導敘

激光的波長(cháng)是一項基本特征，由增益介質(zhì)及其內部結構決定。常見(jiàn)的激光源之一是激光二極管，其波長(cháng)由其設計和組成材料決定。激光二極管由電流驅動(dòng)，直接將電能轉換為光。對于指定的應用，并非所有波長(cháng)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(cháng)時(shí)，通常會(huì )使用某種波長(cháng)轉換。在本文中，我們將介紹轉換激光的波長(cháng)會(huì )對特定應用有利的情況，并且概述用于實(shí)現此類(lèi)波長(cháng)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(zhì)帶寬的限制。實(shí)現調諧的方法是控制激光腔內的損失，使產(chǎn)生激光的特定波長(cháng)的損失降到最低限度。
調諧機制可以像控制激光的溫度那樣簡(jiǎn)單，也可以復雜到使用微機電促動(dòng)器來(lái)更改激光腔的長(cháng)度�？烧{諧激光二極管能夠實(shí)現到 40 nm 調諧范圍。

固態(tài)激光器

另一方面，許多固態(tài)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(xiàn)性波長(cháng)

當激光用于將增益介質(zhì)（通常為水晶）泵浦到更高的能態(tài)時(shí)，就會(huì )發(fā)生線(xiàn)性波長(cháng)轉換。受激電子通過(guò)發(fā)出更長(cháng)波長(cháng)輻射來(lái)衰減到更低的能態(tài)。在激光腔內部放置增益介質(zhì)，即可構成激光器。一個(gè)眾所周知的例子是 Nd:YAG 激光器，通常使用激光二極管在 808 nm 進(jìn)行泵浦， 發(fā)出 1064 nm 輻射。 

非線(xiàn)性波長(cháng)

接下來(lái)，我們要考慮非線(xiàn)性波長(cháng)轉換。在光電領(lǐng)域，當極化密度 P 等物理量對激光器的電場(chǎng) E 作出非線(xiàn)性響應時(shí)，我們就稱(chēng)該系統為非線(xiàn)性。當介電材料受到電場(chǎng) E 的影響時(shí)，其分子會(huì )獲得電偶極矩，我們稱(chēng)該介質(zhì)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(lái)描述：

 P = e0(c(1)E + c(2)E2 + c(3)E3 + …)

其中，e0 是常數，c(n) 稱(chēng)為介質(zhì)的 n 階極化率，表示介電材料響應外加電場(chǎng) E 的極化度。這個(gè)方程表明，如果電場(chǎng) E 激發(fā)介質(zhì)，則產(chǎn)生與 E2 成比例的極化，其強度與 c(2) 項相關(guān)。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(jiǎn)而言之，為了得到響應頻率為 ω 的激發(fā)，我們使電偶以 2 ω 的頻率振蕩和輻射。因此，事實(shí)上，介質(zhì)將頻率為 ω 的輻射轉換成頻率為 2ω 的輻射。

這稱(chēng)為二次諧波產(chǎn)生 (SHG)。二次諧波產(chǎn)生的一個(gè)眾所周知的例子是 532 nm 綠光激光器，它使用非線(xiàn)性水晶，通過(guò) SHG 將 1064 nm 轉換為 532 nm。Spectra Physics VGEN-G 光纖激光器是依賴(lài)于此過(guò)程的一款商用激光器，如圖 1 中所示，它包含 SHG 模塊，用于產(chǎn)生脈沖綠光激光束。

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

許多非線(xiàn)性過(guò)程會(huì )產(chǎn)生波長(cháng)范圍較窄的輻射，但也不是沒(méi)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(cháng)范圍。有關(guān)此主題的更多詳細信息，請訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)站 www.spectra-physics.cn 。

為了讓非線(xiàn)性介質(zhì)高效地產(chǎn)生相干輻射，需要滿(mǎn)足某些條件，稱(chēng)為相位匹配條件。相位匹配意味著(zhù)非線(xiàn)性介質(zhì)內部以不同頻率相互作用的波將保持適當的相位關(guān)系。只有滿(mǎn)足這些條件，我們才會(huì )獲得相干輻射，產(chǎn)生自光在介質(zhì)內部傳播期間發(fā)生的非線(xiàn)性過(guò)程的總和�；�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(chǎn)生的頻率加倍的波。圖 2 顯示 SHG 過(guò)程的示意圖，紅外光在該過(guò)程中轉換為綠光。但是非線(xiàn)性過(guò)程的轉換效率有限，因此一部分入射光會(huì )穿過(guò)非線(xiàn)性介質(zhì)而不發(fā)生改變。這樣，當以短脈沖工作時(shí)，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(shí)功率可能極高。瞬時(shí)功率高，能夠提高非線(xiàn)性過(guò)程的效率。

盡管滿(mǎn)足相位匹配條件基本上意味著(zhù)節省能量和動(dòng)量，但結果是使用 SHG 高效地轉換光的波長(cháng)需要精心設計非線(xiàn)性介質(zhì)。為什么會(huì )這樣？如果我們假定共線(xiàn)傳播（以便方程 k3 = k1 + k2 變?yōu)闃肆浚┎⒃O 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(cháng)，則得出條件 n3 =n1，因為 l3 = l1/2。這意味著(zhù)非線(xiàn)性水晶內部的原始波和新產(chǎn)生的波應具有相同的折射率。然而，很少有材料會(huì )在如此寬的光譜范圍內具有固定的折射率。

因此，為了實(shí)現相位匹配，非線(xiàn)性介質(zhì)還必須是雙折射，也就是說(shuō)，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(guò)以特定角度精心切割非線(xiàn)性水晶，并且時(shí)而控制其溫度（因為折射率也與溫度有關(guān)），可以滿(mǎn)足方程 k3 = k1 + k2，因為 k 矢量源于不同的色散曲線(xiàn)。

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

要從 1064 nm 激光器獲得 355 nm 的波長(cháng)，可以使用單個(gè)水晶來(lái)實(shí)現三次諧波產(chǎn)生。然而，結果是由于大多數的 c(3) 非線(xiàn)性度與 c(2) 相比較低，更高效的方法是使用第一個(gè)水晶通過(guò) SHG 產(chǎn)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(gè)水晶，通過(guò)和頻產(chǎn)生來(lái)獲得 355 nm 的激光。
值得注意的是，用于這些過(guò)程的兩個(gè)水晶不相同，因為每個(gè)水晶都混合不同的波長(cháng)，所以需要為其支持的非線(xiàn)性過(guò)程專(zhuān)門(mén)定制。

非相干激光驅動(dòng)光源

最后我們來(lái)討論非相干激光驅動(dòng)光源。一個(gè)眾所周知的例子是由激光輻射激發(fā)的發(fā)光等離子體：激光可以激發(fā)氙燈中的等離子體，從而在可見(jiàn)光譜范圍產(chǎn)生寬帶光源。

非相干光源的另一個(gè)例子是產(chǎn)生以 13 nm 波長(cháng)發(fā)出遠紫外 (EUV) 輻射的等離子體。產(chǎn)生該等離子體的方法是以大約 10 µm 的波長(cháng)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(huì )轉換為短 800 倍的波長(cháng)輻射。產(chǎn)生的 EUV 光能夠實(shí)現微電子行業(yè)中使用的先進(jìn)的光刻工藝。

在面臨需要采用激光器的應用時(shí)，要考慮波長(cháng)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(diǎn)并將金屬部件連接起來(lái)。55 nm 或 266 nm 等短波長(cháng)更適合于這種應用，因為金屬中的光吸收會(huì )隨著(zhù)波長(cháng)減小而顯著(zhù)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(lài)于高瞬時(shí)功率在物體表面打標，而不需要產(chǎn)生的熱量穿透到材料深處。與上一個(gè)例子類(lèi)似，應根據樣品的材料來(lái)選擇激光波長(cháng)，以實(shí)現優(yōu)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(cháng)，因為存在種種限制：激光機制自身限制，自非線(xiàn)性材料的可用性，以及能夠轉化激光波長(cháng)的過(guò)程。

無(wú)論如何，采用非線(xiàn)性光學(xué)元件能夠使激光行業(yè)達到更寬廣的波長(cháng)區域，同時(shí)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(chǎn)量和性能。

文章來(lái)源于MKS光學(xué)與運動(dòng)控制 ，作者Resource 館主