雷射與非線性光學:雷射光頻轉換

雷射由於功率密度極高，可以透過非線性光頻轉換來改變輸出波長，進而產生自紫外光、可見光一直到近、中紅外光波段等不同雷射輸出。例如日常生活中常用的綠光雷射筆，受限於材料特性無法用半導體雷射量產，因此市面上販售的，即是使用1064奈米的近紅外光固態雷射，二倍頻後得到的532奈米綠光雷射，其架構示意圖如圖1所示，這也是價格較昂貴的原因之一。除此之外，許多如加工、醫療等適合使用雷射光源來精準作業的應用，為了符合目標材質的吸收特性，單一波長的雷射光自然無法填補這些潛在的應用空缺。因此，非線性光頻轉換一直是雷射應用中非常重要的一部分，這篇文章將介紹最簡單、也最常用的雷射光頻轉換原理，並藉由雷射本身的限制來了解光頻轉換帶來的效益。

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圖1，綠光雷射筆架構示意圖。(*為雷射三要素)

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非線性光學與雷射

非線性物理的特性表現在光學中的行為即稱之為非線性光學。由於光波為電磁波的一種，因此可以用光場來表示光學特性的變化。一個光場包含強度(E) 乘上光頻(ω) 與波數(k) 的尤拉函數，E×exp[j(ωt-kx)]。一般常見的光學行為均以光場的一階、也就是線性疊加的形式表現出來，如反射、折射等。線性光學所展現出來的現象幾乎都能透過簡單的光學系統與光學元件加以模擬與分析。非線性光學通常表現在光場的多階、也就是多次方的疊加，因此除了強度外，指數項中的光頻、波數也有機會發生耦合。非線性光學理論上是普遍存在的，但非線性項的強度常常遠小於線性項，因此非線性光學並不常在日常生活中被觀察到。非線性項的強度取決於介質在非線性項的係數大小與光場本身的強度，除了在某些非線性係數夠大的介質中外，其實不容易找到一個強度夠強的光源能夠引發出明顯的非線性現象。

雷射在1960年代被發明後，於近五十年中發展愈趨成熟。雷射為一增益介質透過激發源激發後，使用光學共振腔共振而產生，有能量集中、具行進方向、光頻(波長) 單一化、同調等特性。一般根據雷射增益介質，可區分為氣體雷射、固態雷射、半導體雷射及光纖雷射等類型。隨著雷射功率的提升，配合強聚焦的光學系統，人們開始在各種不同介質中看到各式各樣的非線性光學現象，例如光頻、也就是輸出波長發生變化。由於雷射受限於材質本身特性，輸出波長常被限制，例如常見的半導體雷射和固態雷射，都較適合輸出近紅外波段附近的雷射光。透過非線性的光頻轉換，雷射輸出波長得以延伸。但是受限於非線性光頻轉換的轉換效率，若要達到可利用的輸出功率，雷射光源常需要特殊的設計，例如以Q開關的方式達到瞬間高峰值功率，或者使用共振腔內光頻轉換等方式。因此雖然半導體雷射能產生更高的平均功率，但調整上較困難，所以非線性轉換更適合使用固態雷射當作基頻光源。而如何提升雷射的品質來提高非線性轉換效率，包含光束品質等特性，也一直是固態雷射研發的目標之一。在這篇文章中，我們將介紹利用二階非線性項所產生的頻率轉換，這是其中最簡單，也是目前最常被使用的雷射光頻轉換方式。

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繼續閱讀全文：物理雙月刊38期8月號（2016)

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