光學(xué)參量振蕩器——基于光諧振腔內(nèi)參量放大的相干光源

光學(xué)參量振蕩器（OPO）類似于光源激光器，還使用一種激光諧振器，但基于光學(xué)增益從參量放大中的非線性晶體，而不是從受激發(fā)射。像激光器一樣，這樣的設(shè)備表現(xiàn)出泵浦功率的閾值，低于該閾值的輸出功率可以忽略不計(jì)（只有一些參量熒光）。

光學(xué)參量振蕩器的示意圖

OPO 的一個(gè)主要吸引力在于，由相位匹配條件決定的信號(hào)和閑散波長(zhǎng)可以在很寬的范圍內(nèi)變化。因此，可以訪問任何激光器難以或不可能獲得的波長(zhǎng)（例如在中紅外、遠(yuǎn)紅外或太赫茲光譜區(qū)域），并且還具有寬波長(zhǎng)可調(diào)性（通常通過影響相位匹配條件）通?？赡堋＿@使得OPO非常有價(jià)值，例如，對(duì)于激光光譜。

一個(gè)限制是任何OPO都需要具有高光強(qiáng)和相對(duì)高空間相干性的泵浦源。因此，泵浦OPO基本上總是需要激光器，并且由于在大多數(shù)情況下無法直接使用激光二極管，因此系統(tǒng)變得相對(duì)復(fù)雜，例如由激光二極管、二極管泵浦 固態(tài)激光器、和實(shí)際的OPO。

帶有環(huán)形諧振器的典型光學(xué)參量振蕩器的設(shè)置。泵浦光束通過分色鏡注入。信號(hào)光束是諧振的，而惰輪通常至少被諧振器反射鏡射出

與激光的比較

盡管參量振蕩器在許多方面與激光器相似，但也有一些重要的區(qū)別：

• 盡管許多激光器可以使用空間非相干泵浦源操作，但參量振蕩器要求其泵浦具有相對(duì)較高的空間相干性。在大多數(shù)情況下，使用二極管泵浦 固態(tài)激光器。

• 盡管大多數(shù)激光器的發(fā)射波長(zhǎng)只能在很窄的范圍內(nèi)調(diào)諧，但許多參量振蕩器提供了具有極寬調(diào)諧范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧潛力。這些可能跨越電磁波譜的可見、近或中紅外部分的區(qū)域。特別是在中紅外區(qū)域，OPO 非常常用，因?yàn)橹屑t外激光器幾乎沒有競(jìng)爭(zhēng)。

• 參數(shù)放大過程需要有效的相位匹配。相位匹配細(xì)節(jié)也決定了振蕩波長(zhǎng)。波長(zhǎng)調(diào)諧是通過改變晶體溫度，晶體的角度取向（用于影響相位匹配條件，例如實(shí)現(xiàn)多數(shù)情況下臨界相位匹配），或極化反轉(zhuǎn)周期（對(duì)于準(zhǔn)相位匹配在周期性極化晶體） . 在相位匹配帶寬內(nèi)，也可以使用腔內(nèi)光學(xué)濾波器進(jìn)行調(diào)諧。調(diào)諧范圍可能受相位匹配限制（見下文）或非線性材料的透明區(qū)域的限制 或通過諧振腔反射鏡的高反射率光譜區(qū)域。

• 參量放大僅發(fā)生在泵浦光束的方向（相位匹配的另一個(gè)后果），這意味著，在一個(gè)單向操作環(huán)形諧振器是自動(dòng)獲得。（實(shí)際上，由于各種優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常使用環(huán)形諧振器。）

• 非線性晶體中不會(huì)沉積熱量，除非在泵浦波長(zhǎng)、信號(hào)波長(zhǎng)或閑散波長(zhǎng)處存在一些寄生吸收。由于OPO主要在所有波長(zhǎng)都處于透明區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，因此通常不會(huì)產(chǎn)生太多熱量。只有在相當(dāng)高的功率水平下才會(huì)出現(xiàn)相位匹配條件的干擾。 熱透鏡效應(yīng)通常不顯著。

• 產(chǎn)生閑散波，它帶走產(chǎn)生的信號(hào)功率和吸收的泵浦功率之間的差異。（只有在很少使用的情況下，簡(jiǎn)并參量振蕩，有沒有閑散波。）更精確地，光子閑散波的能量是在所述泵和信號(hào)的光子能量的差。閑散波在非線性轉(zhuǎn)換過程中起著至關(guān)重要的作用；當(dāng)OPO工作在晶體中具有強(qiáng)閑散吸收的光譜區(qū)域時(shí)，閾值泵浦功率會(huì)高得多，效率會(huì)降低。

• 非線性晶體中不存儲(chǔ)能量。因此，增益僅在泵浦波存在時(shí)才存在，而泵浦波動(dòng)直接影響信號(hào)功率。因此，動(dòng)力學(xué)不同于激光動(dòng)力學(xué)。

• 比其他熒光一個(gè)的激光增益介質(zhì)，參數(shù)熒光只發(fā)生在泵浦光束的方向。更準(zhǔn)確地說，它是在那些經(jīng)歷參數(shù)增益的模式中觀察到的。

單諧振與雙諧振OPO

大多數(shù)OPO是單諧振的，即它們有一個(gè)諧振器，該諧振器在信號(hào)或閑頻波長(zhǎng)處諧振，但不能同時(shí)用于兩者。（對(duì)于非諧振波，二向色諧振腔鏡或一些偏振光學(xué)器件會(huì)導(dǎo)致諧振腔損耗高，因此光反饋很少。）但是，也有雙諧振OPO，其中信號(hào)和閑散光都諧振。后者僅適用于單頻泵浦激光器。

雙諧振OPO的優(yōu)點(diǎn)是閾值泵浦功率可以低得多。這對(duì)于連續(xù)波操作尤其有趣。然而，調(diào)諧行為是復(fù)雜的：當(dāng)晶體溫度或泵浦波長(zhǎng)改變時(shí)，信號(hào)和閑散波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生跳躍，并且調(diào)諧通常是非單調(diào)的。這是因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL(zhǎng)主要取決于信號(hào)和閑散光（模式簇）同時(shí)諧振的要求，而不僅僅是相位匹配條件。

另一種可能性是泵浦波的共振增強(qiáng)，當(dāng)泵浦激光器是單頻設(shè)備時(shí)，有時(shí)會(huì)應(yīng)用這種方法。在三重諧振OPO中，泵浦波、信號(hào)波和閑散波同時(shí)諧振。然而，這樣的設(shè)備操作起來很微妙。一個(gè)更簡(jiǎn)單的選擇是制作腔內(nèi)泵浦OPO，其中非線性晶體放置在泵浦激光器的諧振腔內(nèi)，利用高腔內(nèi)功率。

泵浦光學(xué)參量振蕩器OPO

泵浦光學(xué)參量振蕩器基本上有三種不同的選擇：

• 對(duì)于連續(xù)波操作，可以用（可能是倍頻）連續(xù)波激光器泵浦OPO。單諧振 OPO的閾值泵浦功率相對(duì)較高——通常至少為幾瓦，有時(shí)低于 1 W。一些雙諧振OPO只需幾十毫瓦就可以連續(xù)泵浦。

• 大多數(shù)OPO是用來自Q 開關(guān)激光器的納秒脈沖泵浦的。在這種模式下，即使是單諧振OPO也很容易克服閾值。輸出脈沖通常比泵浦脈沖略短，因?yàn)閰?shù)振蕩開始時(shí)有一些延遲。輸出線寬通常相對(duì)較大，并且脈沖到脈沖的波動(dòng)很大，因?yàn)槊}沖OPO在脈沖期間通常沒有足夠的時(shí)間穩(wěn)定到穩(wěn)態(tài)，因此受噪聲的影響相對(duì)較大。

• 為了產(chǎn)生超短脈沖，可以用鎖模激光器同步泵浦OPO。對(duì)于同步泵浦，通常調(diào)整OPO諧振器的長(zhǎng)度，使諧振器往返頻率與泵的脈沖重復(fù)率相匹配。（在極少數(shù)情況下，諧振器頻率是泵浦重復(fù)頻率的倍數(shù)或幾分之一。）在多次諧振器往返過程中，產(chǎn)生的脈沖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，噪聲可能相對(duì)較弱。的脈沖持續(xù)時(shí)間通常是可比的泵脈沖持續(xù)時(shí)間，但在某些條件下可以（顯著群速度失配) 明顯短于 [22]。由于典型鎖模激光器的低占空比，所需的平均泵浦功率可遠(yuǎn)低于 1 W。

在大多數(shù)情況下，OPO 的泵浦光要么直接來自一些近紅外激光器，要么來自倍頻器，產(chǎn)生例如綠光。在不太常見的情況下，OPO 是用紫外光或中紅外光泵浦的。

OPO 的類型

以下列表顯示有各種各樣的OPO：

• 連續(xù)波OPO通?；诟叨确蔷€性的晶體材料，例如周期性極化的LiNbO 3 或 KTP，例如使用 1-μm摻鐿激光器或倍頻固態(tài)激光器泵浦。 在單諧振OPO的情況下，即使泵浦源不是單頻，也可以進(jìn)行關(guān)于OPO輸出的單頻操作。

• 其他連續(xù)波OPO，尤其是那些用于非常高輸出功率的OPO，是腔內(nèi)泵浦的。然后將非線性晶體放置在通常基于釹的高功率激光器的激光諧振腔內(nèi)。

• 最典型的OPO是單諧振的，并由主動(dòng)調(diào)Q Nd:YAG 激光器泵浦。它們?cè)诮t外或中紅外區(qū)域發(fā)射具有微焦耳或毫焦耳脈沖能量的納秒脈沖。為了在相對(duì)較長(zhǎng)的波長(zhǎng)下工作，有時(shí)會(huì)使用串聯(lián)OPO，其中第一個(gè)OPO將波長(zhǎng)從 1-μm 轉(zhuǎn)換為 2-μm 區(qū)域，其輸出用于泵浦中紅外OPO（例如基于 ZGP ）。

• 典型的同步泵浦OPO使用皮秒或飛秒鎖模激光器作為泵浦源，例如 1 μm摻釹激光器或鈦藍(lán)寶石激光器。它們的平均泵浦功率在幾百毫瓦到幾瓦之間，脈沖重復(fù)頻率在 100 MHz 到 1 GHz 之間，功率轉(zhuǎn)換效率在 30% 到 50% 之間。

• 強(qiáng)超短脈沖可實(shí)現(xiàn)的高參數(shù)增益允許構(gòu)建光纖反饋OPO，其中OPO諧振器包含單模光纖。此類設(shè)備具有一些實(shí)際優(yōu)勢(shì)，例如對(duì)諧振器長(zhǎng)度變化非常不敏感。

• 已經(jīng)證明了具有高于 80 GHz 的極高脈沖重復(fù)率的同步泵浦OPO。在這里，挑戰(zhàn)在于平均泵浦閾值功率與脈沖重復(fù)率呈線性關(guān)系，而當(dāng)還需要高重復(fù)率時(shí)，從被動(dòng)鎖模激光器中最難獲得高平均功率。因此，對(duì)于極高的重復(fù)率，需要一個(gè)MOPA泵浦源。

• 不太常見的是纖維OPO的基礎(chǔ)上，χ^（3）的光的非線性光纖而不是χ^（2）晶體。早期的光纖OPO通常具有接近信號(hào)和閑散波長(zhǎng)的泵浦波長(zhǎng)，主要用于電信應(yīng)用。使用具有特殊色散特性的光子晶體光纖，可以在非常寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得輸出。

OPO的應(yīng)用

OPO 的潛在應(yīng)用領(lǐng)域非常多樣化。一些例子是：

• 激光光譜和許多其他科學(xué)應(yīng)用可以從OPO覆蓋非常寬的光譜區(qū)域的能力中受益，并提供窄線寬和高功率的輸出。

• 一個(gè)常見的軍事應(yīng)用是在 3-5 微米區(qū)域產(chǎn)生寬帶高功率光，用于在熱尋導(dǎo)彈攻擊飛機(jī)時(shí)致盲。

• OPO 可以是高功率RGB 源的一部分，例如用于數(shù)字投影顯示。

商業(yè)實(shí)現(xiàn)的問題

盡管它們具有驚人的能力，正如多年來有趣的研究所證明的那樣，但迄今為止，光學(xué)參量振蕩器尚未在商業(yè)產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。下面簡(jiǎn)要討論其中的一些原因：

• 參數(shù)振蕩器系統(tǒng)至少包含一些泵浦激光器和一個(gè)OPO，可能還有一個(gè)溫度穩(wěn)定的晶體爐，比純激光系統(tǒng)更復(fù)雜。

• 相位匹配的要求使得非線性轉(zhuǎn)換級(jí)的操作比例如激光增益介質(zhì)更精細(xì)，激光增益介質(zhì)通常更寬容，例如在晶體溫度方面。由于復(fù)雜性、開啟時(shí)間、散熱等原因，需要用于晶體的溫度穩(wěn)定爐的OPO對(duì)于許多應(yīng)用來說肯定不太有吸引力。

• 一些非線性晶體材料是吸濕的，其他的會(huì)受到灰度跟蹤（即增加寄生損耗），而有些則難以通過堅(jiān)固的抗反射涂層獲得（例如由于非各向同性的熱膨脹）。

• 最后，對(duì)非線性光學(xué)，尤其是參量放大物理學(xué)的詳細(xì)了解在激光行業(yè)中并不普遍。

Chromacity OPO光學(xué)參量振蕩器-寬帶近紅外光源

Chromacity Lasers公司是一家從事超快激光器的企業(yè)，位于英國愛丁堡。由英國在光子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的Heriot-Watt大學(xué)分拆而出，其科研團(tuán)隊(duì)有著超過40年的超快和光纖激光器經(jīng)驗(yàn)，已開發(fā)出從UV（400nm）到MIR（>6um）的波長(zhǎng)可調(diào)諧飛秒激光器，廣泛應(yīng)用于熒光顯微、氣體光譜學(xué)、激光材料加工和半導(dǎo)體工程等科研和工業(yè)領(lǐng)域。

Chromacity OPO光學(xué)參量振蕩器

Chromacity OPO光學(xué)參量振蕩器采用了新一代的非線性晶體，可以在5μm–12μm區(qū)域（2000  cm-1–1000 cm-1）產(chǎn)生光。這兩個(gè)系統(tǒng)都由FSC系列1040  HP進(jìn)行光學(xué)泵浦，F(xiàn)SC系列1040 HP完全集成到光學(xué)頭中，以最大限度地提高穩(wěn)定性并減少總體占地面積。近紅外OPO產(chǎn)生的皮秒脈沖持續(xù)時(shí)間很少，不需要長(zhǎng)時(shí)間的建立。我們的激光源不需要水冷，并配有簡(jiǎn)單的用戶界面，使其成為最容易操作的激光源之一。對(duì)于光譜學(xué)應(yīng)用和CARS顯微鏡，往往需要調(diào)整到幾個(gè)特定的波長(zhǎng)。在這些較長(zhǎng)的紅外波長(zhǎng)上產(chǎn)生光的能力是探測(cè)各種固體、液體和氣體的關(guān)鍵。能夠在3–4μm波長(zhǎng)區(qū)域產(chǎn)生瞬時(shí)寬帶光有助于使用FTIR光譜等技術(shù)識(shí)別和量化大量碳?xì)浠衔?。?–12μm指紋區(qū)域也同樣如此，在該區(qū)域可以很容易地識(shí)別出更復(fù)雜的化學(xué)特征?？烧{(diào)諧性和高平均功率使光譜和傳感應(yīng)用范圍廣泛。

應(yīng)用

• 振動(dòng)光譜學(xué)

• FTIR/隔離技術(shù)

• 多組分氣體分析

• 電信/量子研究

• 材料特性

• 爆炸物探測(cè)

• 拉曼光譜

特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

• 緊湊型激光器外殼，帶有集成泵源

• 寬帶相干光束

• 直觀的web瀏覽器界面

Chromacity的產(chǎn)品已經(jīng)在世界各地幫助擴(kuò)展研究和工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用能力。該公司已經(jīng)推出了一些市場(chǎng)上最具創(chuàng)新性的激光光源，有助于推動(dòng)區(qū)域應(yīng)用如基礎(chǔ)研究，量子技術(shù)和環(huán)境傳感。在中國，武漢新特光電提供Chromacity產(chǎn)品的售前售中和售后全流程服務(wù)。憑借豐富的OPO，非線性光學(xué)和光纖傳輸專業(yè)知識(shí)，Chromacity能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的選擇，以幫助其在中國的客戶與不同行業(yè)合作伙伴的需求。