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。

 Jeff Hecht

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(zhǎng)呢？

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(zhǎng)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。

尋求倍頻的二極管激光器

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(zhǎng)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。

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(zhǎng)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。

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。

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�司的綠光激光器對(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�司最初報(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]

 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。

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(jī)尺寸的對(duì)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(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(guó)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(zhǎng)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]

圖2：Braun學(xué)院研制的錐形放大器包括一個(gè)2mm長(zhǎng)、4μm厚的脊形波導(dǎo)，1mm長(zhǎng)的增益區(qū)域以及背面1mm長(zhǎng)的分布式布拉格反射鏡。4mm長(zhǎng)的放大級(jí)錐形角為6°。

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]

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。

 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(zhǎng)達(dá)到335nm，短于目前紫外二極管激光器的輸出波長(zhǎng)。

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(zhǎng)紅外波長(zhǎng)的激光，而在這一波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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]

量子級(jí)聯(lián)激光器波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換

非線性波長(zhǎng)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。

 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(zhǎng)和電流注入問題阻礙了能夠直接輸出如此短波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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]

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(yùn)行，而大多數(shù)應(yīng)用更偏向于采用低溫冷卻，從而可以直接利用量子級(jí)聯(lián)激光器獲得太赫茲輻射。然而，Belyanin表示：“沒有免費(fèi)的午餐，因?yàn)槟銓⒁該p失功率為代價(jià)。”

非線性差頻產(chǎn)生需要一個(gè)工作在兩個(gè)獨(dú)立波長(zhǎng)的量子級(jí)聯(lián)激光器，它們?cè)诩す馇粌?nèi)混頻就會(huì)產(chǎn)生差頻信號(hào)。“太赫茲的輸出功率并不高，但是確實(shí)存在。”德州大學(xué)奧斯汀分校的Mikhail Belkin表示。他與哈佛大學(xué)的Capasso合作，通過將7.6μm和8.7μm波長(zhǎng)的激光混合，產(chǎn)生了60μm波長(zhǎng)的差頻輸出。^[13]“理論上我們應(yīng)該可以獲得毫瓦級(jí)的輸出，但通過實(shí)驗(yàn)我們?cè)谑覝叵轮猾@得了1µW的輸出。”Belkin補(bǔ)充說。目前，他仍在奧斯汀繼續(xù)這項(xiàng)研究，其中的一項(xiàng)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(shù)的量子級(jí)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(dāng)溫度超過190K時(shí)，輸出功率降為零。

競(jìng)爭(zhēng)與展望

綠光二極管激光器的最新進(jìn)展顯示了清晰的競(jìng)爭(zhēng)格局。在西部光子學(xué)會(huì)議上，現(xiàn)就職于加州大學(xué)圣芭芭拉分校的中村修二和Kaai發(fā)布了一款波長(zhǎng)523nm的綠光二極管激光器。德國(guó)Osram光學(xué)半導(dǎo)體公司報(bào)道了其在實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(jí)功率水平。其他非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)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(xiàn)：

1. http://www.repairfaq.org/sam/laserdio.htm#diocod
2. M.H. Hu et al., "High-power distributed bragg reflector lasers for green-light generation," Proc. SPIE 6116, 61160M, doi:10.1117/12.647840 (2006).
3. J. Gollier et al., "P-233: Multimode DBR Laser Operation for Frequency Doubled Green Lasers in Projection Displays," Corning Incorporated, Science and Technology, Corning, NY 14831, USA; available at http://www.corning.com/WorkArea/downloadasset.aspx?id=10533.
4. C. Feibig et al., "High-power DBR tapered laser at 980 nm for single-path second-harmonic generation," IEEE J. selected Topics in Quant. Electron. 15, 978–983 (May–June 2009).
5. S.M. Riecke et al., "Pulse shape improvement during amplification and second-harmonic generation of picosecond pulses at 531 nm," Opt. Lett. 35, 1500–1502 (May 15, 2010).
6. D. Skoczowsky et al., "Efficient second-harmonic generation using a semiconductor tapered amplifier in a coupled ring-resonator geometry," Opt. Lett. 35, 232–234 (Jan. 15, 2010).
7. M. Chi et al., "1.38 W tunable high-power narrow-line external cavity tapered amplifier at 670 nm," CLEO/QELS 2010, paper JTuD99.
8. A.F. Nieuwenhuis et al., "One-watt level mid-IR output, singly resonant continuous-wave optical parametric oscillator pumped by a monolithic diode laser," Opt. Exp. 18, 11123 (May 24, 2010).
9. N. Owschimikow et al., "Resonant second-order nonlinear optical processes in quantum cascade lasers," Phys. Rev. Lett. 90, 043902 (Jan. 31, 2003).
10. O. Malis et al., "Milliwatt second harmonic generation in quantum cascade lasers with modal phase matching," Electron. Lett. 40 (Dec. 9, 2004).
11. M. Belkin et al., "Quasiphase matching of second-harmonic generation in quantum cascade lasers by Stark shift of electronic resonances," Appl. Phys. Lett. 88, 201108 (2006).
12. Y.-H. Cho and A. Belyanin, "Short-wavelength infrared second harmonic generation in quantum cascade lasers," J. Appl. Phys. 107, 053116 (2010).
13. M. Belkin et al., "Terahertz quantum-cascade laser source based on intracavity difference-frequency generation," Nature Photon. 1, 288–292 (May 2007).
14. S. Lutgen, A. Avramescu, T. Lermer, M. Schillgalies, D. Queren, J. Müller, D. Dini, A. Breidenassel, U. Strauss, "Progress of blue and green InGaN laser diodes," invited talk at Photonics West 2010, to be published in Proc. SPIE 7616.