采用和频技术，可以获得哪些新的激光波长？

作者 / 陈曦、孙艳兵、刘薇、王禹凝、曲大鹏、郑权

长春新产业光电技术有限公司

什么是和频技术？

非线性光学和频技术，即两种频率不同的单色相干光波入射，在二阶非线性晶体内产生第三种频率单色光的过程。

图1 和频技术的量子跃迁过程

如图1所示，根据量子理论，和频过程可以看作频率为ν₁ 、ν₂两个光子的湮灭，同时产生频率为ν₃的光子。因此由能量守恒定律有

，为普朗克常数，同时由动量守恒定律有

为波矢，用波长来表示即

即波长为、的基频光通过非线性晶体的非线性效应产生波长为的和频光。

和频激光器

图2 和频激光器的基本结构

和频激光器的基本结构如图2所示。基频光1和基频光2同时作用到非线性晶体上，产生和频光3。为了得到较高的和频效率，两束基频光的功率需要满足一定的配比。通过选择两束激光合适的LD抽运功率，就可以保证腔内两束基频光在非线性晶体上达到最佳的功率配比，从而提高和频效率。

常用的激光晶体有：Nd:YAG、Nd:YVO₄、Nd:YLF等。

随着新的激光材料，如Yb:YAG、Pr:YAP等的出现，进一步丰富了激光波长。掺Nd³⁺的晶体主要输出波长有1319 nm、1342 nm、1064 nm、1053 nm、1047 nm、946 nm、914 nm等，掺Yb³⁺的晶体主要输出波长有1030 nm等，掺Yb³⁺的晶体主要输出波长有522 nm、639 nm、720 nm等，通过公式

可知

如已知λ₁为1030 nm，λ₂为720 nm，通过以上公式即可计算出和频波长λ₃为424 nm，以此类推，利用和频技术产生新的波长，几乎满足紫外到可见光波段所有波长需求。

利用和频技术可以产生哪些新的波长？

在没出现和频技术之前，430 nm蓝光激光器普遍用671 nm激光抽运Cr:LiSAF晶体倍频输出，此方式报道中的功率只达到了几毫瓦，且输出波长不稳定，光源体积大。用和频技术实现的430 nm蓝光激光器是由掺Nd³⁺晶体的1319 nm谱线和掺Pr³⁺晶体的639 nm谱线同时运转，通过非线性晶体和频输出，430 nm输出功率可达几百毫瓦，光谱线宽窄，光源体积小，便于使用。

488 nm蓝光激光器多用半导体材料直接发射，谱线宽度宽。用和频技术实现的488 nm蓝光激光器是由1053 nm（Nd:YLF）和912 nm（Nd:GdVO₄）两条谱线同时运转，通过非线性晶体和频输出，可实现瓦级功率以上，具有基模TEM₀₀的光斑模式输出。同时，光谱线宽窄、光束质量好（可进行单模光纤耦合），相比Ar离子气体激光器，这种和频激光器具有体积小、功率高的优势，也弥补了半导体488 nm激光器在光束质量差、光谱线宽较宽、功率低等方面的不足，在光谱分析、拉曼、荧光显微等领域有着广泛的应用前景。

黄光激光器是近几十年来科学研究的一个热门话题。由于它广泛应用于干涉彩虹全息、精细激光光谱、差分吸收激光雷达、非线性频率变换、激光医学、光遗传学等领域，吸引了很多科研人员的注意力。

577 nm黄光激光器可用1319 nm（Nd:YAG）和1030 nm（Yb:YAG）基频光，通过非线性晶体和频实现，例如长春新产业即使如此。577 nm黄光激光可以用于光遗传学等研究领域，被国内外学者广泛应用，取得了很多科学成果。

589 nm黄光激光是用1319 nm（Nd:YAG）和1064 nm（Nd:YVO4）基频光，通过非线性晶体和频实现的。589 nm激光对应大气中间层钠原子最强的D2吸收线。因此，在天文钠导星自适应光学及空间目标识别与探测方面也有着重要应用。长春新产业公司的589钠导星项目激光器可实现最高功率大于50 W、中心波长精确到589.159 nm、光谱线宽0.3 GHz的输出，大幅度扩大了空间探测范围，提高了成像清晰度。

利用和频技术，长春新产业在黄光波段还能实现543 nm、555 nm、561 nm、580 nm、594 nm等波长激光的输出。