要生成或改變激光波長，可依賴增益介質、非線性光學元件、調諧元件及特殊激光器設計，以下是一些關鍵物質和元件及其作用機制：
一、增益介質：波長的“決定者”
增益介質是激光器的核心，其原子或分子的能級結構直接決定輸出激光的波長。通過選擇不同增益介質或利用其多能級特性，可實現波長選擇或擴展：
- 固體增益介質 - 增益晶體
- Nd:YAG晶體：釹離子（Nd3?）的能級躍遷產生1064nm紅外激光，通過非線性晶體（如KTP、BBO）可轉換為532nm綠光或355nm紫外光。
- 鈦寶石晶體（Ti:Sapphire）：具有寬增益帶寬（650-1100nm），通過調諧技術可實現波長連續可調（范圍在幾十個nm），是超快激光和生物成像領域的核心介質。
- 氣體增益介質
- 氦氖氣體：通過氦氖原子的能級躍遷產生632.8nm紅光，常用于全息攝影和精密測量。
- 二氧化碳氣體：利用CO?分子的振動-轉動能級躍遷輸出10.6μm遠紅外激光，廣泛應用于激光切割和醫療手術。
- 半導體增益介質
- 通過調整半導體材料的禁帶寬度（如GaN基材料輸出藍光，AlGaInP基材料輸出紅光），或利用外腔反饋實現波長調諧（如可調諧DBR激光器調諧范圍達40nm）。
二、非線性光學元件：波長的“轉換器” - 倍頻晶體
非線性光學元件通過介質的非線性極化響應，實現波長的轉換或擴展，主要包括以下類型：
- 二次諧波產生（SHG）
- 原理：利用非線性晶體（如BBO、KTP）將兩個相同頻率的光子合并為一個頻率加倍的光子，實現波長減半。
- 應用：將1064nm紅外激光轉換為532nm綠光，廣泛應用于激光顯示和生物成像。
- 和頻與差頻產生（SFG/DFG）
- 原理：兩束不同頻率激光在非線性晶體中相互作用，生成和頻或差頻光。
- 應用：通過1550nm和980nm激光和頻產生636nm紅光，或通過差頻產生太赫茲波。
- 光學參量振蕩（OPO）
- 原理：利用非線性晶體（如MgO:PPLN）將泵浦光能量轉移至信號光和閑頻光，通過調諧晶體溫度或角度實現波長擴展。
- 應用：中科院研發的固態DUV激光通過OPO生成193nm深紫外光，支持3nm半導體工藝節點。
三、調諧元件：波長的“精準控制器” - 局部頻率/波長可調
調諧元件通過改變激光腔參數或增益介質性質，實現波長選擇或調諧：
- 光柵與棱鏡
- 原理：利用色散效應篩選特定波長，通過旋轉光柵或調整棱鏡角度改變輸出波長。
- 應用：外腔可調諧半導體激光器通過光柵反饋實現波長調諧。
- 電光調諧元件
- 原理：利用電光效應（如鈮酸鋰晶體）改變材料折射率，實現波長快速調諧。
- 應用：電光調諧激光器在光通信和光譜分析中用于動態波長切換。
- 溫度調諧
- 原理：通過改變增益介質或非線性晶體溫度，調整其折射率和能級結構，實現波長微調。
- 應用：分布式反饋激光器（DFB）通過溫度控制實現波長穩定輸出。
四、特殊激光器設計：波長的“集成生成器”
通過集成多種增益介質或非線性元件，可實現多波長激光輸出：
- 多晶體組合激光器
- 原理：將不同增益介質（如Nd:YAG和Nd:YLF）共軸放置，通過腔內雙折射片或聲光調Q元件實現多波長同時輸出。
- 應用：獲得1064nm/1047nm雙波長激光，用于差分吸收激光雷達。
- 拉曼激光器
- 原理：利用受激拉曼散射效應，通過級聯效應產生多階拉曼光，擴展波長范圍。
- 應用：基于光纖的拉曼激光器可輸出覆蓋可見光到中紅外的寬譜激光。
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