3分钟了解激光倍频技术

刘润攀^1,2，颜博霞¹，李岩²，周密¹，亓岩¹，余洋¹，王延伟¹，范元媛¹，王倩¹ 

1中国科学院微电子研究所 光电技术研发中心 

2长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室

在激光技术领域，产生特定波长的光源一直是核心追求之一。特别是在紫外波段（UV），高功率、高稳定性的激光光源广泛应用于材料加工、精密制造、生物医学成像和科学研究。例如，在晶圆检测中，要发现纳米级的微小缺陷，需要波长更短、功率更稳、光束质量更高的紫外光源。在冷原子实验中，为了精准操控原子，激光的线宽必须极窄，频率要极其稳定。

然而，常见的半导体/固体/光纤激光器并不能直接输出所有我们需要的波长——尤其是短波长的紫外、蓝紫光甚至绿光。而激光倍频技术，可以得到可见、紫外等更多种类的波长，成为获得短波长激光光源的主要方式。

倍频的三种“姿势”，哪种最强？

在倍频实验中，常见的是内腔倍频和外腔单通倍频：

• 内腔倍频：把倍频晶体放进激光器内部，多适用于需要高效率、高功率以及高稳定性激光输出的场景，但缺点是激光线宽较宽，频率稳定性一般。

• 外腔单通倍频：配置简单，但光束只与非线性材料发生一次有效作用，转换效率相对较低（通常20%左右），常用于高峰值功率的脉冲激光倍频。

• 外腔谐振倍频：结合了非线性光学与光学谐振腔技术，把倍频晶体放在一个额外的谐振腔里，让基频光在腔内来回振荡、不断“蓄力”，从而大大增强光强，实现高效率、高光束质量、窄线宽的倍频输出。

谐振腔的“三兄弟”：直腔、V腔、环形腔

腔型的设计对于实现高效倍频效率是至关重要的。常用的腔型有两镜直腔、Ｖ型腔、四镜环形腔等。在外腔谐振倍频技术中，三种典型腔体各有特色：

• 两镜直腔：像两面对着的镜子，结构简单，易于搭建和调试，但在模式控制和光束质量上有所局限，热效应问题非常显著，适合低功率场景；

• V型腔：两块镜子斜着放，紧凑高效，但其腔体设计对某些复杂调控需求可能不够灵活；

• 四镜环形腔：四块镜子拼成一个闭合环路，光单向循环运转，在光束质量和转换效率方面表现出色，热效应最小，适用于高功率光学倍频。

如何让激光和腔“同步共舞”？

你可能会问：腔体里的激光循环，频率不会乱吗？

会的。温度变化、振动、气流……任何微小扰动都会让腔长变化，导致共振条件被破坏，基频光突然就“进不去”了，倍频光瞬间熄灭。所以必须有一个实时调节系统——“锁腔”（稳频）技术。

何为“锁腔”？为了确保外腔谐振倍频腔能够在一个稳定的共振状态下运行，通常需要利用一个动态的负反馈控制机制来调节腔体的长度，实时地将谐振腔的共振频率与基频光的中心频率进行精确匹配，确保两者同步，此过程称为稳频或者“锁腔”。

锁频方法主要有两种：

Pound-Drever-Hall（PDH）稳频：是一种广泛应用的激光频率稳定技术，系统组成如图1（a）所示，通过对激光进行微小相位调制，产生误差信号并反馈控制腔长。优点是频率稳定性极高，几乎不受光强波动影响；缺点是需要复杂的锁相环电路。

Hansch-Couillaud（H-C）稳频：是由是由T.W.Hansch和B.Couillaud提出的一种技术，如图1（ｂ）所示，与 PDH技术不同的是，该方法不需要调制激光器，光路更简单，但抗干扰能力稍弱。

图1 稳频系统组成示意图

外腔谐振倍频最新进展：效率突破84%，线宽低至kHz

外腔谐振倍频技术是目前单频连续激光器的研究热点。按照基频光源的不同，外腔谐振倍频技术分为半导体激光器倍频、光纤激光器倍频和固体激光器倍频三大类。近年来，外腔谐振倍频技术在这三大类激光器上都取得了令人瞩目的成果。

• 半导体激光器外腔谐振倍频

半导体激光器凭借其体积小、电光效率高、寿命长等独特优势，成为了众多领域中不可或缺的光源。然而，受限于其固有的光谱宽度宽的特性，半导体激光器的单色性和波段成为制约其性能提升和应用的关键因素。

因此，通过引入外腔谐振技术如倍频、和频等改变输出波长极大地拓宽了半导体激光器的应用，目前采用该技术已经实现高功率382 nm、397 nm以及 426 nm等紫外光波段输出，转换效率最高达83.1%，在半导体制造、微加工，精密测量等领域有广阔的应用前景。2023年，中科院时间频率基准重点实验室利用922 nm外腔二极管激光器，结合PDH技术，获得了382 mW的461 nm蓝光，转换效率高达66.2%。

• 光纤激光器外腔谐振倍频

光纤激光器以其高功率输出、优秀光束质量和热管理能力在材料加工、传感检测等领域展现出显著优势。外腔谐振技术与光纤激光器结合，通过倍频、和频、四倍频等进一步拓展了光纤激光器的波长范围，为实现高功率509 nm、422 nm、266 nm以及193 nm等蓝紫光波段单频连续激光提供了更好的技术解决方案，在光子计算、原子钟、晶圆检测等领域有广阔的应用前景。

山西大学李刚等人在2017年实现了509 nm绿光输出，1.58 W基频光产生1.13 W倍频光，效率达到71.5%，1小时内功率波动小于0.5%。同年，中国科学院上海光学精密机械研究所使用线宽为23 kHZ、自制1014.8 nm的ECDL通过光纤放大器作为基频光，产生了253.7 nm紫外光，倍频和四倍频转换效率分别是62.5％和24.8％（图2所示）。

图2 基于ECDL四倍频产生253.7 nm的系统光路图

美国康涅狄格大学在2021年通过四倍频获得2.75 W的261.5 nm深紫外激光，转换效率约30%。2022年，山西大学姜振宇等人用1560 nm光纤激光器结合PDH技术，获得1.4 W的780 nm红光，倍频效率高达84.1%，线宽仅270 kHz（图3所示）。

图3 基于光纤激光器二倍频产生780 nm的系统光路图

中国科学院微电子研究所利用PHD稳频技术，将1064 nm单频窄线宽光纤激光器倍频为单频连续波532 nm绿光稳定输出，最高可以获得10.6 W的倍频光输出，倍频转换效率为53％，如图4所示。

图4 532 nm激光输出功率及倍频转换效率

• 固体激光器的外腔谐振倍频

固体激光器相较于光纤和半导体激光器有独特的结构优势，特别是在腔内倍频实验中，非线性晶体和激光晶体处于同一谐振腔内，基频功率非常高可以获得高倍频效率，但由于这种方法获得的激光线宽不够窄，光束质量差，所以实现单频窄线宽激光器仍需采用外腔谐振倍频技术。

2014年，中国科学技术大学李岩等人使用钛蓝宝石激光器，采用PPKTP晶体作为非线性晶体，在外腔环形谐振腔中实现397.5 nm紫外光的高效倍频转换，结合PDH技术，在低泵浦功率下实现高达56％的转换效率，为精密光谱学、量子信息处理以及非线性光学等领域提供了强有力的工具。四年之后，中国科学技术大学崔荥阳等人使用自制的全固态 Nd:YVO₄激光器，通过H-C稳频技术，实现了671 nm红外光输出，转换效率达到惊人的93.8%，输出功率5.2 W（图5所示），为原子实验提供了理想光源。

图5 基于全固态Nd:YVO₄激光器获得红外光的系统光路图

2020年，中国科学院物理化学研究所团队利用单频外腔半导体激光器作为种子激光器，三级Nd:YVO₄功率放大器，结合PDH技术，将波长1342 nm基频光倍频为671 nm红光，转换效率71.3%，M²因子为1.1，输出功率在2h内的稳定性达1.53%。

小结

外腔谐振倍频技术已经实现了从“能用”到“好用”的跨越：倍频转换效率从早期的30%左右提升到80%以上，甚至突破90%；线宽窄至kHz级别；功率稳定性和光束质量也大幅改善。

随着长期可靠性等工程问题的解决，这项技术将在精密光谱学、量子计算、光学原子钟、激光雷达和半导体晶圆检测等领域大放异彩。未来，我们有望看到更紧凑、更高效、波长覆盖更广的实用化短波长激光器，为前沿科学和高端制造提供强有力的“光之利器”。