定义
基于光学谐振器内参数放大的相干光源。
光学参量振荡器 （OPO） [1， 2] 是一种类似于激光的光源，也使用一种激光谐振器，但基于来自参数放大（通常在非线性晶体中）的光增益，而不是来自受激辐射的发射。 与激光器一样，这种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（只有一些参数荧光）。
图1：光学参数振荡器的原理图。
OPO的一个主要吸引力在于，由相位匹配条件决定的信号和空闲波长可以在很宽的范围内变化。 因此，可以访问任何激光都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），并且宽波长可调性（通常通过影响相位匹配条件）也通常是可能的。 这使得OPO非常有价值，例如，作为激光光谱的光源。
一个限制是任何OPO都需要具有高光强度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，并且由于在大多数情况下不可能直接使用半导体激光管，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 组成。
图2：设置带环形谐振器的典型光学参量振荡器。 泵浦光束通过二向色镜注入。 信号束是谐振的，而惰轮通常至少由谐振镜弹出。
与激光器的比较
虽然参数振荡器在许多方面与激光器相似，但也存在一些重要区别：
- 虽然许多激光器可以使用空间上不相干的泵浦源进行操作，但参数振荡器需要相对较高的泵浦空间相干性。 在大多数情况下，使用二极管泵浦固态激光器。
- 虽然大多数激光器的发射波长只能在很窄的范围内调谐，但许多参数振荡器提供了具有极宽调谐范围的波长调谐潜力。 这些可能跨越电磁光谱的可见光、近红外或中红外部分的区域。 特别是在中红外区域，OPO非常常用，因为与中红外激光器几乎没有竞争。
- 参数放大过程需要相位匹配才能高效。 相位匹配细节也决定了振荡波长。 在大多数情况下，波长调谐是通过影响相位匹配条件来实现的，例如通过改变晶体温度、晶体的角度取向（用于临界相位匹配）或极化周期（对于周期性极化晶体中的准相位匹配）。 在相位匹配带宽内，也可以使用腔内滤光片进行调谐。 调谐范围可以受到相位匹配限制（见下文）的限制，也可以受到非线性材料的透明区域或谐振镜具有高反射率的光谱区域的限制。
- 参数放大仅在泵浦光束方向上发生（作为相位匹配的另一个结果），这意味着自动获得环形谐振器中的单向操作。 （事实上，由于各种优点，经常使用环形谐振器，见下文。
- 非线性晶体中不会沉积热量，除非在泵浦、信号或空闲波长处有一些寄生吸收。 由于OPO大多在涉及的所有波长都位于透明区域内的情况下运行，因此通常不会有太多的热量。 只有在相当高的功率水平下，才会发生相位匹配条件的干扰。热透镜仅在非常高的功率水平下才有意义。
- 产生惰波，带走产生的信号功率和吸收的泵功率之间的差异。 （只有在简并参数振荡很少使用的情况下，才没有空闲波。 更准确地说，空闲波的光子能量是泵浦和信号的光子能量之差。 惰波在非线性转换过程中起着至关重要的作用；当OPO在晶体中惰轮吸收较强的光谱区域中运行时，阈值泵浦功率可能要高得多，而效率会更低。
- 非线性晶体中不储存能量。 因此，只有泵浦波存在，增益就存在，泵浦波动直接影响信号功率。 因此，动力学与激光动力学不同。
- 除了激光增益介质的荧光外，参数荧光仅在泵浦光束的方向上发生。 更准确地说，在那些经历参数增益的模式下观察到它。
技术细节
单共振与双共振 OPO
大多数OPO是单谐振的，即它们有一个谐振器，该谐振器在信号或空闲波长下共振，但不能同时谐振。 （对于非共振波，二向色性谐振镜或某些偏振光学器件会导致高谐振器损耗，因此光学反馈很少。 然而，也有双共振的OPO，其中信号和惰轮都是共振的。 后者仅对单频泵浦激光器有意义。
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。 但是，调谐行为很复杂：当晶体温度或泵浦波长发生变化时，信号和空闲波长发生跳跃，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惰轮（模式组）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，有时当泵浦激光器是单频器件时应用。 在三共振OPO中，泵浦、信号波和惰轮波同时产生共振。 然而，这种设备操作起来很微妙。 更简单的选择是制造腔内泵浦OPO，其中非线性晶体放置在泵浦激光器的谐振器内，利用高腔内功率。
线性谐振器和环形谐振器
OPO可以使用线性（驻波）或环形谐振器构建。 谐振器类型的选择可能有多种含义：
- 线性谐振器通常更容易构建和对准。 在需要短谐振器往返时间的紧凑设置的情况下尤其如此。 然而，有高度紧凑的单片环形谐振器，其中对准也没有问题。
- 环形谐振器可能需要在弯曲谐振镜上具有更大的入射角，这可能会导致散光问题。
- 参数增益仅发生在泵浦光的方向上。 因此，线性谐振器中的后向路径不会提供额外的放大，而只会提供寄生功率损耗。 因此，使用环形谐振器时，可获得的阈值功率和功率转换效率通常更高。
- 线性谐振器会导致泵浦光大量反向反射到激光源中，在某些情况下，即使使用法拉第隔离器，也会破坏激光器的稳定性。
抽吸 OPO
泵浦光参量振荡器基本上有三种不同的选择：
- 对于连续波操作，可以使用（可能倍频）连续波激光器泵浦OPO（参见例如[16]）。 单谐振 OPO（见上文）的阈值泵浦功率相对较高——通常至少几瓦，有时低于 1 W。 一些双谐振OPO可以连续泵送，只有几十毫瓦。
- 大多数OPO都是用来自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，因为参数振荡会有一些延迟。 输出线宽通常相对较大，并且脉冲间波动很大，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[21]。
- 为了产生超短脉冲，OPO可以用锁模激光器同步泵浦。 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浦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某倍。 在许多谐振器往返期间，产生的脉冲达到稳定状态，噪声可能相对较弱。 脉冲持续时间通常与泵浦脉冲持续时间相当，但在某些条件下（具有显著的群速度不匹配）可能明显短于此[22]。 由于典型锁模激光器的占空比低，所需的平均泵浦功率可能远低于1 W。
在大多数情况下，OPO的泵浦光直接来自一些近红外激光器或倍频器，例如产生绿光。 在不太常见的情况下，OPO被泵入紫外线或中红外光。
OPO 的类型
以下列表显示了各种各样的 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LiNbO3[16]或KTP，例如用1μm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，也可以对OPO输出进行单频操作。
- 其他连续波 OPO，特别是那些输出功率非常高的 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器中。
- 最典型的OPO是单谐振的，并使用主动Q开关Nd：YAG激光器泵浦。 它们在近红外或中红外区域发射微焦耳或毫焦耳脉冲能量的纳秒脉冲。 对于在相对较长的波长下操作，有时使用串联 OPO，其中第一个 OPO 从 1 μm 区域到 2 μm 区域进行波长转换，其输出用于泵浦中红外 OPO（例如基于 ZGP）。
- 典型的同步泵浦 OPO 具有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，脉冲重复率在100 MHz和1 GHz之间，功率转换效率约为30-50%。
- 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[25，29]。 这种设备具有一些实际好处，例如对谐振器长度变化的显着不敏感。
- 已经证明了具有高于80GHz的极高脉冲重复率的同步泵浦OPO[27]。 这里的挑战在于平均泵浦阈值功率与脉冲重复率成线性关系，而当还需要高重复率时，被动锁模激光器最难获得高平均功率。 因此，需要MOPA泵源来实现极高的重复率。
- 不太常见的是光纤 OPO，基于χ(3)光纤的非线性，而不是χ(2)的晶体。 早期的光纤OPO通常具有接近信号和惰轮波长的泵浦波长，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区域获得输出[32，33]。
OPO的应用
OPO的潜在应用领域非常多样化。一些例子是：
- 激光光谱学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，并提供具有窄线宽和高功率的输出。
- 一个常见的军事应用是在3-5μm区域产生宽带高功率光，用于在攻击飞机时使热寻的导弹致盲（红外对抗）。
- OPO可以是高功率RGB源的一部分，例如用于数字投影显示器。
商业实现的问题
尽管光学参量振荡器具有惊人的功能，正如多年有趣的研究所证明的那样，迄今为止，它们在商业产品中的用途有限。 下面简要讨论了其中的一些原因：
- 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烤箱，比纯激光系统更复杂，相应地也更昂贵。
- 相位匹配的要求使得非线性转换级的操作比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，需要晶体温度稳定的恒温炉的 OPO 对于许多应用来说肯定不那么有吸引力。
- 一些非线性晶体材料具有吸湿性，其他材料受到灰度跟踪（即寄生损耗增加），有些则难以通过坚固的增透膜获得（例如，由于非各向同性的热膨胀）。
- 最后，对非线性光学，特别是参数放大物理学的详细了解在激光行业中并不是很普遍。
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