利用非線性光學的諧波產(chǎn)生和混頻技術，可以對半導體激光器進行頻率轉換，但是這需要高功率，高光束質量和窄線寬。

 Jeff Hecht

非線性光學技術是填補激光光譜空白的有效辦法，它包括簡單的諧波產(chǎn)生和更為復雜的光參量振蕩器（OPO）。二極管泵浦釹激光器的倍頻使得綠色激光指示器的價格更低、結構緊湊，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？

綠光激光器實現(xiàn)了這一點，MicorVision公司生產(chǎn)的微微投影儀已經(jīng)進入市場。但是這并不容易。非線性波長轉換不僅需要高的激光源功率，而且需要高的光束質量和窄線寬發(fā)射。把這些特性都集中到一臺半導體激光器上并不容易。然而隨著技術的不斷進步，第一款產(chǎn)品已經(jīng)進入市場，開發(fā)人員還在報告著更多令人興奮的成果，包括新型激光器設計、二極管泵浦OPO、量子級聯(lián)激光器的諧波和差頻的產(chǎn)生。

尋求倍頻的二極管激光器

對二級管激光器進行倍頻的工作起始于上世紀90年代早期，當時二極管已經(jīng)達到較高的功率水平，但是波長止于紅光。對近紅外二極管激光器的輸出進行倍頻，可以得到可見光譜中的短波輸出。針對激光顯示等應用，還可使用直接調制的短波激光器。

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860nm二極管激光器的100mW輸出進行倍頻，從而生成10mW的430nm波長的藍光。^[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用而最終退出市場。毫無疑問，部分原因是由于當時在日亞化學株式會社的中村修二成功開發(fā)出了藍光氮化銦鎵（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。

藍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，當消費電子領域尋找一種新技術用于投影電視的時候，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合理的選擇，但是由于不能按照所需速率直接對其進行調制，因此開發(fā)人員轉而尋求倍頻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電子市場，大多數(shù)項目都因此擱淺，但也有一些項目轉向了那些用于移動設備的微微投影儀。Portola Valley公司的光學顧問John Nightingale表示，這類應用的成本要遠低于電視應用。

康寧公司已經(jīng)在剛起步的微投影儀市場上有所開拓。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。康寧公司的綠光激光器對分布式布拉格反射（DBR）激光器的1060nm的輸出進行倍頻，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，第二部分是相位調節(jié)器，第三部分是增益介質�？祵幑�司最初報道的結果是，通過把紅外DBR輸出激光耦合到周期性極化鈮酸鋰晶體內的二次諧波發(fā)生器，可以產(chǎn)生功率最高達104.6mW的530nm的二次諧波輸出。^[2]測試結果表明，該綠光光源可以在高于投影儀所需的50MHz的速率下進行調制，此后實驗室版本的激光器的綠光輸出功率達到了184mW。^[3]

 康寧公司去年發(fā)布的第一款商用樣機可以輸出60mW的激光（見圖1）。2010年5月，該公司發(fā)布了80mW的樣機，并表示其電光轉換效率為8%，調制速率高達150MHz，可滿足高圖像分辨率的速率要求。

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。圖中顯示了其與智能手機尺寸的對比。

錐形激光放大器

另一種生成高效諧波所需的高質量、高功率光束的辦法是將單模脊形波導DBR二極管激光器和一個錐形放大器相結合（見圖2）。德國Ferdinand Braun學院的Götz Erbert研究小組正在進行一項為期五年的研究項目，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，以滿足從照相機大小的投影儀到精密光學儀器的一系列應用需求。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。該課題組同時也在探索利用非線性光學技術產(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、兆赫茲重復頻率的30ps的脈沖。^[5]

圖2：Braun學院研制的錐形放大器包括一個2mm長、4μm厚的脊形波導，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長的放大級錐形角為6°。

Braun學院的課題組同時與Potsdam大學合作研究耦合環(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。最近的實驗結果實現(xiàn)了功率310mW、線寬50MHz、電光轉換效率為18%的488nm的激光輸出。^[6]

圖3：Potsdam大學和Braun學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。

 丹麥科技大學的Paul Michael Petersen小組利用可調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]該輸出值是可調二極管激光器在這個波段的最高值，通過倍頻可使波長達到335nm，短于目前紫外二極管激光器的輸出波長。

將高質量的近紅外激光器同非線性光學元件相結合，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。用于信號波的調諧范圍為1541~1600nm，作為閑頻信號的調諧范圍是3154~3415nm。閑頻光在3373nm波長時的輸出功率超過1.1W，這是目前為止二極管泵浦OPO輸出的最高記錄。其44%的光光轉換效率使總電光轉效率達到14.9%，這是利用二極管泵浦激光器泵浦OPO的7倍。^[8]

量子級聯(lián)激光器波長的轉換

非線性波長轉換也是量子級聯(lián)激光器領域的一個研究熱點，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。

 德州農(nóng)工大學的理論家Alexey Belyanin認為，二次諧波產(chǎn)生的主要關注點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，從而實現(xiàn)很多重要的新型應用。異質結構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聯(lián)激光器的發(fā)展。幾年前，貝爾實驗室的Belyanin、Frederico Capasso和Claire Gmachl相互合作，第一次在量子級聯(lián)激光器中觀測到了二次諧波的產(chǎn)生，但當時的功率只有幾十納瓦。^[9]到2004年，他們在4.45μm波長處將二次諧波的功率提升到了毫瓦級。諧波產(chǎn)生發(fā)生在量子級聯(lián)的自身結構中。^[10] Belyanin表示：“由于我們本質上是進行光學非線性的‘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的波長范圍內生成二次諧波，目前他正在同實驗人員一道驗證這個想法。^[12]

利用非線性差頻混頻來形成太赫茲輻射，使其能夠在室溫環(huán)境下運行，而大多數(shù)應用更偏向于采用低溫冷卻，從而可以直接利用量子級聯(lián)激光器獲得太赫茲輻射。然而，Belyanin表示：“沒有免費的午餐，因為你將以損失功率為代價。”

非線性差頻產(chǎn)生需要一個工作在兩個獨立波長的量子級聯(lián)激光器，它們在激光腔內混頻就會產(chǎn)生差頻信號。“太赫茲的輸出功率并不高，但是確實存在。”德州大學奧斯汀分校的Mikhail Belkin表示。他與哈佛大學的Capasso合作，通過將7.6μm和8.7μm波長的激光混合，產(chǎn)生了60μm波長的差頻輸出。^[13]“理論上我們應該可以獲得毫瓦級的輸出，但通過實驗我們在室溫下只獲得了1µW的輸出。”Belkin補充說。目前，他仍在奧斯汀繼續(xù)這項研究，其中的一項好消息是他找到了很多可以提高功率的辦法。使用低溫冷卻技術的量子級聯(lián)激光器在極低的溫度下可以輻射150mW的功率。但是隨溫度的升高，輸出功率逐步降低。當溫度超過190K時，輸出功率降為零。

競爭與展望

綠光二極管激光器的最新進展顯示了清晰的競爭格局。在西部光子學會議上，現(xiàn)就職于加州大學圣芭芭拉分校的中村修二和Kaai發(fā)布了一款波長523nm的綠光二極管激光器。德國Osram光學半導體公司報道了其在實驗室中從515nm的InGaN激光器中獲得50mW的功率輸出。^[14]另外，Osram并沒有放棄利用光泵表面發(fā)射半導體激光器倍頻獲取綠光的辦法，康寧公司也發(fā)布了其用于微微投影儀的光源產(chǎn)品。根據(jù)他們的訴求，綠光二極管必須要在功率和穩(wěn)定性方面迎頭趕上，沒有誰能保證它們可以擊敗倍頻二極管方案，尤其是在瓦級功率水平。其他非線性波長轉換技術也位于科技前沿。結果是讓人感到鼓舞的，但是我們必須等待。

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