光学参量振荡器——基于光谐振腔内参量放大的相干光源

光学参量振荡器（OPO）类似于光源激光器，还使用一种激光谐振器，但基于光学增益从参量放大中的非线性晶体，而不是从受激发射。像激光器一样，这样的设备表现出泵浦功率的阈值，低于该阈值的输出功率可以忽略不计（只有一些参量荧光）。

光学参量振荡器的示意图

OPO 的一个主要吸引力在于，由相位匹配条件决定的信号和闲散波长可以在很宽的范围内变化。因此，可以访问任何激光器难以或不可能获得的波长（例如在中红外、远红外或太赫兹光谱区域），并且还具有宽波长可调性（通常通过影响相位匹配条件）通常可能。这使得OPO非常有价值，例如，对于激光光谱。

一个限制是任何OPO都需要具有高光强和相对高空间相干性的泵浦源。因此，泵浦OPO基本上总是需要激光器，并且由于在大多数情况下无法直接使用激光二极管，因此系统变得相对复杂，例如由激光二极管、二极管泵浦 固态激光器、和实际的OPO。

带有环形谐振器的典型光学参量振荡器的设置。泵浦光束通过分色镜注入。信号光束是谐振的，而惰轮通常至少被谐振器反射镜射出

与激光的比较

尽管参量振荡器在许多方面与激光器相似，但也有一些重要的区别：

• 尽管许多激光器可以使用空间非相干泵浦源操作，但参量振荡器要求其泵浦具有相对较高的空间相干性。在大多数情况下，使用二极管泵浦 固态激光器。

• 尽管大多数激光器的发射波长只能在很窄的范围内调谐，但许多参量振荡器提供了具有极宽调谐范围的波长调谐潜力。这些可能跨越电磁波谱的可见、近或中红外部分的区域。特别是在中红外区域，OPO 非常常用，因为中红外激光器几乎没有竞争。

• 参数放大过程需要有效的相位匹配。相位匹配细节也决定了振荡波长。波长调谐是通过改变晶体温度，晶体的角度取向（用于影响相位匹配条件，例如实现多数情况下临界相位匹配），或极化反转周期（对于准相位匹配在周期性极化晶体） . 在相位匹配带宽内，也可以使用腔内光学滤波器进行调谐。调谐范围可能受相位匹配限制（见下文）或非线性材料的透明区域的限制 或通过谐振腔反射镜的高反射率光谱区域。

• 参量放大仅发生在泵浦光束的方向（相位匹配的另一个后果），这意味着，在一个单向操作环形谐振器是自动获得。（实际上，由于各种优点，经常使用环形谐振器。）

• 非线性晶体中不会沉积热量，除非在泵浦波长、信号波长或闲散波长处存在一些寄生吸收。由于OPO主要在所有波长都处于透明区域内运行，因此通常不会产生太多热量。只有在相当高的功率水平下才会出现相位匹配条件的干扰。 热透镜效应通常不显着。

• 产生闲散波，它带走产生的信号功率和吸收的泵浦功率之间的差异。（只有在很少使用的情况下，简并参量振荡，有没有闲散波。）更精确地，光子闲散波的能量是在所述泵和信号的光子能量的差。闲散波在非线性转换过程中起着至关重要的作用；当OPO工作在晶体中具有强闲散吸收的光谱区域时，阈值泵浦功率会高得多，效率会降低。

• 非线性晶体中不存储能量。因此，增益仅在泵浦波存在时才存在，而泵浦波动直接影响信号功率。因此，动力学不同于激光动力学。

• 比其他荧光一个的激光增益介质，参数荧光只发生在泵浦光束的方向。更准确地说，它是在那些经历参数增益的模式中观察到的。

单谐振与双谐振OPO

大多数OPO是单谐振的，即它们有一个谐振器，该谐振器在信号或闲频波长处谐振，但不能同时用于两者。（对于非谐振波，二向色谐振腔镜或一些偏振光学器件会导致谐振腔损耗高，因此光反馈很少。）但是，也有双谐振OPO，其中信号和闲散光都谐振。后者仅适用于单频泵浦激光器。

双谐振OPO的优点是阈值泵浦功率可以低得多。这对于连续波操作尤其有趣。然而，调谐行为是复杂的：当晶体温度或泵浦波长改变时，信号和闲散波长会发生跳跃，并且调谐通常是非单调的。这是因为工作波长主要取决于信号和闲散光（模式簇）同时谐振的要求，而不仅仅是相位匹配条件。

另一种可能性是泵浦波的共振增强，当泵浦激光器是单频设备时，有时会应用这种方法。在三重谐振OPO中，泵浦波、信号波和闲散波同时谐振。然而，这样的设备操作起来很微妙。一个更简单的选择是制作腔内泵浦OPO，其中非线性晶体放置在泵浦激光器的谐振腔内，利用高腔内功率。

泵浦光学参量振荡器OPO

泵浦光学参量振荡器基本上有三种不同的选择：

• 对于连续波操作，可以用（可能是倍频）连续波激光器泵浦OPO。单谐振 OPO的阈值泵浦功率相对较高——通常至少为几瓦，有时低于 1 W。一些双谐振OPO只需几十毫瓦就可以连续泵浦。

• 大多数OPO是用来自Q 开关激光器的纳秒脉冲泵浦的。在这种模式下，即使是单谐振OPO也很容易克服阈值。输出脉冲通常比泵浦脉冲略短，因为参数振荡开始时有一些延迟。输出线宽通常相对较大，并且脉冲到脉冲的波动很大，因为脉冲OPO在脉冲期间通常没有足够的时间稳定到稳态，因此受噪声的影响相对较大。

• 为了产生超短脉冲，可以用锁模激光器同步泵浦OPO。对于同步泵浦，通常调整OPO谐振器的长度，使谐振器往返频率与泵的脉冲重复率相匹配。（在极少数情况下，谐振器频率是泵浦重复频率的倍数或几分之一。）在多次谐振器往返过程中，产生的脉冲达到稳定状态，噪声可能相对较弱。的脉冲持续时间通常是可比的泵脉冲持续时间，但在某些条件下可以（显著群速度失配) 明显短于 [22]。由于典型锁模激光器的低占空比，所需的平均泵浦功率可远低于 1 W。

在大多数情况下，OPO 的泵浦光要么直接来自一些近红外激光器，要么来自倍频器，产生例如绿光。在不太常见的情况下，OPO 是用紫外光或中红外光泵浦的。

OPO 的类型

以下列表显示有各种各样的OPO：

• 连续波OPO通常基于高度非线性的晶体材料，例如周期性极化的LiNbO 3 或 KTP，例如使用 1-μm掺镱激光器或倍频固态激光器泵浦。 在单谐振OPO的情况下，即使泵浦源不是单频，也可以进行关于OPO输出的单频操作。

• 其他连续波OPO，尤其是那些用于非常高输出功率的OPO，是腔内泵浦的。然后将非线性晶体放置在通常基于钕的高功率激光器的激光谐振腔内。

• 最典型的OPO是单谐振的，并由主动调Q Nd:YAG 激光器泵浦。它们在近红外或中红外区域发射具有微焦耳或毫焦耳脉冲能量的纳秒脉冲。为了在相对较长的波长下工作，有时会使用串联OPO，其中第一个OPO将波长从 1-μm 转换为 2-μm 区域，其输出用于泵浦中红外OPO（例如基于 ZGP ）。

• 典型的同步泵浦OPO使用皮秒或飞秒锁模激光器作为泵浦源，例如 1 μm掺钕激光器或钛蓝宝石激光器。它们的平均泵浦功率在几百毫瓦到几瓦之间，脉冲重复频率在 100 MHz 到 1 GHz 之间，功率转换效率在 30% 到 50% 之间。

• 强超短脉冲可实现的高参数增益允许构建光纤反馈OPO，其中OPO谐振器包含单模光纤。此类设备具有一些实际优势，例如对谐振器长度变化非常不敏感。

• 已经证明了具有高于 80 GHz 的极高脉冲重复率的同步泵浦OPO。在这里，挑战在于平均泵浦阈值功率与脉冲重复率呈线性关系，而当还需要高重复率时，从被动锁模激光器中最难获得高平均功率。因此，对于极高的重复率，需要一个MOPA泵浦源。

• 不太常见的是纤维OPO的基础上，χ^（3）的光的非线性光纤而不是χ^（2）晶体。早期的光纤OPO通常具有接近信号和闲散波长的泵浦波长，主要用于电信应用。使用具有特殊色散特性的光子晶体光纤，可以在非常宽的波长范围内获得输出。

OPO的应用

OPO 的潜在应用领域非常多样化。一些例子是：

• 激光光谱和许多其他科学应用可以从OPO覆盖非常宽的光谱区域的能力中受益，并提供窄线宽和高功率的输出。

• 一个常见的军事应用是在 3-5 微米区域产生宽带高功率光，用于在热寻导弹攻击飞机时致盲。

• OPO 可以是高功率RGB 源的一部分，例如用于数字投影显示。

商业实现的问题

尽管它们具有惊人的能力，正如多年来有趣的研究所证明的那样，但迄今为止，光学参量振荡器尚未在商业产品中得到广泛应用。下面简要讨论其中的一些原因：

• 参数振荡器系统至少包含一些泵浦激光器和一个OPO，可能还有一个温度稳定的晶体炉，比纯激光系统更复杂。

• 相位匹配的要求使得非线性转换级的操作比例如激光增益介质更精细，激光增益介质通常更宽容，例如在晶体温度方面。由于复杂性、开启时间、散热等原因，需要用于晶体的温度稳定炉的OPO对于许多应用来说肯定不太有吸引力。

• 一些非线性晶体材料是吸湿的，其他的会受到灰度跟踪（即增加寄生损耗），而有些则难以通过坚固的抗反射涂层获得（例如由于非各向同性的热膨胀）。

• 最后，对非线性光学，尤其是参量放大物理学的详细了解在激光行业中并不普遍。

Chromacity OPO光学参量振荡器-宽带近红外光源

Chromacity Lasers公司是一家从事超快激光器的企业，位于英国爱丁堡。由英国在光子学技术领域处于领先地位的Heriot-Watt大学分拆而出，其科研团队有着超过40年的超快和光纤激光器经验，已开发出从UV（400nm）到MIR（>6um）的波长可调谐飞秒激光器，广泛应用于荧光显微、气体光谱学、激光材料加工和半导体工程等科研和工业领域。

Chromacity OPO光学参量振荡器

Chromacity OPO光学参量振荡器采用了新一代的非线性晶体，可以在5µm–12µm区域（2000  cm-1–1000 cm-1）产生光。这两个系统都由FSC系列1040  HP进行光学泵浦，FSC系列1040 HP完全集成到光学头中，以最大限度地提高稳定性并减少总体占地面积。近红外OPO产生的皮秒脉冲持续时间很少，不需要长时间的建立。我们的激光源不需要水冷，并配有简单的用户界面，使其成为最容易操作的激光源之一。对于光谱学应用和CARS显微镜，往往需要调整到几个特定的波长。在这些较长的红外波长上产生光的能力是探测各种固体、液体和气体的关键。能够在3–4µm波长区域产生瞬时宽带光有助于使用FTIR光谱等技术识别和量化大量碳氢化合物。在5–12µm指纹区域也同样如此，在该区域可以很容易地识别出更复杂的化学特征。可调谐性和高平均功率使光谱和传感应用范围广泛。

应用

• 振动光谱学

• FTIR/隔离技术

• 多组分气体分析

• 电信/量子研究

• 材料特性

• 爆炸物探测

• 拉曼光谱

特点和优点

• 紧凑型激光器外壳，带有集成泵源

• 宽带相干光束

• 直观的web浏览器界面

Chromacity的产品已经在世界各地帮助扩展研究和工业环境的应用能力。该公司已经推出了一些市场上最具创新性的激光光源，有助于推动区域应用如基础研究，量子技术和环境传感。在中国，武汉新特光电提供Chromacity产品的售前售中和售后全流程服务。凭借丰富的OPO，非线性光学和光纤传输专业知识，Chromacity能够实现广泛的选择，以帮助其在中国的客户与不同行业合作伙伴的需求。