光參量振蕩原理綜述

李曉敏

山東省濟(jì)南市協(xié)和學(xué)院基礎(chǔ)部

光參量振蕩原理綜述

李曉敏

山東省濟(jì)南市協(xié)和學(xué)院基礎(chǔ)部

光參量振蕩是一種有效的非線性頻率變換方式，1μm的激光來泵浦光參量振蕩器可以獲得1.5μm附近的信號(hào)光的輸出，甚至能得到3.3μm附近的空閑波的輸出。本文綜合闡述了光參量振蕩的基本原理，并給出了單諧振光參量振蕩和雙諧振光參量震蕩的結(jié)構(gòu)圖。

光參量振蕩；單諧振；雙諧振

一、引言

釹離子摻雜的1微米波段的全固態(tài)激光器被廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)、測(cè)距等領(lǐng)域，然而在可見以及近紅外波段（0.4–1.4μm）的激光存在嚴(yán)重的人眼安全風(fēng)險(xiǎn)。因此如何將激光波段拓展到人眼安全的波段（大于1.5μm），給人們拓展了新的研究領(lǐng)域。光參量振蕩器（optical parametric oscliiator,簡(jiǎn)稱OPO）是一種有效的非線性頻率變換方式，1μm的激光來泵浦光參量振蕩器可以獲得1.5 vm附近的信號(hào)光的輸出，甚至能得到3.3μm附近的空閑波的輸出?？偟膩碚f光參量振蕩器包括腔外的光參量振蕩器和腔內(nèi)的光參量振蕩器兩大類，它們最大的區(qū)別在于非線性晶體的位置。一般來說這種腔外的光參量振蕩器由一個(gè)單獨(dú)的泵浦激光以及非線性晶體構(gòu)成。Bjorkholm[1-2]和Byer考慮并驗(yàn)證了這種腔外的OPO，但這種腔外的OPO的閾值較高難于實(shí)現(xiàn)。而腔內(nèi)的OPO不僅使得泵浦光的強(qiáng)度增強(qiáng)，而且提升了轉(zhuǎn)換效率[3-4]。腔內(nèi)的OPO具有閾值低、轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，由于在腔內(nèi)泵浦光往返多次經(jīng)過非線性晶體，所以其轉(zhuǎn)換效率會(huì)高。

除了諧波發(fā)生器，另一種有效的非線性光學(xué)器件是參量振蕩器[5-6]。1961年出現(xiàn)了二次諧波，后來又有了三波混頻，而光學(xué)參量振蕩在1965年得以實(shí)現(xiàn)。后來，人們通過倍頻晶體的雙折射效應(yīng)來補(bǔ)償色散進(jìn)而使得倍頻效率提升，即為相位匹配技術(shù)。用1.06μm的激光來泵浦光參量振蕩器可以獲得1.57μm人眼安全波長(zhǎng)的信號(hào)光的輸出。該波段對(duì)人眼的安全性最高，對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)硝煙有更好的效果，并且使得目標(biāo)和背景之間有著高的對(duì)比度，具有更強(qiáng)的測(cè)距能力。因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大氣探測(cè)、激光測(cè)距和激光雷達(dá)等領(lǐng)域中。

二、原理綜述

光學(xué)參量發(fā)生（OPG）的基本定義為：一束頻率為ω3的泵浦光入射到非線性的晶體上（比如KTA,KTP,LBO,BBO等），得到兩束頻率分別為ω1和ω2的新的光波，并且它們的頻率之間滿足ω3=ω1+ω2的關(guān)系。而光學(xué)參量放大（OPA）定義為：一束弱的頻率為ω1的信號(hào)光和另一束強(qiáng)的頻率為ω3的泵浦光同時(shí)射入到非線性晶體內(nèi)，頻率為ω1的信號(hào)光被放大，又產(chǎn)生了一束頻率為ω2的光，仍然滿足關(guān)系式ω3=ω1+ω2。將一束頻率為ω3的泵浦光入射到腔內(nèi)的非線性晶體內(nèi)，產(chǎn)生兩束頻率分別為ω1和ω2的光，同樣滿足ω3=ω1+ω2，這種過程為光學(xué)參量振蕩（OPO）。

將一束強(qiáng)的頻率為υp的泵浦光和一束弱的頻率為υs的信號(hào)光同時(shí)入射到非線性晶體上，產(chǎn)生一束頻率為υi的“空閑波”，此時(shí)加強(qiáng)了信號(hào)光。在此過程中，使得信號(hào)光和空閑波變強(qiáng)，而泵浦光卻被衰減，該振蕩過程就會(huì)得到持續(xù)，實(shí)現(xiàn)光參量振蕩。

由于每個(gè)能量為hυp的泵浦光子都產(chǎn)生一個(gè)能量為hυs的信號(hào)光子和一個(gè)能量為hυi空閑波的光子，由能量守恒定律可得三種光子的頻率之間滿足：

υp=υs+υi

為了實(shí)現(xiàn)參量放大，則要求三種頻率中的每一種頻率所實(shí)現(xiàn)的極化行波速度與電磁波自由傳播的速度相同。若非線性晶體材料的折射率使得k矢量滿足動(dòng)量匹配即kp=ks+ki，上述的結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生。對(duì)于那些共線傳播的波，有：

其中np，ns和ni分別表示非線性晶體材料對(duì)泵浦光、信號(hào)光和空閑波的折射率。因?yàn)檫@三個(gè)折射率與波長(zhǎng)、光的偏振以及光在晶體材料中的傳播方向有關(guān)，可以通過色散和雙折射得到滿足上面關(guān)系式的條件。

參量器件的基本特征是調(diào)諧功能。若泵浦光的波長(zhǎng)為λp，折射率在滿足相位匹配條件下微小的變化都會(huì)引起信號(hào)光和空閑波的波長(zhǎng)的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)新的相位匹配。這種調(diào)諧既可以通過改變各向異性晶體的雙折射的角度，又可通過改變溫度得以實(shí)現(xiàn)；利用折射率的電光變化，又可實(shí)現(xiàn)一定程度上的快速的調(diào)諧。

圖1-3給出了泵浦光、信號(hào)光以及空閑波的參量相互作用過程中的不同結(jié)構(gòu)。圖1描述的光參量放大器（Optical parameter amplifier,簡(jiǎn)稱為OPA），此時(shí)泵浦光和信號(hào)光為入射光。在這種結(jié)構(gòu)中，若泵浦的強(qiáng)度足夠高，或?qū)開關(guān)輸出的激光直接聚焦到晶體上，相位匹配的條件就能滿足，并且信號(hào)光得到加強(qiáng)，并且能夠得到空閑波。一般情況下，若光參量振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)光不夠強(qiáng)，需要將其進(jìn)行放大，這種光參量放大器就可以滿足要求。

圖1 光參量放大器Fig.1 Optical parametric amplifier.

單諧振振蕩器是一種最常見的光參量器件，如圖2所示。在該裝置中，晶體被放置在能夠給信號(hào)光或空閑波提供反饋的腔內(nèi)。輸入鏡透射泵浦光進(jìn)入到振蕩器內(nèi)，其對(duì)泵浦光有著很高的透射率，但對(duì)信號(hào)光的反射率很高。圖2中的輸出鏡對(duì)泵浦光和空閑波有高的透射率，其對(duì)信號(hào)光有80%～95%的反射率，并且信號(hào)光在腔內(nèi)是諧振的，但前鏡會(huì)將信號(hào)光耦合輸出一小部分。

圖2 單諧振光參量振蕩器Fig.2 Single resonant parametric oscillator.

雙諧振光參量振蕩器（Doubly resonant oscillator,DRO）的結(jié)構(gòu)示意圖是圖3。它同時(shí)對(duì)信號(hào)光和空閑波產(chǎn)生反饋。信號(hào)光和空閑波在這種雙諧振的條件下在腔內(nèi)同時(shí)發(fā)生諧振，使得閾值得到了降低。但是這種DRO的穩(wěn)定性和可調(diào)性也降低了。由于DRO有較低的閾值，故可以在連續(xù)的情況下得到功率密度低的參量增益，因此這種結(jié)構(gòu)多用在連續(xù)的OPO系統(tǒng)中。

圖3 雙諧振光參量振蕩器Fig.3 Douby resonant optical parametric oscillator.

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