利用非線性
光學(xué)的諧波產(chǎn)生和混頻技術(shù)，可以對(duì)
半導(dǎo)體激光器進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，但是這需要高功率，高
光束質(zhì)量和窄線寬。
6* cm E&}r"rbI 非線性光學(xué)技術(shù)是填補(bǔ)激光
光譜空白的有效辦法，它包括簡(jiǎn)單的諧波產(chǎn)生和更為復(fù)雜的光參量振蕩器（OPO）。二極管泵浦釹
激光器的倍頻使得綠色激光指示器的價(jià)格更低、結(jié)構(gòu)緊湊，但是為什么開發(fā)人員不放棄激光泵浦，然后直接通過倍頻的方式來產(chǎn)生所需的
波長呢？
EC&t+"= R d{0b*l% 綠光激光器實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，MicorVision公司生產(chǎn)的微微投影儀已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)。但是這并不容易。非線性波長轉(zhuǎn)換不僅需要高的激
光源功率，而且需要高的光束質(zhì)量和窄線寬發(fā)射。把這些特性都集中到一臺(tái)半導(dǎo)體激光器上并不容易。然而隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，第一款產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，開發(fā)人員還在報(bào)告著更多令人興奮的成果，包括新型激光器設(shè)計(jì)、二極管泵浦OPO、量子級(jí)聯(lián)激光器的諧波和差頻的產(chǎn)生。
a8rsF Bs = V-0 尋求倍頻的二極管激光器
St-:+=V_ M7 /P&d 對(duì)二級(jí)管激光器進(jìn)行倍頻的工作起始于上世紀(jì)90年代早期，當(dāng)時(shí)二極管已經(jīng)達(dá)到較高的功率水平，但是波長止于紅光。對(duì)近紅外二極管激光器的輸出進(jìn)行倍頻，可以得到可見光譜中的短波輸出。針對(duì)激光顯示等應(yīng)用，還可使用直接調(diào)制的短波激光器。
quN7'5ZC[ xY(+[T!OF 相干公司成功研制出一款名為D3的激光器（直接倍頻二極管激光器），該激光器對(duì)860nm二極管激光器的100mW輸出進(jìn)行倍頻，從而生成10mW的430nm波長的藍(lán)光。[1]它使用分布式布拉格反射激光器用于窄線寬輸出，其輸出還需要模式匹配并且相位鎖定到外腔諧波發(fā)生器。這是業(yè)界第一款產(chǎn)品，但是由于沒有找到合適的應(yīng)用而最終退出市場(chǎng)。毫無疑問，部分原因是由于當(dāng)時(shí)在日亞化學(xué)株式會(huì)社的中村修二成功開發(fā)出了藍(lán)光氮化銦鎵（InGaN）激光器。相干公司最終開發(fā)出了光泵表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，它可以倍頻輸出可見光，但是其更像固體激光器而非二極管激光器。
9*GwW&M%1_ H"WkZX 藍(lán)光二極管激光器的成功，在綠光為中心的可見光光譜中留下了空隙。幾年后，當(dāng)消費(fèi)
電子領(lǐng)域?qū)ふ乙环N新技術(shù)用于投影電視的時(shí)候，這一問題凸顯出來。如果可以找到合適的530nm激光源，激光背投電視可以提供比平板顯示更好的色域。倍頻釹激光器似乎是一個(gè)合理的選擇，但是由于不能按照所需速率直接對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，因此開發(fā)人員轉(zhuǎn)而尋求倍頻1060nm的二極管激光器或其他激光器，以生成530nm的綠光。隨著背投電視逐漸淡出消費(fèi)電子市場(chǎng)，大多數(shù)項(xiàng)目都因此擱淺，但也有一些項(xiàng)目轉(zhuǎn)向了那些用于移動(dòng)設(shè)備的微微投影儀。Portola Valley公司的光學(xué)顧問John Nightingale表示，這類應(yīng)用的成本要遠(yuǎn)低于電視應(yīng)用。
k:4 Z c3 MB" uJUk 康寧公司已經(jīng)在剛起步的微投影儀市場(chǎng)上有所開拓。去年該公司推出了一款商用版的投影儀，并為MicroVision公司的Showwx投影儀提供激光器，后者用于iPod和筆記本電腦�？祵幑镜木G光激光器對(duì)分布式布拉格反射（DBR）激光器的1060nm的輸出進(jìn)行倍頻，該DBR激光器發(fā)射單頻單模激光。該激光器包括三部分：第一部分是DBR光柵，第二部分是相位調(diào)節(jié)器，第三部分是增益介質(zhì)�？祵幑咀畛鯃�(bào)道的結(jié)果是，通過把紅外DBR輸出激光耦合到周期性極化鈮酸鋰晶體內(nèi)的二次諧波發(fā)生器，可以產(chǎn)生功率最高達(dá)104.6mW的530nm的二次諧波輸出。[2]測(cè)試結(jié)果表明，該綠光光源可以在高于投影儀所需的50MHz的速率下進(jìn)行調(diào)制，此后實(shí)驗(yàn)室版本的激光器的綠光輸出功率達(dá)到了184mW。[3]
fs&J%ku\ Gg|'T}0X 康寧公司去年發(fā)布的第一款商用樣機(jī)可以輸出60mW的激光（見圖1）。2010年5月，該公司發(fā)布了80mW的樣機(jī)，并表示其電光轉(zhuǎn)換效率為8%，調(diào)制速率高達(dá)150MHz，可滿足高圖像分辨率的速率要求。
Yd~K\tX :n m~1{~' 圖1：康寧公司的用于微微投影儀的綠色激光器模塊，它只有4mm厚。
L~x3}o$-o 圖中顯示了其與智能手機(jī)尺寸的對(duì)比
LG'JQGl5 R[LVx-e7' 錐形激光放大器
~:b bV6YO sqi~j(&\1 另一種生成高效諧波所需的高質(zhì)量、高功率光束的辦法是將單模脊形波導(dǎo)DBR二極管激光器和一個(gè)錐形放大器相結(jié)合（見圖2）。德國Ferdinand Braun學(xué)院的Götz Erbert研究小組正在進(jìn)行一項(xiàng)為期五年的研究項(xiàng)目，其目的是開發(fā)在可見光波段、輸出功率僅為數(shù)瓦的小型二次諧波光源，以滿足從照相機(jī)大小的投影儀到精密光學(xué)儀器的一系列應(yīng)用需求。該課題組已經(jīng)生成了980nm、0.012nm線寬、12W功率的基頻輸出，該輸出光束帶有小于15°的垂直發(fā)散角，接近衍射極限。[4]周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)中產(chǎn)生的單程二次諧波的波長為488nm，功率大于1W。該課題組同時(shí)也在探索利用非線性光學(xué)技術(shù)產(chǎn)生從紫外到紅外波段的光源，并與PicoQuant GmbH公司的Sina Riecke合作，生成了531nm、兆赫茲重復(fù)頻率的30ps的脈沖。[5]
O*d&H;; g_G?gO 圖2：Braun學(xué)院研制的錐形放大器包括一個(gè)2mm長、4μm厚的脊形波導(dǎo)，1mm長的增益區(qū)域以及背面1mm長的分布式布拉格反射鏡。4mm長的放大級(jí)錐形角為6°
pRx^O
F(3 (9*s:)zD- Braun學(xué)院的課題組同時(shí)與Potsdam大學(xué)合作研究耦合環(huán)形諧振器器，用于諧波產(chǎn)生（見圖3）。主要的環(huán)形腔利用慣性諧振鎖定從錐形激光放大器輸出的激光，并將基頻光耦合到一個(gè)更小的、包含周期性極化鈮酸鋰晶體諧波發(fā)生器的環(huán)形腔內(nèi)。最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)了功率310mW、線寬50MHz、電光轉(zhuǎn)換效率為18%的488nm的激光輸出。[6]
0*L|r Jf Dx$74~2e 圖3：Potsdam大學(xué)和Braun學(xué)院共同研制的用于二極管激光器諧波產(chǎn)生分的耦合環(huán)形諧振器。該諧振器包括頂部環(huán)形腔內(nèi)錐形放大器（TA）、全息衍射光柵（G）、激光二極管（OD）、半波片（HWP）、偏振分光鏡（PBS）、分光鏡（BS）以及數(shù)個(gè)
透鏡。周期性極化鈮酸鋰諧波發(fā)生器（PPLN）由上下環(huán)腔共用
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(q0zR~l 丹麥科技大學(xué)的Paul Michael Petersen小組利用可調(diào)二極管激光器生成了659~675nm波段、線寬為0.07nm、功率為1.38W的基頻輸出。[7]該輸出值是可調(diào)二極管激光器在這個(gè)波段的最高值，通過倍頻可使波長達(dá)到335nm，短于目前紫外二極管激光器的輸出波長。
#bUWF|zfT hE\,4c1 將高質(zhì)量的近紅外激光器同非線性光學(xué)元件相結(jié)合，可以產(chǎn)生具有更長紅外波長的激光，而在這一波長沒有很好的光源可供使用。通過與荷蘭Twente大學(xué)的合作，Paul Michael Petersen小組從單片二極管放大器中輸出了功率為8.05W、波長1062nm的激光，用其泵浦周期性極化鈮酸鋰晶體的單腔光參量振蕩器。用于信號(hào)波的調(diào)諧范圍為1541~1600nm，作為閑頻信號(hào)的調(diào)諧范圍是3154~3415nm。閑頻光在3373nm波長時(shí)的輸出功率超過1.1W，這是目前為止二極管泵浦OPO輸出的最高記錄。其44%的光光轉(zhuǎn)換效率使總電光轉(zhuǎn)效率達(dá)到14.9%，這是利用二極管泵浦激光器泵浦OPO的7倍。[8]
TP{lt6wws( OMd{ rH 量子級(jí)聯(lián)激光器波長的轉(zhuǎn)換
N[^% | I{<6GIU+ 非線性波長轉(zhuǎn)換也是量子級(jí)聯(lián)激光器領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，其主要方向是二次諧波產(chǎn)生以及差頻混頻，以產(chǎn)生太赫茲頻率。
`]\4yTd L T p5T|O 德州農(nóng)工大學(xué)的理論家Alexey Belyanin認(rèn)為，二次諧波產(chǎn)生的主要關(guān)注點(diǎn)集中在使碳水化合物的C-H鍵、O-H鍵、N-H鍵的吸收譜帶接近2.5~3.5μm，從而實(shí)現(xiàn)很多重要的新型應(yīng)用。異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長和電流注入問題阻礙了能夠直接輸出如此短波長的量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)展。幾年前，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Belyanin、Frederico Capasso和Claire Gmachl相互合作，第一次在量子級(jí)聯(lián)激光器中觀測(cè)到了二次諧波的產(chǎn)生，但當(dāng)時(shí)的功率只有幾十納瓦。[9]到2004年，他們?cè)?.45μm波長處將二次諧波的功率提升到了毫瓦級(jí)。諧波產(chǎn)生發(fā)生在量子級(jí)聯(lián)的自身結(jié)構(gòu)中。[10] Belyanin表示：“由于我們本質(zhì)上是進(jìn)行光學(xué)非線性的‘量子工程’，因此我們可以根據(jù)自己的意愿來控制。”這使其比其他材料的非線性度高很多，通過改變電子共振頻率可以實(shí)現(xiàn)相位匹配。[11] Belyanin最近提出了一種方法，可以在短至1.5~2.5μm的波長范圍內(nèi)生成二次諧波，目前他正在同實(shí)驗(yàn)人員一道驗(yàn)證這個(gè)想法。[12]
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