光参量振荡器

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光参量振荡器

缩写:OPO

定义:利用光学谐振腔中的参量放大过程的相干光源。

光参量振荡器(Optical parametric oscillator, OPO)[1,2]是类似于激光器的光源,也需要采用激光器谐振腔,但是并不是利用受激辐射,而是利用非线性晶体材料参量放大过程产生的光增益。与激光器类似,它也具有泵浦功率阈值,低于该值时,输出功率很小(只有一部分参量荧光)。

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图1:光参量振荡器示意图。

OPO一个很大的优势在于其信号光和闲散光可以在很大范围内变化,二者之间的关系由相位匹配条件决定。因此可以得到普通激光器很难或者不能产生的波长(例如,中红外,远红外或者太赫兹光谱区域),并且也可以实现很大范围的波长调谐(通常通过改变相位匹配条件)。因此OPO特别适用于激光光谱学

参量振荡器一个限制条件是它需要具有很高光强和空间相干性的泵浦源。因此,通常需要采用一个激光器来泵浦OPO,由于不能直接采用激光二极管,该系统变得相对较复杂,包好一个激光二极管,一个二极管泵浦的固态激光器和实际的OPO.

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图2:具有一个环形谐振腔的光参量振荡器的十几亿。泵浦光束通过二色性反射镜注入。信号光束是共振的,闲散光通常由谐振腔反射镜反射出去。


目录

与激光器比较

尽管参量振荡器在很多方面都和激光器类似,但是它们还是有一些非常重要的差别:

  1. 很多激光器可以采用空间不相干的泵浦光源,而参量振荡器则需要相对高空间相干性的泵浦源。大多数情况下,采用的是二极管泵浦的固态激光器
  2. 大多数激光器的辐射波长只能在很小的范围内调谐,但是大多数参量振荡器的波长调谐范围可以很大。可能覆盖电磁波谱中的可见光,近红外或者中红外区域。尤其是在中红外区域,通常采用OPO,因为这一区域的激光器很少。
  3. 参量放大过程需要高效率的相位匹配。相位匹配条件通常决定了振荡波长。大多数情况下,通过改变相位匹配条件实现波长调谐,例如,通过改变晶体温度,晶体的角取向,或者极化周期(在周期性极化材料中用于准相位匹配)。在相位匹配带宽内,采用腔内光滤波器也可以进行调谐。调谐范围受相位匹配条件,非线性材料的透明区域或者谐振腔反射镜高反射率的光谱区域限制。
  4. 参量放大过程只发生在泵浦光束的方向(相位匹配条件的结果),表明环形谐振腔中可以自动实现单一方向工作。(实际上通常采用环形谐振腔。)
  5. 非线性晶体材料中不会产热,除非在泵浦光、信号光或闲散光波长处存在吸收。由于OPO通常工作在透明区域波长范围内,因此不会产生很多热。只有当功率很高时,可能会造成为相位匹配条件的影响。热透镜效应通常很小。
  6. 产生的闲散光的功率等于吸收的泵浦光功率与产生的信号光功率的差值。(只有在很少见的简并参量振荡过程中,不会产生闲散光。)更准确的说,闲散光的光子能量是泵浦光光子和信号光光子能量的差值。闲散光在非线性转化过程中很重要,当OPO工作在闲散光在晶体中有很强吸收的区域时,泵浦功率阈值高很多,效率降低。
  7. 非线性晶体中不会存储能量。因此,只有当泵浦光存在时才存在增益,并且泵浦光的涨落直接影响信号光功率。因此其动力学过程与激光器动力学过程不同。
  8. 除了激光增益介质中的荧光过程外,参量荧光过程只发生在泵浦光束的方向。更准确的说,只能观察到经历参量增益的模式中。


单共振和双共振OPO

大多数OPO都是单共振的,即谐振腔的共振波长为信号光波长或者闲散光波长,而不是对两者都共振。(对于非共振的波,谐振腔二色性反射镜或者偏振光学器件会对其产生很高的谐振腔损耗,因此具有非常小的光学反馈。)但是,也有双共振的OPO,其中信号光和闲散光都是共振的。后者只有当采用单频泵浦激光器时才有作用。

双共振OPO的优势在于其泵浦功率阈值低很多。尤其在连续光工作时非常重要。但是,调谐特性比较复杂:如果改变晶体温度或者泵浦波长,那么信号光和闲散光波长变化剧烈,因此调谐是非单调的。这时因为工作波长主要由信号光和闲散光同时共振要求来决定,而不是由相位匹配条件。

另一个可能性是共振增强泵浦光波,有时应用在泵浦激光器为单频激光器的情形。在三重共振的OPO中,泵浦光、信号光和闲散光都是共振的。这一器件工作条件非常严格。一种简单的方法是制作腔内泵浦的OPO,其中非线性晶体放置在泵浦激光器谐振腔中,具有很高的腔内功率。


泵浦OPO

泵浦光参量振荡器有三种选择:

  1. 工作在连续波状态时,可以采用连续光激光器泵浦OPO(倍频的,例如[16])。单共振OPO的泵浦功率阈值相对较高,通常至少几瓦特,有时小于1W。有些双共振OPO可以采用只有几十毫瓦的连续泵浦光进行泵浦。
  2. 大多数OPO是由调Q激光器发出的纳秒脉冲泵浦。这种工作模式下,即使是单共振OPO,也很容易克服阈值问题。输出脉冲通常比泵浦脉冲更短,因为参量振荡中存在一定的延时。输出线宽通常相对较大,脉冲间涨落比较明显,因为脉冲OPO通常在一个脉冲长度内不能达到稳态,因此相对较易受到噪声影响[21]。
  3. 为了产生超短脉冲,可以采用锁模激光器泵浦OPO。在同步泵浦过程中,OPO谐振腔的长度通常需要调整以保证谐振腔频率与泵浦光的脉冲重复频率相等。(在很少数的情况下,谐振腔频率是泵浦重复频率的整数倍或者整数分之一。)在环绕谐振腔多圈后,脉冲达到一个稳态,噪声相对较弱。脉冲长度通常与泵浦脉冲长度可比拟,但是在特定条件下(群速度失配情况下),脉冲长度比泵浦脉冲短[22]。由于普通的锁模激光器占空比较低,所需的平均泵浦功率小于1W。

大多数情况下,OPO的泵浦光来自于近红外激光器或者倍频器,产生绿光。另一些不太常用的情况下,OPO是由紫外光或者中红外光泵浦。


OPO的类型

下面给出了多种类型的OPO:

  1. 连续光OPO通常利用非线性晶体材料的高非线性,例如周期性极化的LiNbO3 [16]或KTP,由1μm掺镱激光器或者倍频固态激光器泵浦。OPO输出光的单频工作时可能的,即使泵浦源不是单频的单共振OPO中也可以实现。
  2. 其它的连续光OPO,尤其是具有非常高输出功率的OPO,都是腔内泵浦的。非线性晶体通常放置在掺钕高功率激光器激光器谐振腔中。
  3. 大多数OPO都是单共振的,并且由有源的调Q Nd:YAG激光器泵浦。它们产生微焦或者毫焦脉冲能量、波长在近红外或中红外区域的光。当工作在相对较长波长时,通常采用串联OPO,第一个OPO将波长从1μm转化到2μm区域,其输出用来泵浦中红外OPO。
  4. 通常同步泵浦的OPO的泵浦光源为皮秒或者飞秒锁模激光器,例如1 μm掺钕激光器或者钛蓝宝石激光器。其平均泵浦功率在几百毫瓦和几瓦特之间,脉冲重复速率在100 MHz和1GHz之间,功率转化效率为30-50%。
  5. 强的超短脉冲实现很高的参量增益过程可以制作光纤反馈的OPO,其中OPO谐振腔包含一根单模光纤[25,29]。这些器件具有一些实际的用途,例如,对谐振腔长度变化不敏感。
  6. 已经实现了脉冲重复频率高于80 GHz的同步泵浦的OPO[27]。其中,存在的问题在于平均泵浦功率阈值与脉冲重复频率成正比,当需要高重复频率时,从无源锁模激光器中很难得到高的平均功率。因此,在极高重复频率情况下需要MOPA泵浦光源。
  7. 光纤OPO比较不常见,它利用了光纤中的三阶非线性效应,而不是二阶非线性。早期光纤OPO的泵浦功率与信号光和闲散光比较接近,通常主要用于通信中。采用具有特殊色散性质的光子晶体光纤,可以得到很大波长范围的输出[32,33]。


OPO应用

OPO的潜在用途非常广泛。例如:

  1. 光谱学和其它科研领域可以利用OPO很宽的光谱范围,并且输出光线宽很窄,功率高。
  2. 常见的军事用途是产生3-5-μm的宽带高功率光,用于飞机受到攻击时用于致盲热寻武器。
  3. OPO可以作为高功率RGB源用作数字投影显示仪。


商业化遇到的问题

经过多年的研究,虽然OPO具有很多明显的优势,但是它尚未广泛的进行商业应用。下面给出了一些原因:

  1. OPO包含泵浦激光器和OPO,以及温度稳定的晶体恒温箱,系统比激光器系统复杂。
  2. 由于需要满足相位匹配条件,非线性转化过程比激光增益介质要求更严格,后者对晶体温度的变化没那么敏感。另外,OPO需要温度稳定的恒温箱,由于复杂,开启时间,热量耗散等不能应用在很多应用中。
  3. 有些非线性晶体材料是吸湿的,而其它的则具有灰色径迹(即,损耗较高),有些很难采用抗反射涂层(由于非各向同性热膨胀)。
  4. 最后,在激光器工业中,非线性光学知识,尤其是参量放大的物理基础并未广泛被理解。


参考文献

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参阅:光参量放大器参量放大非线性晶体材料非线性频率转化可调谐激光器同步泵浦中红外激光光源