激光的波長是一個基本特性，由增益介質(zhì)及其內(nèi)部結(jié)構決定。如今，最常見的激光源之一是激光二極管，其波長由其設計和用于其組成的材料決定。

激光二極管由電流驅(qū)動，直接將電能轉(zhuǎn)換為光。并非所有波長都可以從具有給定應用所需參數(shù)(例如功率或能量)的激光器產(chǎn)生。當需要其它激光波長時，通常使用某種類型的波長轉(zhuǎn)換。下面將介紹轉(zhuǎn)換激光波長對特定應用有利的情況，并概述實現(xiàn)這種波長轉(zhuǎn)換的過程。

一、可調(diào)諧激光器

我們將從可調(diào)諧激光器開始。調(diào)諧范圍首先受到增益介質(zhì)帶寬的限制。調(diào)諧是通過控制激光腔中的損耗來實現(xiàn)的，以便在發(fā)生激光的特定波長下將其最小化。調(diào)諧機制可以像控制激光器的溫度一樣簡單，也可以像使用微機電致動器改變腔體長度一樣復雜?？烧{(diào)諧半導體激光管可以調(diào)諧到高達 40 nm。

二、固態(tài)激光器

另一方面，許多固態(tài)激光器的增益光譜很窄，因此不可調(diào)諧， Ti: Sapphire lase是一個例外，由于其寬增益帶寬，可以在 650-1100 nm 的范圍內(nèi)調(diào)諧。

三、線性波長

當激光用于將增益介質(zhì)(通常是晶體)泵浦到更高能量狀態(tài)時，會發(fā)生線性波長轉(zhuǎn)換。激發(fā)的電子通過發(fā)射較長波長的輻射衰減到較低的能量狀態(tài)。通過將增益介質(zhì)放置在腔內(nèi)，可以形成激光。一個眾所周知的例子是 Nd：YAG 激光器，通常使用 808 nm 的激光二極管泵浦，并在 1064 nm 處發(fā)射輻射。

四、非線性波長

接下來我們考慮非線性波長轉(zhuǎn)換。在光子學領域，當物理量(例如偏振密度P)非線性響應激光E的電場時，系統(tǒng)被稱為非線性的。當介電材料受到電場E時，其分子獲得電偶極矩，并且介質(zhì)被稱為極化。極化密度P表示這些電偶極矩的密度，可以用以下公式來描述：

P = e0(c(1)E + c(2)E2 + c(3)E3 + …)

其中 e0是一個常數(shù)和 c(n)被稱為 n th-介質(zhì)的階敏感性，表示介電材料響應外加電場E的極化程度。該方程表明，如果電場E激發(fā)介質(zhì)，則極化成正比E2被創(chuàng)建，其大小與術語 c 有關(2).如果E以ω頻率振蕩，則P具有在2ω處振蕩的分量。簡單來說，響應頻率ω的激勵，我們得到頻率為2ω的電偶極子振蕩和輻射。所以實際上，介質(zhì)將ω處的輻射轉(zhuǎn)換為2ω處的輻射。

這稱為二次諧波產(chǎn)生(SHG)。二次諧波產(chǎn)生的一個眾所周知的例子是 532 nm 綠光激光器，它使用非線性晶體通過 SHG 將 1064 nm 轉(zhuǎn)換為 532 nm。依賴于這一過程的商業(yè)激光源是Spectra Physics VGEN-G光纖激光器，如圖1所示，其中包括一個SHG模塊來產(chǎn)生脈沖綠色激光束。

光譜物理 VGEN-G 光纖激光器

典型的非線性光學過程依賴于強且偏振良好的激光束和能夠支持它的非線性介質(zhì)。非線性光學過程在所需的操作激光條件、非線性介質(zhì)和磁化程度方面有所不同 c(n)在此過程中使用。

許多非線性過程導致波長范圍較窄的輻射，但這并非沒有例外;例如，超連續(xù)光源通常使用復雜的光纖結(jié)構將光脈沖轉(zhuǎn)換為超寬帶輻射，其中包含極寬的波長范圍。

為了使非線性介質(zhì)有效地產(chǎn)生相干輻射，需要滿足某些條件，稱為相位匹配條件。相位匹配意味著不同頻率的相互作用波之間的適當相位關系將在非線性介質(zhì)內(nèi)部保持。只有滿足這些條件，我們才能獲得相干輻射，這是光在介質(zhì)內(nèi)傳播過程中發(fā)生的非線性過程的總和?；镜南辔黄ヅ涔綖椋?/p>

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是原始激光，下標3是頻率兩倍的新生成的波。圖2顯示了SHG工藝的示意圖，其中紅外光被轉(zhuǎn)換為綠色。請注意，非線性過程的轉(zhuǎn)換效率是有限的，因此部分入射光通過非線性介質(zhì)而不會改變。在這種情況下，值得關注的是脈沖激光器：在短脈沖下工作時，與具有恒定平均功率的連續(xù)波(CW)激光器相比，瞬時功率可能非常高。高瞬時功率提高了非線性過程的效率。

圖 2 – 二次諧波生成圖示

雖然滿足相位匹配條件基本上意味著節(jié)約能量和動量，但事實證明，使用SHG有效地轉(zhuǎn)換光的波長需要仔細設計非線性介質(zhì)。為什么?如果我們假設共線傳播(使方程 2 成為標量)并設置 k1=k2(因為這些波矢量來自相同的激光束)，我們得到等式 k3= 2k1.代入 k = 2pn/l 的定義，其中 n 是折射率，l 是光的波長，得到條件 n3=n1，since l3= l1/2.這意味著原始波和新產(chǎn)生的波在非線性晶體內(nèi)部應具有相同的折射率。然而，材料在如此寬的光譜范圍內(nèi)具有固定折射率的情況很少見。

因此，為了實現(xiàn)相位匹配，非線性介質(zhì)也必須是雙折射的，即折射率也取決于晶體內(nèi)部光束的偏振和傳播方向。

因此，通過以特定角度仔細切割非線性晶體，有時通過控制其溫度(因為折射率也與溫度有關)，可以實現(xiàn)方程2，因為k矢量來自不同的色散曲線。

再次檢查方程1，我們意識到其他非線性過程也是可能的：和頻和差頻產(chǎn)生，三次諧波產(chǎn)生等。和和差頻率生成是生成兩個輸入頻率的和和差的過程。他們也依賴于 c(2)非線性，實際上SHG是和頻率生成的特例，兩個輸入波共享相同的頻率。相比之下，三次諧波產(chǎn)生依賴于c(3)非線性，并允許產(chǎn)生頻率是原始光束頻率三倍的光。

為了從355nm激光器獲得波長為1064nm的激光器，可以使用單晶產(chǎn)生三次諧波。然而，事實證明，由于大多數(shù)材料具有低 c(3)非線性與 C 的比較(2)，更有效的做法是使用第一個晶體通過SHG產(chǎn)生532 nm光，然后將二次諧波和剩余的1064 nm光束引導到第二個晶體，通過和頻率發(fā)生獲得355 nm激光。

重要的是要注意，用于這些過程的兩個晶體并不相同，因為每個晶體混合了不同的波長，因此需要專門針對其支持的所需非線性過程進行定制。

五、非相干激光驅(qū)動光源

最后，我們考慮非相干激光驅(qū)動光源。一個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)氙氣燈中的等離子體，在光譜的可見光部分產(chǎn)生寬帶源。非相干光源的另一個例子是產(chǎn)生等離子體，其發(fā)射波長為 13 nm 的極紫外 (EUV) 輻射。等離子體是通過聚焦高功率 CO 產(chǎn)生的2激光，波長約為10μm，在真空中的錫滴上。在這里，只有一小部分千瓦激光器被轉(zhuǎn)換為800倍短波長的輻射。由此產(chǎn)生的EUV光可實現(xiàn)微電子工業(yè)中使用的最先進的光刻工藝。

當面對需要集成激光器的應用時，會同時考慮波長和激光器的操作模式。例如，對于金屬焊接，需要高功率連續(xù)激光器，以便將金屬加熱到其熔點并將金屬部件連接在一起。短波長，例如355 nm或266 nm，對于此應用是優(yōu)選的，因為金屬中的光吸收隨著波長的減小而顯著增加。相比之下，激光雕刻需要使用脈沖激光，因為它依靠高瞬時功率來標記物體的表面，并且不需要產(chǎn)生的熱量深入材料。與前面的示例類似，應根據(jù)樣品的材料選擇激光波長以獲得最佳性能。

六、結(jié)語

對于特定應用，并不總是能夠獲得我們想要的最佳波長——其局限性既來自激光機構本身，也來自能夠轉(zhuǎn)換激光波長的非線性材料和工藝的可用性。

然而，非線性光學元件的結(jié)合使激光行業(yè)能夠以不斷提高的能力深入到更多的波長區(qū)域。在某些情況下，它允許否則無法實現(xiàn)的工業(yè)或科學過程。在其他情況下，它可以提高各種基于激光的系統(tǒng)的制造良率和性能。