[光学原理与应用-431]：非线性光学 - 能生成或改变激光波长的物质或元件有哪些？
要生成或改变激光波长，可依赖增益介质、非线性光学元件、调谐元件及特殊激光器设计，以下是一些关键物质和元件及其作用机制：
一、增益介质：波长的“决定者”
增益介质是激光器的核心，其原子或分子的能级结构直接决定输出激光的波长。通过选择不同增益介质或利用其多能级特性，可实现波长选择或扩展：
- 固体增益介质 - 增益晶体
- Nd:YAG晶体：钕离子（Nd³⁺）的能级跃迁产生1064nm红外激光，通过非线性晶体（如KTP、BBO）可转换为532nm绿光或355nm紫外光。
- 钛宝石晶体（Ti:Sapphire）：具有宽增益带宽（650-1100nm），通过调谐技术可实现波长连续可调（范围在几十个nm），是超快激光和生物成像领域的核心介质。
- 气体增益介质
- 氦氖气体：通过氦氖原子的能级跃迁产生632.8nm红光，常用于全息摄影和精密测量。
- 二氧化碳气体：利用CO₂分子的振动-转动能级跃迁输出10.6μm远红外激光，广泛应用于激光切割和医疗手术。
- 半导体增益介质
- 通过调整半导体材料的禁带宽度（如GaN基材料输出蓝光，AlGaInP基材料输出红光），或利用外腔反馈实现波长调谐（如可调谐DBR激光器调谐范围达40nm）。
二、非线性光学元件：波长的“转换器” - 倍频晶体
非线性光学元件通过介质的非线性极化响应，实现波长的转换或扩展，主要包括以下类型：
- 二次谐波产生（SHG）
- 原理：利用非线性晶体（如BBO、KTP）将两个相同频率的光子合并为一个频率加倍的光子，实现波长减半。
- 应用：将1064nm红外激光转换为532nm绿光，广泛应用于激光显示和生物成像。
- 和频与差频产生（SFG/DFG）
- 原理：两束不同频率激光在非线性晶体中相互作用，生成和频或差频光。
- 应用：通过1550nm和980nm激光和频产生636nm红光，或通过差频产生太赫兹波。
- 光学参量振荡（OPO）
- 原理：利用非线性晶体（如MgO:PPLN）将泵浦光能量转移至信号光和闲频光，通过调谐晶体温度或角度实现波长扩展。
- 应用：中科院研发的固态DUV激光通过OPO生成193nm深紫外光，支持3nm半导体工艺节点。
三、调谐元件：波长的“精准控制器” - 局部频率/波长可调
调谐元件通过改变激光腔参数或增益介质性质，实现波长选择或调谐：
- 光栅与棱镜
- 原理：利用色散效应筛选特定波长，通过旋转光栅或调整棱镜角度改变输出波长。
- 应用：外腔可调谐半导体激光器通过光栅反馈实现波长调谐。
- 电光调谐元件
- 原理：利用电光效应（如铌酸锂晶体）改变材料折射率，实现波长快速调谐。
- 应用：电光调谐激光器在光通信和光谱分析中用于动态波长切换。
- 温度调谐
- 原理：通过改变增益介质或非线性晶体温度，调整其折射率和能级结构，实现波长微调。
- 应用：分布式反馈激光器（DFB）通过温度控制实现波长稳定输出。
四、特殊激光器设计：波长的“集成生成器”
通过集成多种增益介质或非线性元件，可实现多波长激光输出：
- 多晶体组合激光器
- 原理：将不同增益介质（如Nd:YAG和Nd:YLF）共轴放置，通过腔内双折射片或声光调Q元件实现多波长同时输出。
- 应用：获得1064nm/1047nm双波长激光，用于差分吸收激光雷达。
- 拉曼激光器
- 原理：利用受激拉曼散射效应，通过级联效应产生多阶拉曼光，扩展波长范围。
- 应用：基于光纤的拉曼激光器可输出覆盖可见光到中红外的宽谱激光。