一文看懂激光波长的转换

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激光的波长是一项基本特点,由增益介质及其内部结构决定。常见的激光源之一是激光二极管,其波长由其设计和构成材料决定。激光二极管由电流驱动,直接将电能转换为光。对指定的运用,并不是所有波长都能选用所需的参数(比如功能或能量)从激光器中生成。当需要其他激光波长时,普遍会使用某种波长转换。在本文中,咱们将介绍转换激光的波长会对特定应用有益的状况,而且概述用在实现此类波长转换的流程。

可调谐激光器

咱们先探讨调谐激光器。调谐规模首先受到增益介质带宽的约束。实现调谐的方法是控制激光腔内的损失,使产生激光的特定波长的损失降到最低约束。

调谐机制可以像控制激光的温度那样简单,也可以复杂到使用微机电促动器来变更激光腔的长度。可调谐激光二极管可以实现到 40 nm 调谐规模。

固態激光器

另外一方面,很多固態激光器的增益光谱较窄,因此不可调谐,值得注意的例外是钛宝石激光器,得益于较宽的增益带宽,它可以在 650-1100 nm 规模内调谐。

线性波长

当激光用在将增益介质(一般为水晶)泵浦到更加高的能態时,就会发生线性波长转换。受激电子经过发出更长波长辐射来衰减到更低的能態。在激光腔内部安放增益介质,便可构成激光器。一个尽人皆知的例子是 Nd:YAG 激光器,普遍使用激光二极管在 808 nm 进行泵浦, 发出 1064 nm 辐射。

非线性波长

下面,咱们要考虑非线性波长转换。在光电领域,当极化密度 P 等物理量对激光器的电场 E 作出非线性响合时,咱们就称该系统为非线性。当介电材料受到电场 E 的影响时,其分子会得到电偶极矩,咱们称该介质被极化。极化密度 P 暗示这些电偶极矩的密度,可使用以下方程来描述:

P = e0(c(1)E + c(2)E2 + c(3)E3 + …)

其中,e0 是常数,c(n) 称为介质的 n 阶极化率,暗示介电材料响应外加电场 E 的极化度。这个方程说明,如果电场 E 激发介质,则产生与 E2 成比例的极化,其强度与 c(2) 项相干。如果 E 以 ω 频次振荡,则 P 具备以 2 ω 的频次振荡的分量。简而言之,为了得到响应频次为 ω 的激发,咱们使电偶以 2 ω 的频次振荡和辐射。因此,现实上,介质将频次为 ω 的辐射转换成频次为 2ω 的辐射。

这称为二次谐波产生 (SHG)。二次谐波产生的一个尽人皆知的例子是 532 nm 绿光激光器,它使用非线性水晶,经过 SHG 将 1064 nm 转换为 532 nm。Spectra Physics VGEN-G 光纤激光器是依靠于此过程的一款商用激光器,如图 1 中所示,它包括 SHG 模块,用在产生脉冲绿光激光束


图 1 Spectra Physics VGEN-G 光纤激光器

典型的非线性光学过程依靠于充分极化的强激光束,乃至可以支持该激光束的非线性介质。非线性光学过程需要的激光工作条件、非线性介质乃至过程当中使用的极化率 c(n) 各不同样。

很多非线性过程会产生波长规模较窄的辐射,但也不是无例外;比如,超持续光源普遍使用复杂的光纤结构将光脉冲转换为超宽带辐射,而它就包括非常宽的波长规模。

为了让非线性介质高效地产生相干辐射,需要满足某些条件,称为相位匹配条件。相位匹配象征着非线性介质内部以不同频次相互作用的波将保持恰当的相位关系。只要满足这些条件,咱们才会得到相干辐射,产生自光在介质内部传播期间发生的非线性过程的总和。基本的相位匹配方程为:

k3 = k1 + k2

其中,k 是光的波矢量,下标暗示相互作用的光束。对 SHG,下标 1 和 2 暗示原始激光,而下标 3 暗示新产生的频次加倍的波。图 2 显示 SHG 过程的表示图,红外光在该过程当中转换为绿光。但是非线性过程的转换效果和速率有限,因此一部分入射光会穿过非线性介质而不发生改变。这样,当以短脉冲工作时,与平均功率恒定的持续波 (CW) 激光器相比较,脉冲激光器的刹时功率可能极高。刹时功率高,可以提升非线性过程的效果和速率。

图2 二次谐波产生的表示图



大粤激光(DAYUE LASER)品牌简介


大粤激光(DAYUE LASER)是一家专业从事精密激光焊接和高精度激光打标设备的制造商,生产销售精密激光焊接机和高精度激光打标机。

目前研发生产和销售的产品有:激光点焊机,激光焊接机,激光打标机等自动化激光工业设备,包括连续光纤激光焊接机、脉冲激光焊接机、QCW精密激光焊接机、光纤传导激光焊接机、振镜扫描激光焊接机(又分光纤传导型和硬光路型),机器人激光焊接机、四轴联动激光焊接机、能量反馈激光焊接机、三通激光焊接机、电池极耳激光焊接机、直綘对焊激光焊接机、首饰激光点焊机、牙科激光点焊机、桌面式激光点焊机、激光模具烧焊机、吊臂式激光模具烧焊机、悬臂式激光模具烧焊机、光纤激光打标机,CO2激光打标机,紫外激光打标机,绿光激光打标机,飞行在线激光打标机、激光喷码机、MOPA氧化铝激光打标机、自动激光打标系统、龙门式大幅面激光打标系统、1.5米刻度激光打标系统、PLC在线激光打标系统、XY数控视觉定位激光打标系统、在线飞行视觉定位激光打标系统、3D激光打标机、自动对焦激光打标系统、便携式激光打标机、桌面式激光打标机、壹轴激光打标机、三轴手机壳激光打标系统等等。


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