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体激光器仅需要1mm