[ Ophir ] 雷射波長可以轉換嗎？我們為什麼要這樣做？

文章來源:https://blog.ophiropt.com/can-a-laser-wavelength-be-converted-and-why-do-we-even-want-to-do-it/
作者:阿薩夫哈萊維  發表於2021 年 1 月 13 日

宏惠光電是 MKS Ophir 代理商

#雷射波長 #轉換

雷射的波長是一個基本特性，由增益介質及其內部結構決定。
如今，最常見的雷射源之一是雷射二極管，其波長由其設計和組成材料決定。

雷射二極管由電流驅動，直接將電能轉化為光能。並非所有波長都可以從具有給定應用所需參數（例如功率或能量）的雷射器中產生。當需要其他雷射波長時，通常會使用某種類型的波長轉換。在本文中，我們將介紹轉換雷射波長對特定應用有利的情況，並概述實現這種波長轉換的過程。

可調雷射器
我們將從研究可調諧雷射器開始。調諧範圍首先受增益介質帶寬的限制。調諧是通過控制雷射腔中的損耗來實現的，以便它對於發生雷射的特定波長最小化。
調諧機制可以像控制雷射器的溫度一樣簡單，也可以更複雜，例如使用微機電致動器來改變腔的長度。可調諧雷射二極管可以調諧至 40 nm。

固體雷射器
另一方面，許多固態雷射器具有窄增益光譜，因此不可調諧，鈦藍寶石雷射器除外，由於其寬增益帶寬，可以在 650-1100 nm 範圍內調諧.

線性波長
當雷射用於將增益介質（通常是晶體）泵浦到更高的能量狀態時，會發生線性波長轉換。激發的電子通過發射較長波長的輻射衰減到較低的能量狀態。通過將增益介質放置在腔內，形成了雷射器。一個眾所周知的例子是 Nd:YAG 雷射器，通常使用 808 nm 的雷射二極管泵浦並在 1064 nm 發射輻射。 

非線性波長
接下來我們考慮 非線性波長轉換。在光子學領域，當諸如偏振密度P之類的物理量對雷射E的電場作出非線性響應時，系統被稱為非線性系統。當介電材料受到電場E的作用時，其分子獲得電偶極矩，介質被極化。極化密度P表示這些電偶極矩的密度，可以使用以下等式來描述：

 P = e 0 (c (1) E + c (2) E 2 + c (3) E 3 + …),
其中e 0是常數，c (n)稱為介質的n階磁化率，表示介電材料響應外加電場E的極化程度。該等式表明，如果電場E激發介質，則會產生與E 2成比例的極化，並且其大小與項 c (2)相關。如果E以頻率 ω 振盪，則P有一個以 2ω 振蕩的分量。簡單來說，響應於頻率 ω 的激勵，我們得到電偶極子以頻率 2ω 振盪和輻射。所以事實上，介質將 ω 處的輻射轉換為 2ω 處的輻射。
這稱為二次諧波產生 (SHG)。二次諧波產生的一個眾所周知的例子是 532 nm 綠色雷射器，它使用非線性晶體通過 SHG 將 1064 nm 轉換為 532 nm。依賴於此過程的商用雷射源是Spectra Physics VGEN-G 光纖雷射器，如圖 1 所示，它包括一個 SHG 模塊以生成脈衝綠色雷射束。

Spectra Physics VGEN-G 光纖雷射器

典型的非線性光學過程依賴於強烈且極化良好的雷射束和能夠支持它的非線性介質。非線性光學過程的不同之處在於它們所需的雷射操作條件、非線性介質以及過程中使用的磁化率 c (n)的程度。
許多非線性過程會導致波長范圍很窄的輻射，但這並非沒有例外。例如，超連續譜光源通常使用複雜的光纖結構將光脈沖轉換為超寬帶輻射，其中包含極寬的波長范圍。有關此主題的更多詳細信息，請訪問MKS 網站。

為了使非線性介質有效地產生相干輻射，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係將在非線性介質內保持。只有滿足這些條件，我們才能獲得相干輻射，這是光在介質內傳播期間發生的非線性過程總和的結果。基本相位匹配方程為：

k 3 = k 1 + k 2 ,
其中k是光的波矢量，下標表示相互作用的光束。對於 SHG，下標 1 和 2 是原始雷射，下標 3 是新產生的兩倍頻率的波。圖 2 顯示了 SHG 過程的圖示，其中紅外光被轉換為綠色。請注意，非線性過程的轉換效率是有限的，因此部分入射光會通過非線性介質而不會發生變化。在這種情況下，值得關注脈衝雷射器：當以短脈衝工作時，與具有恆定平均功率的連續波 (CW) 雷射器相比，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 – 二次諧波產生示意圖
雖然滿足相位匹配條件基本上意味著能量和動量守恆，但事實證明，使用 SHG 有效地轉換光的波長需要仔細設計非線性介質。這是為什麼？如果我們假設共線傳播（因此等式 2 變為標量）並設置 k 1 =k 2（因為這些波矢量源自同一雷射束），我們得到等式 k 3 = 2k 1。代入 k = 2pn/l 的定義，其中 n 是折射率，l 是光的波長，導致條件 n 3 =n 1，因為 l 3 = l 1/2。這意味著原始波和新產生的波在非線性晶體內部應具有相同的折射率。然而，很少有材料在如此寬的光譜範圍內具有固定的折射率。
因此，為了實現相位匹配，非線性介質也必須是雙折射的，即折射率還取決於晶體內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，有時還通過控制其溫度（因為折射率也與溫度相關），可以滿足方程式。2，因為k個向量來源於不同的色散曲線。

再次檢查方程式。1，我們意識到其他非線性過程是可能的：和頻和差頻生成、三次諧波生成等。和頻與差頻生成是生成兩個輸入頻率的和與差的過程。它們還依賴於 c (2)非線性，實際上 SHG 是和頻生成的特例，其中兩個輸入波共享相同的頻率。相反，三次諧波的產生依賴於 c (3)非線性，並允許產生頻率為原始光束三倍的光。
要從 1064 nm 雷射獲得波長為 355 nm 的雷射，可以使用單晶產生三次諧波。然而，事實證明，由於大多數材料與 c (2)相比具有較低的 c (3)非線性，因此使用第一晶體通過 SHG 產生 532 nm 光然後引導二次諧波和剩餘的 1064 nm 更有效光束到第二個晶體，通過和頻生成獲得 355 nm 雷射。重要的是要注意，用於這些過程的兩個晶體並不相同，因為每個晶體混合不同的波長，因此需要專門針對它支持的所需非線性過程進行定制。

非相干雷射驅動光源
最後，我們考慮非相干雷射驅動光源。一個眾所周知的例子是雷射輻射激發的發光等離子體：雷射可以激發氙氣燈中的等離子體，在可見光譜部分產生寬帶光源。非相干光源的另一個例子是產生髮射波長為 13 nm 的極紫外 (EUV) 輻射的等離子體。等離子體是通過將波長約為 10 µm 的高功率 CO 2雷射聚焦在真空中的錫滴上而產生的。在這裡只有一小部分幾千瓦雷射被轉換成波長較短 800 倍的輻射。由此產生的 EUV 光可實現微電子行業中使用的最先進的光刻工藝。

當面對需要集成雷射器的應用時，波長和雷射器的工作模式都會被考慮在內。例如，對於金屬焊接，需要高功率 CW 雷射器，以便將金屬加熱到其熔點並將金屬部件連接在一起。較短的波長，例如 355 nm 或 266 nm，更適合此應用，因為隨著波長的減小，金屬的光吸收會顯著增加。相比之下，雷射雕刻需要使用脈衝雷射，因為它依靠高瞬時功率來標記物體表面，並且不需要產生的熱量深入穿透材料。與前面的示例類似，應根據樣品材料選擇雷射波長以獲得最佳性能。

綜上所述
並非總能獲得特定應用所需的最佳波長——限制既來自雷射機製本身，也來自能夠轉換雷射波長的非線性材料和工藝的可用性。
儘管如此，非線性光學元件的結合使雷射行業能夠以不斷提高的能力深入到更多的波長區域。在某些情況下，它允許通過其他方式無法實現的工業或科學過程。在其他情況下，它可以提高各種基於雷射的系統的製造產量和性能。