绿色激光原理

绿色激光原理

1 引言

近来，便携式移动显示市场由于需求的急剧增长而吸引了大量的关注。但是，缺少高亮度的绿光光源成为限制移动显示市场成长的关键问题。尽管发光二极管(LED)已经被作为光源用于第一代移动显示设备中，但LED光源(特别是绿光LED)的效率和亮度无法满足高亮度微投影市场的需求。为了达到更高的亮度、长寿命和更丰富的色彩，基于激光技术的显示设备被认为更具有优势。在激光二极管市场，红色和蓝色的半导体二极管已经成熟并且在显示设备中得到广泛应用。尽管最近绿色半导体激光器技术已经取得了一定的进展，但是已报道的研究结果还远远不能满足激光显示的要求。绿色半导体激光器距离批量的商业化应用还有一段较长的距离。因此，低成本紧凑型绿光光源成为目前激光显示产业发展的技术瓶颈。为推动激光显示产业的发展，各国的研究人员正全力进行绿光激光器的研究。

除了从半导体激光器直接产生绿光外，当前最常用也最成熟的获得绿光的技术是使用非线性光学晶体将全固态激光器产生的1064 nm的红外光倍频为532 nm的绿光。倍频绿光激光器通常分为单通倍频和腔内倍频两种类型，单通倍频由于需要的非线性光学晶体长，体积大，并且温度控制要求严格，不适合应用于消费类工业产品中。当前开发激光显示用绿光激光器主要集中在腔内倍频的结构上。

在腔内倍频的绿光激光器中，通常包含用来产生1064 nm红外激光的激光晶体和用来产生绿光的非线性光学晶体。对于激光晶体来说，掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)由于其具有增益高，偏振输出，并且在808 nm抽运波长上具有很高的吸收系数等优点，被认为是最佳增益介质。对于非线性晶体来说，目前国内外商用的DPSS绿光激光器主要采用的是KTP或LBO这两种非线性晶体。其中KTP晶体由于非线性系数较大、价格低廉而在市场上有广泛的应用。但使用KTP晶体的DPSS绿光技术存在两种缺陷：一是灰迹效应导致高功率下使用寿命的不稳定性从而只能应用在低功率绿光激光器上，抗灰迹的KTP尽管已有商品化的产品，但价格高昂；二是其绿光输出的偏振态会随着温度的变化而变化，对于含有某些偏振敏感器件的显示系统，例如基于硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)的投影仪，这种变化会引起严重的功率变化问题。LBO晶体的抗损伤阈值高，可以用于产生高功率的绿光，但是由于LBO晶体非线性系数小，因此即使在激光显示所需要的中小功率的绿光激光器中，所采用的晶体长度往往也要大于10 mm，这使得基于LBO技术的激光器体积太大而不能够应用于激光显示行业。另外，基于LBO和KTP晶体的绿光激光器的

价格比激光显示行业所能够接受的价格高出几十倍。因此激光显示产业迫切需求紧凑、低成本、高效率、高输出功率的绿光激光器。

近年来，由于周期性极化技术的不断发展，基于准相位匹配(QPM)的各种周期性极化晶体被广泛用于倍频或其他波长变换领域。其中掺氧化镁周期性极化反转铌酸锂(MgO:PPLN)由于具有抗损伤阈值高、非线性系数大、成本低并且适合大规模工业化生产等优点而被认为是激光显示产业需要的、紧凑高效的绿光激光器的最佳选择。

2 准相位匹配和掺氧化镁周期性极化反转铌酸锂

和许多相位敏感的非线性频率变换过程相同，高效的倍频过程除了要求材料具有高二阶非线性极化率，还必须使相互作用的光波相位之间保持一个固定的相位关系(相位匹配)，以保证入射光波的能量单向变换到倍频波。目前实际应用中采用的相位匹配技术通常有两种：双折射相位匹配(BPM)和准相位匹配(QPM)技术。BPM技术在1962年由Giordmaine和Maker等人提出。利用晶体的双折射效应能够实现相互作用的光波间的相速度匹配，从而提高变频效率。这种方法利用了某些非线性晶体的双折射效应和色散特性，通过特定选择晶体的方向和光波的偏振方向来实现相位匹配，因此也被称为角度匹配。尽管BPM技术能够达到完美的相位匹配，但是此方法受到波矢方向和偏振方向的限制，晶体必须按照某个特殊的方向切割，或者工作在某个特定的温度下才能实现特定波长的转换，这使得实际应用会受到较大的限制。此外，BPM中走离角的存在

也进一步限制了其实现高效的频率变换。而1962年由Bloembergen和Armstrong提出的QPM技术则不存在这些缺点。所谓QPM技术就是通过对非线性晶体的极化率进行空间上的周期性调制，来补偿由于色散效应造成的相互作用的光波之间的相位失配，以获得非线性光学效应的持续增强。与双折射相位匹配技术相比，准相位匹配没有偏振方向和波矢方向的严格限制，只需要选择合适的极化周期就可以实现相位匹配，因此具有如下几个优点：

1) 可以利用晶体最大的非线性系数

尽管QPM不是完美的相位匹配，但是由于其没有对非线性系数的特定限制，因此能够利用BPM过程所达不到的高非线性系数。例如对铌酸锂(LiNbO3)晶体来说，如果要采用角度匹配，只能使用非线性系数d31，而采用准相位匹配，则可以使用最大的非线性系数d33，而d33是d31的将近7倍。因此在LiNbO3晶体中采用QPM来进行波长变换的效果要明显好得多。

2) 无走离效应

QPM由于不受晶体双折射效应的影响，只要相互作用的光波沿同一晶轴方向传播，就可以不存在走离角的问题。不存在走离效应就可以保证基波和谐波能够在较长的非线性晶体中一直相互作用，由此获得较大的转换效率。

3) 可以在晶体的全部通光范围内实现波长变换

BPM技术只能在特定的晶体上实现固定波长的相位匹配，而QPM是通过周期性极化结构来引导能量的转换，而周期性结构可以人为的根据折射率色散和所对应的波长转换过程加以设计，无特殊的温度和角度要求，所以它可以将匹配的范围覆盖到晶体的整个透明波段。

由于QPM技术拓宽了非线性晶体的应用范围，并且大大提高了非线性转换效率，使之成为固体激光器和光通信等领域的研究热点。

尽管QPM技术在很早就提出，但是由于加工工艺的限制，在很长一段时间内，人们都无法制作出实际可用的QPM晶体。直到20世纪90年代，随着周期性极化工艺的不断完善，尤其是外加电场极化法的出现，QPM晶体不再是停留在理论阶段的东西，人们已成功地在多种晶体上实现了周期性极化。铁电材料是目前实现准相位匹配最理想的材料，而其中又以铌酸锂最引人注目。铌酸锂晶体被称为“非线性光学中的硅材料”，这是由于它具有较大的非线性系数，透明光谱范围宽，物理化学性质稳定，工艺成熟，价格便宜等优点。掺氧化镁铌酸锂(MgO:LN)在具有上述优点的同时还提高了抗光损伤阈值，降低了矫顽电场，成为了更适合于制作周期性极化倍频器件的晶体。基于MgO:PPLN晶体的腔内倍频绿光固