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(zhuǎn)換，但是這需要高功率，高光束質(zhì)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(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？

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(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(diào)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?qū)ふ乙环N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(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電子市場，大多數(shù)項目都因此擱淺，但也有一些項目轉(zhuǎn)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�？祵幑�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(diào)節(jié)器，第三部分是增益介質(zhì)�？祵幑�司最初報道的結(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104.6mW的530nm的二次諧波輸出。^[2]測試結(jié)果表明，該綠光光源可以在高于投影儀所需的50MHz的速率下進行調(diào)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(zhuǎn)換效率為8%，調(diào)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(zhì)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(jié)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(nèi)。最近的實驗結(jié)果實現(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]

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(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(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(zhì)量的近紅外激光器同非線性光學元件相結(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(diào)諧范圍為1541~1600nm，作為閑頻信號的調(diào)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(zhuǎn)換效率使總電光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換

非線性波長轉(zhuǎn)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(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(jié)構(gòu)中。^[10] Belyanin表示：“由于我們本質(zhì)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)換技術也位于科技前沿。結(jié)果是讓人感到鼓舞的，但是我們必須等待。

參考文獻：

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