激(ji)光波長(chang)的轉(zhuan)換

轉(zhuan)自(zi)MKS光學與(yu)運動(dong)控(kong)制

導敘

可調諧(xie)激光(guang)器(qi)

固(gu)態激光(guang)器(qi)

另壹(yi)方(fang)面(mian)，許多固(gu)態激光(guang)器(qi)的增(zeng)益(yi)光譜較(jiao)窄，因(yin)此(ci)不(bu)可調諧(xie)，值得註(zhu)意的(de)例(li)外(wai)是(shi)鈦寶(bao)石(shi)激光器(qi)，得益(yi)於(yu)較(jiao)寬的(de)增(zeng)益(yi)帶寬(kuan)，它能(neng)夠在 650-1100 nm 範圍(wei)內調(tiao)諧(xie)。

線(xian)性波長(chang)

當激(ji)光(guang)用於(yu)將(jiang)增(zeng)益(yi)介質(zhi)（通常為(wei)水(shui)晶）泵(beng)浦(pu)到更(geng)高的(de)能(neng)態時，就會發(fa)生線(xian)性波長(chang)轉(zhuan)換。受(shou)激(ji)電子(zi)通過發(fa)出(chu)更(geng)長(chang)波長(chang)輻射(she)來(lai)衰減到更(geng)低的能(neng)態。在激(ji)光腔內部(bu)放(fang)置(zhi)增(zeng)益(yi)介質(zhi)，即(ji)可構成激光(guang)器(qi)。壹個例子(zi)是(shi) Nd:YAG 激光(guang)器(qi)，通常使用(yong)激(ji)光二(er)極(ji)管(guan)在(zai) 808 nm 進行泵(beng)浦(pu)， 發(fa)出(chu) 1064 nm 輻射(she)。 

非線(xian)性波長(chang)

接下(xia)來(lai)，我們(men)要考(kao)慮(lv)非(fei)線(xian)性波長(chang)轉(zhuan)換。在(zai)光(guang)電領域(yu)，當極(ji)化(hua)密度(du) P 等(deng)物(wu)理(li)量(liang)對激(ji)光器(qi)的電場 E 作(zuo)出(chu)非線(xian)性響(xiang)應時，我們(men)就稱(cheng)該系(xi)統(tong)為(wei)非(fei)線(xian)性。當(dang)介電材料(liao)受到電場 E 的影響時，其分(fen)子(zi)會(hui)獲(huo)得電偶極(ji)矩(ju)，我們(men)稱(cheng)該介質(zhi)被極(ji)化(hua)。極(ji)化(hua)密度(du) P 表示(shi)這(zhe)些電偶極(ji)矩(ju)的(de)密度(du)，可以使用以下方程來(lai)描(miao)述(shu)：

其中(zhong)，e0 是(shi)常數，c(n) 稱(cheng)為(wei)介質(zhi)的 n 階極(ji)化(hua)率，表示(shi)介電材料(liao)響應外(wai)加電場 E 的極(ji)化(hua)度(du)。這個方程表明(ming)，如果電場 E 激發(fa)介質(zhi)，則產(chan)生與(yu) E2 成比(bi)例(li)的極(ji)化(hua)，其(qi)強(qiang)度(du)與(yu) c(2) 項相關。如果 E 以 ω 頻率振蕩(dang)，則 P 具有(you)以 2 ω 的頻(pin)率振蕩(dang)的(de)分(fen)量(liang)。簡而言(yan)之，為(wei)了(le)得到響(xiang)應頻(pin)率為(wei) ω 的激(ji)發(fa)，我們(men)使電偶以 2 ω 的頻(pin)率振蕩(dang)和(he)輻射(she)。因此(ci)，事(shi)實上，介質(zhi)將(jiang)頻(pin)率為(wei) ω 的輻射(she)轉(zhuan)換成(cheng)頻(pin)率為(wei) 2ω 的輻射(she)。

這稱(cheng)為(wei)二(er)次諧(xie)波產(chan)生 (SHG)。二(er)次諧(xie)波產(chan)生的壹個都(dou)知道(dao)的例子(zi)是(shi) 532 nm 綠光激(ji)光器(qi)，它使(shi)用非(fei)線(xian)性水(shui)晶，通過 SHG 將(jiang) 1064 nm 轉(zhuan)換為(wei) 532 nm。Spectra Physics VGEN-G 光纖(xian)激光(guang)器(qi)是(shi)依賴(lai)於(yu)此(ci)過(guo)程的壹款(kuan)商(shang)用(yong)激光器(qi)，如圖(tu) 1 中(zhong)所(suo)示(shi)，它包(bao)含 SHG 模塊(kuai)，用於(yu)產(chan)生脈沖綠光激(ji)光束。

圖(tu) 1 Spectra Physics VGEN-G 光纖(xian)激光(guang)器(qi)

k3 = k1 + k2

圖(tu)2 二(er)次諧(xie)波產(chan)生的示意圖(tu)

再次(ci)檢(jian)查方程 P = e0(c(1)E + c(2)E2 + c(3)E3 + …)，我們(men)發(fa)現(xian)其他(ta)非(fei)線(xian)性過(guo)程也(ye)成為(wei)可能：和頻與(yu)差(cha)頻產(chan)生、三(san)次諧(xie)波產(chan)生，以及其他(ta)過(guo)程。和(he)頻與(yu)差(cha)頻產(chan)生是(shi)產(chan)生兩個輸入頻率的和(he)與(yu)差(cha)的過程。它們(men)還(hai)依(yi)賴(lai)於(yu) c(2) 非線(xian)性度(du)，事實上(shang)，SHG 是(shi)和頻(pin)產(chan)生的特(te)殊情況，其中(zhong)兩個輸入波的(de)頻率相同(tong)。相比(bi)之下，三(san)次諧(xie)波產(chan)生依賴(lai)於(yu) c(3) 非線(xian)性度(du)，允(yun)許(xu)以原(yuan)始(shi)光(guang)束頻率的三(san)倍(bei)來(lai)產(chan)生光。

要從 1064 nm 激光(guang)器(qi)獲(huo)得 355 nm 的波長(chang)，可以使用單個水(shui)晶來(lai)實(shi)現三(san)次諧(xie)波產(chan)生。然而(er)，結果(guo)是(shi)由於(yu)大多(duo)數的(de) c(3) 非線(xian)性度(du)與(yu) c(2) 相比(bi)較(jiao)低，更(geng)高效(xiao)的(de)方法(fa)是(shi)使用(yong)第壹(yi)個水(shui)晶通過 SHG 產(chan)生 532 nm 的光(guang)，然後將(jiang)二(er)次諧(xie)波和(he)剩余的(de) 1064 nm 光束引向第(di)二(er)個水(shui)晶，通過和(he)頻產(chan)生來(lai)獲(huo)得 355 nm 的激(ji)光(guang)。
值得註(zhu)意的(de)是(shi)，用於(yu)這些過程的(de)兩個水(shui)晶不(bu)相同(tong)，因為(wei)每(mei)個水(shui)晶都(dou)混合不(bu)同(tong)的波長(chang)，所以需(xu)要為(wei)其(qi)支持的(de)非(fei)線(xian)性過(guo)程專(zhuan)門(men)定(ding)制。

非相(xiang)幹(gan)激(ji)光(guang)驅(qu)動(dong)光源(yuan)

最後我們(men)來(lai)討(tao)論非相幹(gan)激(ji)光(guang)驅(qu)動(dong)光源(yuan)。壹個都(dou)知道(dao)的例子(zi)是(shi)由激(ji)光輻射(she)激發(fa)的(de)發(fa)光(guang)等(deng)離(li)子(zi)體：激光(guang)可以激發(fa)氙(xian)燈(deng)中(zhong)的(de)等(deng)離(li)子(zi)體，從而在(zai)可見(jian)光(guang)譜範(fan)圍(wei)產(chan)生寬帶光(guang)源(yuan)。

非相(xiang)幹(gan)光(guang)源(yuan)的另(ling)壹(yi)個例子(zi)是(shi)產(chan)生以 13 nm 波長(chang)發(fa)出(chu)遠紫(zi)外(wai) (EUV) 輻射(she)的等(deng)離(li)子(zi)體。產(chan)生該等(deng)離(li)子(zi)體的方(fang)法(fa)是(shi)以大約(yue) 10 µm 的波長(chang)在真空中(zhong)的(de)錫滴上聚焦高功(gong)率二(er)氧化(hua)碳(tan)激光(guang)。這裏只有(you)壹(yi)小部(bu)分(fen)多千(qian)瓦(wa)級(ji)激光會(hui)轉(zhuan)換為(wei)短(duan) 800 倍(bei)的波長(chang)輻射(she)。產(chan)生的 EUV 光能(neng)夠實現(xian)微(wei)電子(zi)行(xing)業中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)*的(de)光刻工藝。

在面(mian)臨需(xu)要采(cai)用激(ji)光器(qi)的應用(yong)時，要考(kao)慮(lv)波長(chang)和激光器(qi)的工作(zuo)模(mo)式(shi)。例如，對於(yu)金(jin)屬(shu)焊(han)接(jie)，則需(xu)要高功(gong)率 CW 激光(guang)器(qi)，以便將(jiang)金(jin)屬(shu)加熱(re)到熔(rong)點並將(jiang)金(jin)屬(shu)部件(jian)連(lian)接(jie)起(qi)來(lai)。55 nm 或(huo) 266 nm 等(deng)短(duan)波長(chang)更(geng)適(shi)合(he)於(yu)這種(zhong)應用(yong)，因為(wei)金(jin)屬(shu)中(zhong)的(de)光(guang)吸(xi)收(shou)會(hui)隨著(zhe)波長(chang)減小而顯著(zhu)增(zeng)加。相(xiang)比(bi)之下，激光雕(diao)刻(ke)則需(xu)要使(shi)用(yong)脈沖(chong)激光器(qi)，因為(wei)它依(yi)賴(lai)於(yu)高瞬時功率在物(wu)體表面(mian)打(da)標，而(er)不(bu)需(xu)要產(chan)生的熱量(liang)穿透(tou)到材料(liao)深(shen)處(chu)。與(yu)上(shang)壹個例子(zi)類(lei)似(si)，應根據樣(yang)品的(de)材料(liao)來(lai)選(xuan)擇激(ji)光波長(chang)，以實現優異的(de)性能(neng)。

結論(lun)

森泉(quan)為(wei)您(nin)的(de)科(ke)研(yan)事業(ye)添(tian)磚(zhuan)加(jia)瓦(wa)：

1）  激光(guang)控(kong)制：激光(guang)電流源、激光(guang)器(qi)溫控(kong)器(qi)、激光(guang)器(qi)控(kong)制、伺服(fu)設(she)備(bei)與(yu)系(xi)統(tong)等(deng)等(deng)

2）  探(tan)測(ce)器(qi)：光電探(tan)測(ce)器(qi)、單光(guang)子(zi)計(ji)數器(qi)、單光(guang)子(zi)探(tan)測(ce)器(qi)、CCD、光譜分(fen)析系(xi)統(tong)等(deng)等(deng)

3）  定(ding)位與(yu)加(jia)工：納米(mi)定(ding)位系(xi)統(tong)、微(wei)納運動(dong)系統(tong)、多維位(wei)移(yi)臺(tai)、旋(xuan)轉(zhuan)臺、微(wei)型操(cao)作(zuo)器(qi)等(deng)等(deng)

4）  光源(yuan)：半(ban)導體激光(guang)器(qi)、固(gu)體激光(guang)器(qi)、單頻(pin)激(ji)光(guang)器(qi)、單縱(zong)模(mo)激光器(qi)、窄線(xian)寬激(ji)光器(qi)、光通訊波段(duan)激光器(qi)、CO2激光(guang)器(qi)、中(zhong)紅(hong)外(wai)激光(guang)器(qi)、染料(liao)激光(guang)器(qi)、飛秒超(chao)快激光(guang)器(qi)等(deng)等(deng)

5）  光機(ji)械件(jian)：用於(yu)光路系(xi)統(tong)搭建(jian)的(de)高品(pin)質(zhi)無應力(li)光機(ji)械件(jian)，如光學調整(zheng)架(jia)、鏡架、支撐(cheng)桿、固(gu)定(ding)底座(zuo)等(deng)等(deng)

6）  光學平臺(tai)：主動(dong)隔振平臺(tai)、氣(qi)浮(fu)隔(ge)振(zhen)臺、實驗桌(zhuo)、剛(gang)性(xing)工作(zuo)臺(tai)、面(mian)包板、隔(ge)振、隔(ge)磁(ci)、隔(ge)聲綜(zong)合解決(jue)方(fang)案(an)等(deng)等(deng)

7）  光學元件(jian)：各(ge)類晶體、光纖(xian)、偏轉(zhuan)鏡、反射(she)鏡、透射鏡、半透半(ban)反鏡、濾光(guang)片(pian)、衰減片(pian)、玻片等(deng)等(deng)

8） 染料(liao)：激光(guang)染(ran)料(liao)、熒光(guang)染(ran)料(liao)、光致(zhi)變色染(ran)料(liao)、光致(zhi)發(fa)光(guang)染料(liao)、吸(xi)收(shou)染(ran)料(liao)等(deng)等(deng)