转换半导体激光器的波长面临挑战

利用非线性光学的谐波产生和混频技术，可以对半导体激光器进行频率转换，但是这需要高功率，高光束质量和窄线宽。

非线性光学技术是填补激光光谱空白的有效办法，它包括简单的谐波产生和更为复杂的光参量振荡器（OPO）。二极管泵浦钕激光器的倍频使得绿色激光指示器的价格更低、结构紧凑，但是为什么开发人员不放弃激光泵浦，然后直接通过倍频的方式来产生所需的波长呢？

绿光激光器实现了这一点，MicorVision公司生产的微微投影仪已经进入市场。但是这并不容易。非线性波长转换不仅需要高的激光源功率，而且需要高的光束质量和窄线宽发射。把这些特性都集中到一台半导体激光器上并不容易。然而随着技术的不断进步，第一款产品已经进入市场，开发人员还在报告着更多令人兴奋的成果，包括新型激光器设计、二极管泵浦OPO、量子级联激光器的谐波和差频的产生。

寻求倍频的二极管激光器

对二级管激光器进行倍频的工作起始于上世纪90年代早期，当时二极管已经达到较高的功率水平，但是波长止于红光。对近红外二极管激光器的输出进行倍频，可以得到可见光谱中的短波输出。针对激光显示等应用，还可使用直接调制的短波激光器。

相干公司成功研制出一款名为D3的激光器（直接倍频二极管激光器），该激光器对860nm二极管激光器的100mW输出进行倍频，从而生成10mW的430nm波长的蓝光。[1]它使用分布式布拉格反射激光器用于窄线宽输出，其输出还需要模式匹配并且相位锁定到外腔谐波发生器。这是业界第一款产品，但是由于没有找到合适的应用而最终退出市场。毫无疑问，部分原因是由于当时在日亚化学株式会社的中村修二成功开发出了蓝光氮化铟镓（InGaN）激光器。相干公司最终开发出了光泵表面发射半导体激光器，它可以倍频输出可见光，但是其更像固体激光器而非二极管激光器。

蓝光二极管激光器的成功，在绿光为中心的可见光光谱中留下了空隙。几年后，当消费电子领域寻找一种新技术用于投影电视的时候，这一问题凸显出来。如果可以找到合适的530nm激光源，激光背投电视可以提供比平板显示更好的色域。倍频钕激光器似乎是一个合理的选择，但是由于不能按照所需速率直接对其进行调制，因此开发人员转而寻求倍频1060nm的二极管激光器或其他激光器，以生成530nm的绿光。随着背投电视逐渐淡出消费电子市场，大多数项目都因此搁浅，但也有一些项目转向了那些用于移动设备的微微投影仪。Portola Valley公司的光学顾问John Nightingale表示，这类应用的成本要远低于电视应用。

康宁公司已经在刚起步的微投影仪市场上有所开拓。去年该公司推出了一款商用版的投影仪，并为MicroVision公司的Showwx投影仪提供激光器，后者用于iPod和笔记本电脑。康宁公司的绿光激光器对分布式布拉格反射（DBR）激光器的1060nm的输出进行倍频，该DBR激光器发射单频单模激光。该激光器包括三部分：第一部分是DBR光栅，第二部分是相位调节器，第三部分是增益介质。康宁公司最初报道的结果是，通过把红外DBR输出激光耦合到周期性极化铌酸锂晶体内的二次谐波发生器，可以产生功率最高达104.6mW的530nm的二次谐波输出。[2]测试结果表明，该绿光光源可以在高于投影仪所需的50MHz的速率下进行调制，此后实验室版本的激光器的绿光输出功率达到了184mW。[3]

康宁公司去年发布的第一款商用样机可以输出60mW的激光（见图1）。2010年5月，该公司发布了80mW的样机，并表示其电光转换效率为8%，调制速率高达150MHz，可满足高图像分辨率的速率要求。

图1：康宁公司的用于微微投影仪的绿色激光器模块，它只有4mm厚。
图中显示了其与智能手机尺寸的对比

锥形激光放大器

另一种生成高效谐波所需的高质量、高功率光束的办法是将单模脊形波导DBR二极管激光器和一个锥形放大器相结合（见图2）。德国Ferdinand Braun学院的Götz Erbert研究小组正在进行一项为期五年的研究项目，其目的是开发在可见光波段、输出功率仅为数瓦的小型二次谐波光源，以满足从照相机大小的投影仪到精密光学仪器的一系列应用需求。该课题组已经生成了980nm、0.012nm线宽、12W功率的基频输出，该输出光束带有小于15°的垂直发散角，接近衍射极限。[4]周期性极化铌酸锂波导中产生的单程二次谐波的波长为488nm，功率大于1W。该课题组同时也在探索利用非线性光学技术产生从紫外到红外波段的光源，并与PicoQuant GmbH公司的Sina Riecke合作，生成了531nm、兆赫兹重复频率的30ps的脉冲。[5]

图2：Braun学院研制的锥形放大器包括一个2mm长、4μm厚的脊形波导，1mm长的增益区域以及背面1mm长的分布式布拉格反射镜。4mm长的放大级锥形角为6°

Braun学院的课题组同时与Potsdam大学合作研究耦合环形谐振器器，用于谐波产生（见图3）。主要的环形腔利用惯性谐振锁定从锥形激光放大器输出的激光，并将基频光耦合到一个更小的、包含周期性极化铌酸锂晶体谐波发生器的环形腔内。最近的实验结果实现了功率310mW、线宽50MHz、电光转换效率为18%的488nm的激光输出。[6]

图3：Potsdam大学和Braun学院共同研制的用于二极管激光器谐波产生分的耦合环形谐振器。该谐振器包括顶部环形腔内锥形放大器（TA）、全息衍射光栅（G）、激光二极管（OD）、半波片（HWP）、偏振分光镜（PBS）、分光镜（BS）以及数个透镜。周期性极化铌酸锂谐波发生器（PPLN）由上下环腔共用

丹麦科技大学的Paul Michael Petersen小组利用可调二极管激光器生成了659~675nm波段、线宽为0.07nm、功率为1.38W的基频输出。[7]该输出值是可调二极管激光器在这个波段的最高值，通过倍频可使波长达到335nm，短于目前紫外二极管激光器的输出波长。

将高质量的近红外激光器同非线性光学元件相结合，可以产生具有更长红外波长的激光，而在这一波长没有很好的光源可供使用。通过与荷兰Twente大学的合作，Paul Michael Petersen小组从单片二极管放大器中输出了功率为8.05W、波长1062nm的激光，用其泵浦周期性极化铌酸锂晶体的单腔光参量振荡器。用于信号波的调谐范围为1541~1600nm，作为闲频信号的调谐范围是3154~3415nm。闲频光在3373nm波长时的输出功率超过1.1W，这是目前为止二极管泵浦OPO输出的最高记录。其44%的光光转换效率使总电光转效率达到14.9%，这是利用二极管泵浦激光器泵浦OPO的7倍。[8]

量子级联激光器波长的转换

非线性波长转换也是量子级联激光器领域的一个研究热点，其主要方向是二次谐波产生以及差频混频，以产生太赫兹频率。

德州农工大学的理论家Alexey Belyanin认为，二次谐波产生的主要关注点集中在使碳水化合物的C-H键、O-H键、N-H键的吸收谱带接近2.5~3.5μm，从而实现很多重要的新型应用。异质结构生长和电流注入问题阻碍了能够直接输出如此短波长的量子级联激光器的发展。几年前，贝尔实验室的Belyanin、Frederico Capasso和Claire Gmachl相互合作，第一次在量子级联激光器中观测到了二次谐波的产生，但当时的功率只有几十纳瓦。[9]到2004年，他们在4.45μm波长处将二次谐波的功率提升到了毫瓦级。谐波产生发生在量子级联的自身结构中。[10] Belyanin表示：“由于我们本质上是进行光学非线性的‘量子工程’，因此我们可以根据自己的意愿来控制。”这使其比其他材料的非线性度高很多，通过改变电子共振频率可以实现相位匹配。[11] Belyanin最近提出了一种方法，可以在短至1.5~2.5μm的波长范围内生成二次谐波，目前他正在同实验人员一道验证这个想法。[12]

利用非线性差频混频来形成太赫兹辐射，使其能够在室温环境下运行，而大多数应用更偏向于采用低温冷却，从而可以直接利用量子级联激光器获得太赫兹辐射。然而，Belyanin表示：“没有免费的午餐，因为你将以损失功率为代价。”

非线性差频产生需要一个工作在两个独立波长的量子级联激光器，它们在激光腔内混频就会产生差频信号。“太赫兹的输出功率并不高，但是确实存在。”德州大学奥斯汀分校的Mikhail Belkin表示。他与哈佛大学的Capasso合作，通过将7.6μm和8.7μm波长的激光混合，产生了60μm波长的差频输出。[13]“理论上我们应该可以获得毫瓦级的输出，但通过实验我们在室温下只获得了1µW的输出。”Belkin补充说。目前，他仍在奥斯汀继续这项研究，其中的一项好消息是他找到了很多可以提高功率的办法。使用低温冷却技术的量子级联激光器在极低的温度下可以辐射150mW的功率。但是随温度的升高，输出功率逐步降低。当温度超过190K时，输出功率降为零。

竞争与展望

绿光二极管激光器的最新进展显示了清晰的竞争格局。在西部光子学会议上，现就职于加州大学圣芭芭拉分校的中村修二和Kaai发布了一款波长523nm的绿光二极管激光器。德国Osram光学半导体公司报道了其在实验室中从515nm的InGaN激光器中获得50mW的功率输出。[14]另外，Osram并没有放弃利用光泵表面发射半导体激光器倍频获取绿光的办法，康宁公司也发布了其用于微微投影仪的光源产品。根据他们的诉求，绿光二极管必须要在功率和稳定性方面迎头赶上，没有谁能保证它们可以击败倍频二极管方案，尤其是在瓦级功率水平。其他非线性波长转换技术也位于科技前沿。结果是让人感到鼓舞的，但是我们必须等待。

参考文献：
http://www.repairfaq.org/sam/laserdio.htm#diocod
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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).
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).
M. Chi et al., "1.38 W tunable high-power narrow-line external cavity tapered amplifier at 670 nm," CLEO/QELS 2010, paper JTuD99.
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M. Belkin et al., "Terahertz quantum-cascade laser source based on intracavity difference-frequency generation," Nature Photon. 1, 288–292 (May 2007).
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.

（作者：Jeff Hecht 来源：激光世界）

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