激光波長的轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)自MKS光學(xué)與運(yùn)動(dòng)控制

導(dǎo)敘

激光的波長是一項(xiàng)基本特征，由增益介質(zhì)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。常見的激光源之一是激光二極管，其波長由其設(shè)計(jì)和組成材料決定。激光二極管由電流驅(qū)動(dòng)，直接將電能轉(zhuǎn)換為光。對于指ding的應(yīng)用，并非所有波長都能采用所需的參數(shù)（例如功能或能量）從激光器中生成。當(dāng)需要其他激光波長時(shí)，通常會(huì)使用某種波長轉(zhuǎn)換。在本文中，我們將介紹轉(zhuǎn)換激光的波長會(huì)對特定應(yīng)用有利的情況，并且概述用于實(shí)現(xiàn)此類波長轉(zhuǎn)換的流程。

可調(diào)諧激光器

我們先討論調(diào)諧激光器。調(diào)諧范圍首先受到增益介質(zhì)帶寬的限制。實(shí)現(xiàn)調(diào)諧的方法是控制激光腔內(nèi)的損失，使產(chǎn)生激光的特定波長的損失降到最 di限度。
調(diào)諧機(jī)制可以像控制激光的溫度那樣簡單，也可以復(fù)雜到使用微機(jī)電促動(dòng)器來更改激光腔的長度。可調(diào)諧激光二極管能夠?qū)崿F(xiàn)到 40 nm 調(diào)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(diào)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(nèi)調(diào)諧。

線性波長

當(dāng)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)生線性波長轉(zhuǎn)換。受激電子通過發(fā)出更長波長輻射來衰減到更低的能態(tài)。在激光腔內(nèi)部放置增益介質(zhì)，即可構(gòu)成激光器。一個(gè)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。 

非線性波長

接下來，我們要考慮非線性波長轉(zhuǎn)換。在光電領(lǐng)域，當(dāng)極化密度 P 等物理量對激光器的電場 E 作出非線性響應(yīng)時(shí)，我們就稱該系統(tǒng)為非線性。當(dāng)介電材料受到電場 E 的影響時(shí)，其分子會(huì)獲得電偶極矩，我們稱該介質(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描述：

其中，e0 是常數(shù)，c(n) 稱為介質(zhì)的 n 階極化率，表示介電材料響應(yīng)外加電場 E 的極化度。這個(gè)方程表明，如果電場 E 激發(fā)介質(zhì)，則產(chǎn)生與 E2 成比例的極化，其強(qiáng)度與 c(2) 項(xiàng)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。簡而言之，為了得到響應(yīng)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(zhuǎn)換成頻率為 2ω 的輻射。

這稱為二次諧波產(chǎn)生 (SHG)。二次諧波產(chǎn)生的一個(gè)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(zhuǎn)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(chǎn)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(xué)過程依賴于充分極化的強(qiáng)激光束，以及能夠支持該激光束的非線性介質(zhì)。非線性光學(xué)過程需要的激光工作條件、非線性介質(zhì)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(huì)產(chǎn)生波長范圍較窄的輻射，但也不是沒有例外；例如，超連續(xù)光源通常使用復(fù)雜的光纖結(jié)構(gòu)將光脈沖轉(zhuǎn)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(zhì)高效地產(chǎn)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(zhì)內(nèi)部以不同頻率相互作用的波將保持適當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)系。只有滿足這些條件，我們才會(huì)獲得相干輻射，產(chǎn)生自光在介質(zhì)內(nèi)部傳播期間發(fā)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(biāo)表示相互作用的光束。對于 SHG，下標(biāo) 1 和 2 表示原始激光，而下標(biāo) 3 表示新產(chǎn)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(zhuǎn)換為綠光。但是非線性過程的轉(zhuǎn)換效率有限，因此一部分入射光會(huì)穿過非線性介質(zhì)而不發(fā)生改變。這樣，當(dāng)以短脈沖工作時(shí)，與平均功率恒定的連續(xù)波 (CW) 激光器相比，脈沖激光器的瞬時(shí)功率可能*。瞬時(shí)功率高，能夠提高非線性過程的效率。

圖2 二次諧波產(chǎn)生的示意圖

盡管滿足相位匹配條件基本上意味著節(jié)省能量和動(dòng)量，但結(jié)果是使用 SHG 高效地轉(zhuǎn)換光的波長需要精心設(shè)計(jì)非線性介質(zhì)。為什么會(huì)這樣？如果我們假定共線傳播（以便方程 k3 = k1 + k2 變?yōu)闃?biāo)量）并設(shè) k1=k2（因?yàn)檫@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?yàn)?l3 = l1/2。這意味著非線性水晶內(nèi)部的原始波和新產(chǎn)生的波應(yīng)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(nèi)具有固定的折射率。

因此，為了實(shí)現(xiàn)相位匹配，非線性介質(zhì)還必須是雙折射，也就是說，其折射率還取決于水晶內(nèi)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(shí)而控制其溫度（因?yàn)檎凵渎室才c溫度有關(guān)），可以滿足方程 k3 = k1 + k2，因?yàn)?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(fā)現(xiàn)其他非線性過程也成為可能：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程。它們還依賴于 c(2) 非線性度，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)生依賴于 c(3) 非線性度，允許以原始光束頻率的三倍來產(chǎn)生光。

要從 1064 nm 激光器獲得 355 nm 的波長，可以使用單個(gè)水晶來實(shí)現(xiàn)三次諧波產(chǎn)生。然而，結(jié)果是由于大多數(shù)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(gè)水晶通過 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，通過和頻產(chǎn)生來獲得 355 nm 的激光。
值得注意的是，用于這些過程的兩個(gè)水晶不相同，因?yàn)槊總€(gè)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(qū)動(dòng)光源

最后我們來討論非相干激光驅(qū)動(dòng)光源。一個(gè)都知道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 波長發(fā)出遠(yuǎn)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(zhuǎn)換為短 800 倍的波長輻射。產(chǎn)生的 EUV 光能夠?qū)崿F(xiàn)微電子行業(yè)中使用的*的光刻工藝。

在面臨需要采用激光器的應(yīng)用時(shí)，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(diǎn)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(yīng)用，因?yàn)榻饘僦械墓馕諘?huì)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?yàn)樗蕾囉诟咚矔r(shí)功率在物體表面打標(biāo)，而不需要產(chǎn)生的熱量穿透到材料深處。與上一個(gè)例子類似，應(yīng)根據(jù)樣品的材料來選擇激光波長，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能。

結(jié)論

我們并不是總能夠?yàn)樘囟☉?yīng)用獲得所需的最佳波長，因?yàn)榇嬖诜N種限制：激光機(jī)制自身限制，自非線性材料的可用性，以及能夠轉(zhuǎn)化激光波長的過程。

無論如何，采用非線性光學(xué)元件能夠使激光行業(yè)達(dá)到更寬廣的波長區(qū)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(tǒng)的產(chǎn)量和性能。

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