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。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?？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單獨的泵浦激光以及非線性晶體構(gòu)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(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，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人眼安全波長的信號光的輸出。該波段對人眼的安全性最高，對于戰(zhàn)場硝煙有更好的效果，并且使得目標(biāo)和背景之間有著高的對比度，具有更強(qiáng)的測距能力。因其獨特的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于大氣探測、激光測距和激光雷達(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的信號光和另一束強(qiáng)的頻率為ω3的泵浦光同時射入到非線性晶體內(nèi)，頻率為ω1的信號光被放大，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的信號光同時入射到非線性晶體上，產(chǎn)生一束頻率為υi的“空閑波”，此時加強(qiáng)了信號光。在此過程中，使得信號光和空閑波變強(qiáng)，而泵浦光卻被衰減，該振蕩過程就會得到持續(xù)，實現(xiàn)光參量振蕩。

由于每個能量為hυp的泵浦光子都產(chǎn)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(xiàn)參量放大，則要求三種頻率中的每一種頻率所實現(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矢量滿足動量匹配即kp=ks+ki，上述的結(jié)果就會產(chǎn)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(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(jìn)而實現(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現(xiàn)；利用折射率的電光變化，又可實現(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,簡稱為OPA），此時泵浦光和信號光為入射光。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(nèi)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(jié)構(gòu)示意圖是圖3。它同時對信號光和空閑波產(chǎn)生反饋。信號光和空閑波在這種雙諧振的條件下在腔內(nèi)同時發(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.

[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(xué)晶體研究進(jìn)展[J].人工晶體學(xué)報，2012，41（8）：17-23

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