光參量振蕩原理綜述

李曉敏

山東省濟南市協和學院基礎部

光參量振蕩原理綜述

李曉敏

山東省濟南市協和學院基礎部

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構圖。

光參量振蕩；單諧振；雙諧振

一、引言

釹離子摻雜的1微米波段的全固態激光器被廣泛應用于激光雷達、測距等領域，然而在可見以及近紅外波段（0.4–1.4μm）的激光存在嚴重的人眼安全風險。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域。光參量振蕩器（optical parametric oscliiator,簡稱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附近的信號光的輸出，甚至能得到3.3μm附近的空閑波的輸出。總的來說光參量振蕩器包括腔外的光參量振蕩器和腔內的光參量振蕩器兩大類，它們最大的區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單獨的泵浦激光以及非線性晶體構成。Bjorkholm[1-2]和Byer考慮并驗證了這種腔外的OPO，但這種腔外的OPO的閾值較高難于實現。而腔內的OPO不僅使得泵浦光的強度增強，而且提升了轉換效率[3-4]。腔內的OPO具有閾值低、轉換效率高、結構緊湊等優點，由于在腔內泵浦光往返多次經過非線性晶體，所以其轉換效率會高。

除了諧波發生器，另一種有效的非線性光學器件是參量振蕩器[5-6]。1961年出現了二次諧波，后來又有了三波混頻，而光學參量振蕩在1965年得以實現。后來，人們通過倍頻晶體的雙折射效應來補償色散進而使得倍頻效率提升，即為相位匹配技術。用1.06μm的激光來泵浦光參量振蕩器可以獲得1.57μm人眼安全波長的信號光的輸出。該波段對人眼的安全性最高，對于戰場硝煙有更好的效果，并且使得目標和背景之間有著高的對比度，具有更強的測距能力。因其獨特的優點，被廣泛應用于大氣探測、激光測距和激光雷達等領域中。

二、原理綜述

光學參量發生（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的關系。而光學參量放大（OPA）定義為：一束弱的頻率為ω1的信號光和另一束強的頻率為ω3的泵浦光同時射入到非線性晶體內，頻率為ω1的信號光被放大，又產生了一束頻率為ω2的光，仍然滿足關系式ω3=ω1+ω2。將一束頻率為ω3的泵浦光入射到腔內的非線性晶體內，產生兩束頻率分別為ω1和ω2的光，同樣滿足ω3=ω1+ω2，這種過程為光學參量振蕩（OPO）。

將一束強的頻率為υp的泵浦光和一束弱的頻率為υs的信號光同時入射到非線性晶體上，產生一束頻率為υi的“空閑波”，此時加強了信號光。在此過程中，使得信號光和空閑波變強，而泵浦光卻被衰減，該振蕩過程就會得到持續，實現光參量振蕩。

由于每個能量為hυp的泵浦光子都產生一個能量為hυs的信號光子和一個能量為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

為了實現參量放大，則要求三種頻率中的每一種頻率所實現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矢量滿足動量匹配即kp=ks+ki，上述的結果就會產生。對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泵浦光、信號光和空閑波的折射率。因為這三個折射率與波長、光的偏振以及光在晶體材料中的傳播方向有關，可以通過色散和雙折射得到滿足上面關系式的條件。

參量器件的基本特征是調諧功能。若泵浦光的波長為λp，折射率在滿足相位匹配條件下微小的變化都會引起信號光和空閑波的波長的變化，進而實現新的相位匹配。這種調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現；利用折射率的電光變化，又可實現一定程度上的快速的調諧。

圖1-3給出了泵浦光、信號光以及空閑波的參量相互作用過程中的不同結構。圖1描述的光參量放大器（Optical parameter amplifier,簡稱為OPA），此時泵浦光和信號光為入射光。在這種結構中，若泵浦的強度足夠高，或將Q開關輸出的激光直接聚焦到晶體上，相位匹配的條件就能滿足，并且信號光得到加強，并且能夠得到空閑波。一般情況下，若光參量振蕩器產生的信號光不夠強，需要將其進行放大，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光或空閑波提供反饋的腔內。輸入鏡透射泵浦光進入到振蕩器內，其對泵浦光有著很高的透射率，但對信號光的反射率很高。圖2中的輸出鏡對泵浦光和空閑波有高的透射率，其對信號光有80%～95%的反射率，并且信號光在腔內是諧振的，但前鏡會將信號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）的結構示意圖是圖3。它同時對信號光和空閑波產生反饋。信號光和空閑波在這種雙諧振的條件下在腔內同時發生諧振，使得閾值得到了降低。但是這種DRO的穩定性和可調性也降低了。由于DRO有較低的閾值，故可以在連續的情況下得到功率密度低的參量增益，因此這種結構多用在連續的OPO系統中。

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

[1]J.E.Bjorkholm,et al.Efficient optical parametric oscillation us?ing doubly and singly resonator cavities[J].Appl.Phys.Lett，1968（13）：53-56（1968）.

[2]E.O.Amman,J.M.Yarboroughetal.Efficientinternaloptical parametric oscillation[J].Appl.Phys.Lett，1970（16）：309-312

[3]L.Marshall,J.Kasinskiet al.Efficient optical parametric oscilla?tor at 1.6μm[J].Opt.Lett，1991（16）：681-683

[4]T.Debuisschert,J.Raffyet al.Intracavity optical parametric os?cillator:Study of the dynamics in pulsed regime[J].J.Opt.Soc.Amer，1996（13）：1569-1587

[5]張國棟，王善鵬，陶緒堂.紅外非線性光學晶體研究進展[J].人工晶體學報，2012，41（8）：17-23

[6]董春明，王善鵬，陶緒堂.中紅外非線性光學晶體研究進展[J].人工晶體學報，2006,35（8）：785-789