激光的波长是一个基本特性，由增益介质及其内部结构决定。如今，最常见的激光源之一是激光二极管，其波长由其设计和用于其组成的材料决定。
激光二极管由电流驱动，直接将电能转换为光。并非所有波长都可以从具有给定应用所需参数(例如功率或能量)的激光器产生。当需要其它激光波长时，通常使用某种类型的波长转换。下面将介绍转换激光波长对特定应用有利的情况，并概述实现这种波长转换的过程。
一、可调谐激光器
我们将从可调谐激光器开始。调谐范围首先受到增益介质带宽的限制。调谐是通过控制激光腔中的损耗来实现的，以便在发生激光的特定波长下将其最小化。调谐机制可以像控制激光器的温度一样简单，也可以像使用微机电致动器改变腔体长度一样复杂。可调谐半导体激光管可以调谐到高达 40 nm。
二、固态激光器
另一方面，许多固态激光器的增益光谱很窄，因此不可调谐， Ti: Sapphire lase是一个例外，由于其宽增益带宽，可以在 650-1100 nm 的范围内调谐。
三、线性波长
当激光用于将增益介质(通常是晶体)泵浦到更高能量状态时，会发生线性波长转换。激发的电子通过发射较长波长的辐射衰减到较低的能量状态。通过将增益介质放置在腔内，可以形成激光。一个众所周知的例子是 Nd：YAG 激光器，通常使用 808 nm 的激光二极管泵浦，并在 1064 nm 处发射辐射。
四、非线性波长
接下来我们考虑非线性波长转换。在光子学领域，当物理量(例如偏振密度P)非线性响应激光E的电场时，系统被称为非线性的。当介电材料受到电场E时，其分子获得电偶极矩，并且介质被称为极化。极化密度P表示这些电偶极矩的密度，可以用以下公式来描述：
P = e0(c(1)E + c(2)E2 + c(3)E3 + …)
其中 e0是一个常数和 c(n)被称为 n th-介质的阶敏感性，表示介电材料响应外加电场E的极化程度。该方程表明，如果电场E激发介质，则极化成正比E2被创建，其大小与术语 c 有关(2).如果E以ω频率振荡，则P具有在2ω处振荡的分量。简单来说，响应频率ω的激励，我们得到频率为2ω的电偶极子振荡和辐射。所以实际上，介质将ω处的辐射转换为2ω处的辐射。
这称为二次谐波产生(SHG)。二次谐波产生的一个众所周知的例子是 532 nm 绿光激光器，它使用非线性晶体通过 SHG 将 1064 nm 转换为 532 nm。依赖于这一过程的商业激光源是Spectra Physics VGEN-G光纤激光器，如图1所示，其中包括一个SHG模块来产生脉冲绿色激光束。
光谱物理 VGEN-G 光纤激光器
典型的非线性光学过程依赖于强且偏振良好的激光束和能够支持它的非线性介质。非线性光学过程在所需的操作激光条件、非线性介质和磁化程度方面有所不同 c(n)在此过程中使用。
许多非线性过程导致波长范围较窄的辐射，但这并非没有例外;例如，超连续光源通常使用复杂的光纤结构将光脉冲转换为超宽带辐射，其中包含极宽的波长范围。
为了使非线性介质有效地产生相干辐射，需要满足某些条件，称为相位匹配条件。相位匹配意味着不同频率的相互作用波之间的适当相位关系将在非线性介质内部保持。只有满足这些条件，我们才能获得相干辐射，这是光在介质内传播过程中发生的非线性过程的总和。基本的相位匹配公式为：
k3 = k1 + k2
其中 k 是光的波矢量，下标表示相互作用的光束。对于SHG，下标1和2是原始激光，下标3是频率两倍的新生成的波。图2显示了SHG工艺的示意图，其中红外光被转换为绿色。请注意，非线性过程的转换效率是有限的，因此部分入射光通过非线性介质而不会改变。在这种情况下，值得关注的是脉冲激光器：在短脉冲下工作时，与具有恒定平均功率的连续波(CW)激光器相比，瞬时功率可能非常高。高瞬时功率提高了非线性过程的效率。
图 2 – 二次谐波生成图示
虽然满足相位匹配条件基本上意味着节约能量和动量，但事实证明，使用SHG有效地转换光的波长需要仔细设计非线性介质。为什么?如果我们假设共线传播(使方程 2 成为标量)并设置 k1=k2(因为这些波矢量来自相同的激光束)，我们得到等式 k3= 2k1.代入 k = 2pn/l 的定义，其中 n 是折射率，l 是光的波长，得到条件 n3=n1，since l3= l1/2.这意味着原始波和新产生的波在非线性晶体内部应具有相同的折射率。然而，材料在如此宽的光谱范围内具有固定折射率的情况很少见。
因此，为了实现相位匹配，非线性介质也必须是双折射的，即折射率也取决于晶体内部光束的偏振和传播方向。
因此，通过以特定角度仔细切割非线性晶体，有时通过控制其温度(因为折射率也与温度有关)，可以实现方程2，因为k矢量来自不同的色散曲线。
再次检查方程1，我们意识到其他非线性过程也是可能的：和频和差频产生，三次谐波产生等。和和差频率生成是生成两个输入频率的和和差的过程。他们也依赖于 c(2)非线性，实际上SHG是和频率生成的特例，两个输入波共享相同的频率。相比之下，三次谐波产生依赖于c(3)非线性，并允许产生频率是原始光束频率三倍的光。
为了从355nm激光器获得波长为1064nm的激光器，可以使用单晶产生三次谐波。然而，事实证明，由于大多数材料具有低 c(3)非线性与 C 的比较(2)，更有效的做法是使用第一个晶体通过SHG产生532 nm光，然后将二次谐波和剩余的1064 nm光束引导到第二个晶体，通过和频率发生获得355 nm激光。
重要的是要注意，用于这些过程的两个晶体并不相同，因为每个晶体混合了不同的波长，因此需要专门针对其支持的所需非线性过程进行定制。
五、非相干激光驱动光源
最后，我们考虑非相干激光驱动光源。一个众所周知的例子是由激光辐射激发的发光等离子体：激光可以激发氙气灯中的等离子体，在光谱的可见光部分产生宽带源。非相干光源的另一个例子是产生等离子体，其发射波长为 13 nm 的极紫外 (EUV) 辐射。等离子体是通过聚焦高功率 CO 产生的2激光，波长约为10μm，在真空中的锡滴上。在这里，只有一小部分千瓦激光器被转换为800倍短波长的辐射。由此产生的EUV光可实现微电子工业中使用的最先进的光刻工艺。
当面对需要集成激光器的应用时，会同时考虑波长和激光器的操作模式。例如，对于金属焊接，需要高功率连续激光器，以便将金属加热到其熔点并将金属部件连接在一起。短波长，例如355 nm或266 nm，对于此应用是优选的，因为金属中的光吸收随着波长的减小而显着增加。相比之下，激光雕刻需要使用脉冲激光，因为它依靠高瞬时功率来标记物体的表面，并且不需要产生的热量深入材料。与前面的示例类似，应根据样品的材料选择激光波长以获得最佳性能。
六、结语
对于特定应用，并不总是能够获得我们想要的最佳波长——其局限性既来自激光机构本身，也来自能够转换激光波长的非线性材料和工艺的可用性。
然而，非线性光学元件的结合使激光行业能够以不断提高的能力深入到更多的波长区域。在某些情况下，它允许否则无法实现的工业或科学过程。在其他情况下，它可以提高各种基于激光的系统的制造良率和性能。
