標 1 和 2 表示原始激光，而下標 3 表示新產(chan) 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(wei) 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(hui) 穿過非線性介質而不發生改變。這樣，當以短脈衝(chong) 工作時，與(yu) 平均功率恒定的連續波 (CW) 激光器相比，脈衝(chong) 激光器的瞬時功率可能極高。瞬時功率高，能夠提高非線性過程的效率。

圖2 二次諧波產(chan) 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(wei) 什麽(me) 會(hui) 這樣？如果我們(men) 假定共線傳(chuan) 播（以便方程 k3 = k1 + k2 變為(wei) 標量）並設 k1=k2（因為(wei) 這些波矢量源於(yu) 相同的激光束），則得到等式 k3 = 2k1。代入定義(yi) 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(wei) l3 = l1/2。這意味著非線性水晶內(nei) 部的原始波和新產(chan) 生的波應具有相同的折射率。然而，很少有材料會(hui) 在如此寬的光譜範圍內(nei) 具有固定的折射率。

因此，為(wei) 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(jue) 於(yu) 水晶內(nei) 部光束的極化和傳(chuan) 播方向。

所以，通過以特定角度精心切割非線性水晶，並且時而控製其溫度（因為(wei) 折射率也與(yu) 溫度有關(guan) ），可以滿足方程 k3 = k1 + k2，因為(wei) k 矢量源於(yu) 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(men) 發現其他非線性過程也成為(wei) 可能：和頻與(yu) 差頻產(chan) 生、三次諧波產(chan) 生，以及其他過程。和頻與(yu) 差頻產(chan) 生是產(chan) 生兩(liang) 個(ge) 輸入頻率的和與(yu) 差的過程。它們(men) 還依賴於(yu) c(2) 非線性度，事實上，SHG 是和頻產(chan) 生的特殊情況，其中兩(liang) 個(ge) 輸入波的頻率相同。相比之下，三次諧波產(chan) 生依賴於(yu) c(3) 非線性度，允許以原始光束頻率的三倍來產(chan) 生光。

要從(cong) 1064 nm 激光器獲得 355 nm 的波長，可以使用單個(ge) 水晶來實現三次諧波產(chan) 生。然而，結果是由於(yu) 大多數的 c(3) 非線性度與(yu) c(2) 相比較低，更高效的方法是使用第一個(ge) 水晶通過 SHG 產(chan) 生 532 nm 的光，然後將二次諧波和剩餘(yu) 的 1064 nm 光束引向第二個(ge) 水晶，通過和頻產(chan) 生來獲得 355 nm 的激光。

值得注意的是，用於(yu) 這些過程的兩(liang) 個(ge) 水晶不相同，因為(wei) 每個(ge) 水晶都混合不同的波長，所以需要為(wei) 其支持的非線性過程專(zhuan) 門定製。

非相幹激光驅動光源

最後我們(men) 來討論非相幹激光驅動光源。一個(ge) 眾(zhong) 所周知的例子是由激光輻射激發的發光等離子體(ti) ：激光可以激發氙燈中的等離子體(ti) ，從(cong) 而在可見光譜範圍產(chan) 生寬帶光源。

非相幹光源的另一個(ge) 例子是產(chan) 生以 13 nm 波長發出遠紫外 (EUV) 輻射的等離子體(ti) 。產(chan) 生該等離子體(ti) 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。這裏隻有一小部分多千瓦級激光會(hui) 轉換為(wei) 短 800 倍的波長輻射。產(chan) 生的 EUV 光能夠實現微電子行業(ye) 中使用的先進的光刻工藝。

在麵臨(lin) 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，對於(yu) 金屬焊接，則需要高功率 CW 激光器，以便將金屬加熱到熔點並將金屬部件連接起來。55 nm 或 266 nm 等短波長更適合於(yu) 這種應用，因為(wei) 金屬中的光吸收會(hui) 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衝(chong) 激光器，因為(wei) 它依賴於(yu) 高瞬時功率在物體(ti) 表麵打標，而不需要產(chan) 生的熱量穿透到材料深處。與(yu) 上一個(ge) 例子類似，應根據樣品的材料來選擇激光波長，以實現優(you) 異的性能。

結論

我們(men) 並不是總能夠為(wei) 特定應用獲得所需的最佳波長，因為(wei) 存在種種限製：激光機製自身限製，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(ye) 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(cong) 而提高各種基於(yu) 激光的係統的產(chan) 量和性能。