光参量振荡原理综述

2017-05-19李晓敏

科学中国人 2017年14期

关键词：参量折射率空闲

李晓敏

山东省济南市协和学院基础部

光参量振荡原理综述

李晓敏

山东省济南市协和学院基础部

光参量振荡是一种有效的非线性频率变换方式，1μm的激光来泵浦光参量振荡器可以获得1.5μm附近的信号光的输出，甚至能得到3.3μm附近的空闲波的输出。本文综合阐述了光参量振荡的基本原理，并给出了单谐振光参量振荡和双谐振光参量震荡的结构图。

光参量振荡；单谐振；双谐振

一、引言

钕离子掺杂的1微米波段的全固态激光器被广泛应用于激光雷达、测距等领域，然而在可见以及近红外波段（0.4–1.4μm）的激光存在严重的人眼安全风险。因此如何将激光波段拓展到人眼安全的波段（大于1.5μm），给人们拓展了新的研究领域。光参量振荡器（optical parametric oscliiator,简称OPO）是一种有效的非线性频率变换方式，1μm的激光来泵浦光参量振荡器可以获得1.5 vm附近的信号光的输出，甚至能得到3.3μm附近的空闲波的输出。总的来说光参量振荡器包括腔外的光参量振荡器和腔内的光参量振荡器两大类，它们最大的区别在于非线性晶体的位置。一般来说这种腔外的光参量振荡器由一个单独的泵浦激光以及非线性晶体构成。Bjorkholm[1-2]和Byer考虑并验证了这种腔外的OPO，但这种腔外的OPO的阈值较高难于实现。而腔内的OPO不仅使得泵浦光的强度增强，而且提升了转换效率[3-4]。腔内的OPO具有阈值低、转换效率高、结构紧凑等优点，由于在腔内泵浦光往返多次经过非线性晶体，所以其转换效率会高。

除了谐波发生器，另一种有效的非线性光学器件是参量振荡器[5-6]。1961年出现了二次谐波，后来又有了三波混频，而光学参量振荡在1965年得以实现。后来，人们通过倍频晶体的双折射效应来补偿色散进而使得倍频效率提升，即为相位匹配技术。用1.06μm的激光来泵浦光参量振荡器可以获得1.57μm人眼安全波长的信号光的输出。该波段对人眼的安全性最高，对于战场硝烟有更好的效果，并且使得目标和背景之间有着高的对比度，具有更强的测距能力。因其独特的优点，被广泛应用于大气探测、激光测距和激光雷达等领域中。

二、原理综述

光学参量发生（OPG）的基本定义为：一束频率为ω3的泵浦光入射到非线性的晶体上（比如KTA,KTP,LBO,BBO等），得到两束频率分别为ω1和ω2的新的光波，并且它们的频率之间满足ω3=ω1+ω2的关系。而光学参量放大（OPA）定义为：一束弱的频率为ω1的信号光和另一束强的频率为ω3的泵浦光同时射入到非线性晶体内，频率为ω1的信号光被放大，又产生了一束频率为ω2的光，仍然满足关系式ω3=ω1+ω2。将一束频率为ω3的泵浦光入射到腔内的非线性晶体内，产生两束频率分别为ω1和ω2的光，同样满足ω3=ω1+ω2，这种过程为光学参量振荡（OPO）。

将一束强的频率为υp的泵浦光和一束弱的频率为υs的信号光同时入射到非线性晶体上，产生一束频率为υi的“空闲波”，此时加强了信号光。在此过程中，使得信号光和空闲波变强，而泵浦光却被衰减，该振荡过程就会得到持续，实现光参量振荡。

由于每个能量为hυp的泵浦光子都产生一个能量为hυs的信号光子和一个能量为hυi空闲波的光子，由能量守恒定律可得三种光子的频率之间满足：

υp=υs+υi

为了实现参量放大，则要求三种频率中的每一种频率所实现的极化行波速度与电磁波自由传播的速度相同。若非线性晶体材料的折射率使得k矢量满足动量匹配即kp=ks+ki，上述的结果就会产生。对于那些共线传播的波，有：

其中np，ns和ni分别表示非线性晶体材料对泵浦光、信号光和空闲波的折射率。因为这三个折射率与波长、光的偏振以及光在晶体材料中的传播方向有关，可以通过色散和双折射得到满足上面关系式的条件。

参量器件的基本特征是调谐功能。若泵浦光的波长为λp，折射率在满足相位匹配条件下微小的变化都会引起信号光和空闲波的波长的变化，进而实现新的相位匹配。这种调谐既可以通过改变各向异性晶体的双折射的角度，又可通过改变温度得以实现；利用折射率的电光变化，又可实现一定程度上的快速的调谐。

图1-3给出了泵浦光、信号光以及空闲波的参量相互作用过程中的不同结构。图1描述的光参量放大器（Optical parameter amplifier,简称为OPA），此时泵浦光和信号光为入射光。在这种结构中，若泵浦的强度足够高，或将Q开关输出的激光直接聚焦到晶体上，相位匹配的条件就能满足，并且信号光得到加强，并且能够得到空闲波。一般情况下，若光参量振荡器产生的信号光不够强，需要将其进行放大，这种光参量放大器就可以满足要求。

图1 光参量放大器Fig.1 Optical parametric amplifier.

单谐振振荡器是一种最常见的光参量器件，如图2所示。在该装置中，晶体被放置在能够给信号光或空闲波提供反馈的腔内。输入镜透射泵浦光进入到振荡器内，其对泵浦光有着很高的透射率，但对信号光的反射率很高。图2中的输出镜对泵浦光和空闲波有高的透射率，其对信号光有80%～95%的反射率，并且信号光在腔内是谐振的，但前镜会将信号光耦合输出一小部分。

图2 单谐振光参量振荡器Fig.2 Single resonant parametric oscillator.

双谐振光参量振荡器（Doubly resonant oscillator,DRO）的结构示意图是图3。它同时对信号光和空闲波产生反馈。信号光和空闲波在这种双谐振的条件下在腔内同时发生谐振，使得阈值得到了降低。但是这种DRO的稳定性和可调性也降低了。由于DRO有较低的阈值，故可以在连续的情况下得到功率密度低的参量增益，因此这种结构多用在连续的OPO系统中。