一文看懂激光波长转换

激光的波长是一项基本特征，由增益介质及其内部结构决定。常见的激光源之一是激光二极管，其波长由其设计和组成材料决定。激光二极管由电流驱动，直接将电能转换为光。对于指定的应用，并非所有波长都能采用所需的参数（例如功能或能量）从激光器中生成。当需要其他激光波长时，通常会使用某种波长转换。在本文中，我们将介绍转换激光的波长会对特定应用有利的情况，并且概述用于实现此类波长转换的流程。

我们先讨论调谐激光器。调谐范围首先受到增益介质带宽的限制。实现调谐的方法是控制激光腔内的损失，使产生激光的特定波长的损失降到最低限度。

调谐机制可以像控制激光的温度那样简单，也可以复杂到使用微机电促动器来更改激光腔的长度。可调谐激光二极管能够实现到 40 nm 调谐范围。

另一方面，许多固态激光器的增益光谱较窄，因此不可调谐，值得注意的例外是钛宝石激光器，得益于较宽的增益带宽，它能够在 650－1100 nm 范围内调谐。

当激光用于将增益介质（通常为水晶）泵浦到更高的能态时，就会发生线性波长转换。受激电子通过发出更长波长辐射来衰减到更低的能态。在激光腔内部放置增益介质，即可构成激光器。一个众所周知的例子是 Nd：YAG 激光器，通常使用激光二极管在 808 nm 进行泵浦， 发出 1064 nm 辐射。

接下来，我们要考虑非线性波长转换。在光电领域，当极化密度 P 等物理量对激光器的电场 E 作出非线性响应时，我们就称该系统为非线性。当介电材料受到电场 E 的影响时，其分子会获得电偶极矩，我们称该介质被极化。极化密度 P 表示这些电偶极矩的密度，可以使用以下方程来描述：

P ＝ e0（c（1）E ＋ c（2）E2 ＋ c（3）E3 ＋ …）

其中，e0 是常数，c（n） 称为介质的 n 阶极化率，表示介电材料响应外加电场 E 的极化度。这个方程表明，如果电场 E 激发介质，则产生与 E2 成比例的极化，其强度与 c（2） 项相关。如果 E 以 ω 频率振荡，则 P 具有以 2 ω 的频率振荡的分量。简而言之，为了得到响应频率为 ω 的激发，我们使电偶以 2 ω 的频率振荡和辐射。因此，事实上，介质将频率为 ω 的辐射转换成频率为 2ω 的辐射。

这称为二次谐波产生 （SHG）。二次谐波产生的一个众所周知的例子是 532 nm 绿光激光器，它使用非线性水晶，通过 SHG 将 1064 nm 转换为 532 nm。Spectra Physics VGEN－G 光纤激光器是依赖于此过程的一款商用激光器，如图 1 中所示，它包含 SHG 模块，用于产生脉冲绿光激光束。

典型的非线性光学过程依赖于充分极化的强激光束，以及能够支持该激光束的非线性介质。非线性光学过程需要的激光工作条件、非线性介质以及过程中使用的极化率 c（n） 各不相同。

许多非线性过程会产生波长范围较窄的辐射，但也不是没有例外；例如，超连续光源通常使用复杂的光纤结构将光脉冲转换为超宽带辐射，而它就包含非常宽的波长范围。

为了让非线性介质高效地产生相干辐射，需要满足某些条件，称为相位匹配条件。相位匹配意味着非线性介质内部以不同频率相互作用的波将保持适当的相位关系。只有满足这些条件，我们才会获得相干辐射，产生自光在介质内部传播期间发生的非线性过程的总和。基本的相位匹配方程为：

k3 ＝ k1 ＋ k2

其中，k 是光的波矢量，下标表示相互作用的光束。对于 SHG，下标 1 和 2 表示原始激光，而下标 3 表示新产生的频率加倍的波。图 2 显示 SHG 过程的示意图，红外光在该过程中转换为绿光。但是非线性过程的转换效率有限，因此一部分入射光会穿过非线性介质而不发生改变。这样，当以短脉冲工作时，与平均功率恒定的连续波 （CW） 激光器相比，脉冲激光器的瞬时功率可能极高。瞬时功率高，能够提高非线性过程的效率。

图2 二次谐波产生的示意图

尽管满足相位匹配条件基本上意味着节省能量和动量，但结果是使用 SHG 高效地转换光的波长需要精心设计非线性介质。为什么会这样？如果我们假定共线传播（以便方程 k3 ＝ k1 ＋ k2 变为标量）并设 k1＝k2（因为这些波矢量源于相同的激光束），则得到等式 k3 ＝ 2k1。代入定义 k ＝ 2 pn／l，其中，n 是折射率，l 是光的波长，则得出条件 n3 ＝n1，因为 l3 ＝ l1／2。这意味着非线性水晶内部的原始波和新产生的波应具有相同的折射率。然而，很少有材料会在如此宽的光谱范围内具有固定的折射率。

因此，为了实现相位匹配，非线性介质还必须是双折射，也就是说，其折射率还取决于水晶内部光束的极化和传播方向。

所以，通过以特定角度精心切割非线性水晶，并且时而控制其温度（因为折射率也与温度有关），可以满足方程 k3 ＝ k1 ＋ k2，因为 k 矢量源于不同的色散曲线。

再次检查方程 P ＝ e0（c（1）E ＋ c（2）E2 ＋ c（3）E3 ＋ …），我们发现其他非线性过程也成为可能：和频与差频产生、三次谐波产生，以及其他过程。和频与差频产生是产生两个输入频率的和与差的过程。它们还依赖于 c（2） 非线性度，事实上，SHG 是和频产生的特殊情况，其中两个输入波的频率相同。相比之下，三次谐波产生依赖于 c（3） 非线性度，允许以原始光束频率的三倍来产生光。

要从 1064 nm 激光器获得 355 nm 的波长，可以使用单个水晶来实现三次谐波产生。然而，结果是由于大多数的 c（3） 非线性度与 c（2） 相比较低，更高效的方法是使用第一个水晶通过 SHG 产生 532 nm 的光，然后将二次谐波和剩余的 1064 nm 光束引向第二个水晶，通过和频产生来获得 355 nm 的激光。
值得注意的是，用于这些过程的两个水晶不相同，因为每个水晶都混合不同的波长，所以需要为其支持的非线性过程专门定制。

最后我们来讨论非相干激光驱动光源。一个众所周知的例子是由激光辐射激发的发光等离子体：激光可以激发氙灯中的等离子体，从而在可见光谱范围产生宽带光源。

非相干光源的另一个例子是产生以 13 nm 波长发出远紫外 （EUV） 辐射的等离子体。产生该等离子体的方法是以大约 10 μm 的波长在真空中的锡滴上聚焦高功率二氧化碳激光。这里只有一小部分多千瓦级激光会转换为短 800 倍的波长辐射。产生的 EUV 光能够实现微电子行业中使用的先进的光刻工艺。

在面临需要采用激光器的应用时，要考虑波长和激光器的工作模式。例如，对于金属焊接，则需要高功率 CW 激光器，以便将金属加热到熔点并将金属部件连接起来。55 nm 或 266 nm 等短波长更适合于这种应用，因为金属中的光吸收会随着波长减小而显著增加。相比之下，激光雕刻则需要使用脉冲激光器，因为它依赖于高瞬时功率在物体表面打标，而不需要产生的热量穿透到材料深处。与上一个例子类似，应根据样品的材料来选择激光波长，以实现优异的性能。

我们并不是总能够为特定应用获得所需的最佳波长，因为存在种种限制：激光机制自身限制，自非线性材料的可用性，以及能够转化激光波长的过程。

无论如何，采用非线性光学元件能够使激光行业达到更宽广的波长区域，同时不断提高激光器的各种性能，从而提高各种基于激光的系统的产量和性能。