光学参量振荡器OPO

2021-10-14 17:26:27 浏览:1229

基本原理

基于非线性光学实现的光学参量振荡器(optical parametric oscillator, OPO)作为一种波长可调谐的相干光源,其光谱范围可以覆盖传统激光器达不到的光谱区域,而且可以实现利用一台激光器通过波长调谐就能得到很宽的扩展光谱范围。另外,OPO 达到了实际使用要求的高效率高功率输出,并且可以实现在多种方式下运转,例如连续波,锁模和脉冲等方式,其脉冲模式下工作时可以达到纳秒、皮秒甚至是飞秒级别。因此,OPO 逐渐引起人们的兴趣和重视,并且在太赫兹波、光电对抗、差分吸收雷达、光谱探测分析和光化学治疗等诸多领域得到广泛应用。

光学参量振荡器作为波长调谐的关键装置,近些年来逐渐成为相干反斯托克斯拉曼散射CARS 系统的主流设置方式。 这一方法需要一台脉冲激光器同时提供 CARS 信号所需的斯托克斯光OPO的泵浦光。OPO 能够产生两束与泵浦光脉冲时序完全一致、波长可调的光,分别称为信号光(Signal)和闲频光(Idler),通常只采用其中的信号光作为CARS 信号的泵浦光,与前面的斯托克斯光一起激发样品。

光参量振荡器将输入的频率为Wp的激光(所谓的泵浦光),通过二阶非线性光学相互作用,转换成两个的频率较低的输出光(信号光Ws和闲频光Wi),两个输出光的频率之和等于输入光频率。两个输出光被称为“信号光”和“闲频光”,一个特殊情况下的简并的光参量振荡器,恰好输出频率为的泵浦光的频率的一半,可能导致在半谐产生的时候“信号光”和“闲频光”有相同的偏振。

光参量振荡器主要包含两个关键部分:一个光学谐振腔和一个非线性光学晶体。光学谐振腔主要用于和两个输出光中的至少一者相共振。在非线性光学晶体中,泵浦光,信号光和闲频光相互重合。三个不同频率光的相互作用导致信号光波和闲频光波的幅度增益(参量放大)和与之相对应的泵浦光幅度衰减。增益使得共振光波(信号光或闲频光或两者同时)在谐振腔中振荡,补偿了共振光波在来回振荡中的损耗。损耗包括引出想要的输出光波的输出耦合镜带来的损耗。因为损耗和泵浦光强无关,但是增益却依赖于泵浦光强,所以,在低的泵浦功率下,不足的增益不足以去支持振荡。只有当泵浦功率达到一个特定的阈值,振荡才会发生。高于阈值功率时,增益也依赖与共振光波的幅度。因此,在稳态工作时,共振光波的幅度取决于增益和损耗(一个常值)相等时的状态。共振光波的幅度和输出光波的强度都随着泵浦光强的增加而增加。

光学参量振荡器的应用范围

(1)太赫兹波
太赫兹波是一种频率在 0.1 ~ 10 Thz之间的电磁波,由于其介于远红外波段和毫米波之间,因此也被叫做亚毫米波。太赫兹波由于其特殊位置而表现出宽带性、瞬态性、低能性和相干性等特点,使其在产品质量检查和控制、安全检查和极性大分子的物质成分研究等方面具有明显优势。 光学参量振荡产生太赫兹波的方法具有工作方式多、相干性好、体积小、可连续调谐和室温运转等特点。采用的非线性光学晶体通常同时具有红外和拉曼活性。常用的 LiNbO3晶体就同时具有 4 个红外和拉曼活性的横光学声子模式(TO),最低模式(250cm-1)具有最大的参量增益的同时又有最小的吸收系数,对远红外线的产生非常有利,而且晶体还具有较大的非线性光学系数。这些特点LiNbO3 晶体成为光学参量振荡方法产生太赫兹波最合适的一种材料。

(2)光谱探测分析
窄线宽、宽调谐、高相干的 OPO 在物理学、化学、生物学、医学以及光谱探测分析等领域得到应用。在高分辨率光谱方面,由于脉冲 OPO 存在脉冲波动,并不适合高灵敏度探测,所以连续波 OPO 成为高分辨率光谱探测和分析领域的最佳选择,可以获得极窄的探测带宽,达到 10 MHz,并且能够消除低功率应用的饱和吸收问题。Johnson等人于1995年实现了连续波种子光注入、355 nm激光泵浦的脉冲 BBO OPO,并利用其测量了铷原子蒸汽的吸收谱和乙炔(C2H2)气体的光声吸收谱。Basum 等人于 2004 年利用连续波 PPLN 单谐振光学参量振荡器在3 µm 范围内检测并确定了乙烷的光谱特性,并利用 OPO 的频率调谐特性,进行多气体的监控和分析。

(3)光化学治疗
光化学治疗(photodynamic therapy,PDT)也常被称为光力学治疗[28],是指采用静脉注射等方法给予某种卟啉衍生物等光敏物质(光敏剂),使其选择性吸收、聚焦在作为治疗对象的癌组织等组织病变部位后,采用激光等光源照射,从而损伤该组织病变部的治疗方法。目前,光化学治疗通常采用的是准分子激光器,但其价格高、体积大,不便于移动和维护。全固态 OPO 的体积小、光谱范围宽,在弥补准分子激光器不足的同时也满足了光化学治疗的要求,利用 OPO 作为下一代光化学治疗用光源,是目前出现的一个发展动向。

连续波光学参量振荡器在受激拉曼散射成像中的发展现状

由于高功率泵浦和非线性晶体较高的非线性系数,一些其它伴随输出的非线性光学现象也逐渐在 OPO 中被发现,受激拉曼散射现象就是其中之一。Pasiskevicius等人于2003年在 PPKTP OPO 中发现受激Raman 散射。泵浦源采用脉冲宽度为 6 ns 的 Nd:YAG 激光器作为泵浦源,两块具有不同极化周期的多周期PPKTP晶体作为非线性晶体,OPO谐振腔长为 30 mm,实现了 1535~ 3400 nm波段的调谐输出。当腔内功率密度达到 59 MW/cm2 时,在 35.4 µm周期处发现在信号光1535 nm附近出现了1601 nm的斯托克斯线。同时发现受激拉曼散射出现在35.4、35.6 和 36 µm 短周期处,而在37.4、37.8和38.85 µm长周期处没有发现受激拉曼散射现象,作者认为这与 KTP 对 3.3 µm 附近到中远红外波段光波的吸收和磷酸盐离子的模式振动产生的二次谐波有关[3]

Okishev和Zuegel于2006年利用输出1070 nm连续激光的 YLD-10-LP 掺镱光纤激光器作为泵浦源,多周期 PPMgLN 晶体作为非线性晶体实现了单谐振连续波 OPO。通过改变腔镜的镀膜参数,在 28.5 ~ 31.5 µm 5个周期处均发现了受激拉曼散射现象,同时,发现 OPO 的斜率效率和光-光转换效率分别降为 16%和15%,但闲频光的输出功率稳定性由 4.1%提高到 1.46% rms[4]

Angus Henderson和Ryan Stafford等人于2007年采用输出 1064 nm激光的单频掺镱光纤激光器作为泵浦源,50 mm长的PPMgLN晶体作为非线性晶体,实现了单谐振连续波 OPO。泵浦功率为14.5 W时获得最大 8.6 W 的OPO总输出功率,同时当泵浦功率与振荡阈值比超过2时,发现了受激拉曼频移,斯托克斯频移为 44 cm-1 和微弱的反斯托克斯,随着功率的进一步增加,出现 98 cm-1 频移。为了保证系统单频运转,泵浦功率与振荡阈值比应该保持在2.5[5]

Liu等人于2008年采用端面泵浦的声光调Q Nd : YAG激光器作为泵浦源,30 mm长沿 X 轴方向切割的KTA作为非线性晶体,利用II类非临界相位匹配技术实现了KTA OPO,并观察到了伴随产生的受激拉曼散射。当激光二极管功率为 7.43 W 时,重复频率为20 kHz时,获得 0.92 W 的 1535 nm 信号光输出,同时获得了0.17 W的1091.4 nm斯托克斯线输出功率,总转换效率达到14.7%[6]

连续波光学参量振荡器发展趋势

连续波光参量振荡器是一种具有很大发展潜力的相干辐射源。虽然双谐振连续波光学参量振荡器的振荡阈值比较低,但其频率稳定性较差,不稳定性大约是普通激光器的几个数量级,而单谐振光学参量振荡器的振荡阈值又比较高,以至于在实际中实现运转的多是采用脉冲激光器泵浦。而对于脉冲泵浦的 OPO,其频率确定性上存在着一定的极限限制。所以,能实现连续参量光输出的连续波光 。

学参量振荡器一直是人们努力的方向。诸多领域对可调谐激光的强烈需求,以及非线性参量晶体材料的发展,直接促进了连续波光学参量振荡器的飞速发展。它的发展趋势可总结为以下几点:

(1)扩展波段。宽波段可调谐是连续波 OPO 技术的最大优点,也是其主要发展趋势。连续波 OPO 可以和倍频、和频、差频,甚至是染料、受激拉曼散射或其他可调谐固体激光源组合起来,构成多种组合调谐方式,并且随着新型非线性材料的出现,有望实现深紫外到远红外甚至太赫兹波段的可调谐激光输出。

(2)全固态连续波 OPO。利用激光二极管泵浦固体激光(DPL)以及光纤激光器技术,发展全固态宽带可调谐连续波 OPO,它具有效率高、稳定性好、寿命长、结构紧凑、体积小、重量轻等特点,具有很好的应用前景,是将来的发展方向,在近几年发展迅速。

(3)开发性能优良的非线性晶体材料。连续波 OPO 技术的发展与非线性光学材料的发展息息相关,它的每次重大突破都与非线性参量晶体材料的新发现有关。开发透光范围宽、非线性系数大、损伤阈值高、尺寸大、光学均匀性好且物化性能稳定的非线性晶体材料一直是 OPO 研究的一个重点。

(4)输出性能的提升。利用不同技术,压缩参量光的线宽,以及提高连续波 OPO 的调谐范围、输出功率、转换效率和光束质量等关键性能参数也是其主要发展方向。

(5)镀膜。谐振腔镜片的选择和镀膜对连续波 OPO 输出性能有着直接影响,目前,谐振腔镜片的多层介质膜的镀制难度大、损伤阈值低和价格昂贵。因此,这也是连续波 OPO 发展中的一个重要分支。

参考文献

[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/光参量振荡器
[2] 姚文明. 连续波光学参量振荡器及受激拉曼散射现象的研究[D].中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2013
[3] V. Pasiskevicius, A. Fragemann, F. Laurell, et al. Enhanced stimulated Raman scattering in optical parametric oscillators from periodically poled KTiOPO4 [J]. Applied Physics Letters, 2003, 82(3): 325-327
[4] A. V. Okishev, J. D. Zuegel. Intracavity-pumped Raman laser action in a mid-IR, continuous-wave (cw) MgO:PPLN optical parametric oscillator [J]. Optics Express, 2006, 14(25): 12169-12173
[5] Angus Henderson, Ryan Stafford. Spectral broadening and stimulated Raman conversion in a continuous-wave optical parametric oscillator [J]. Optics Letters, 2007, 32(10): 1281-1283
[6] Liu Zhaojun, Wang Qingpu, Zhang Xingyu, et al. Coexistent optical parametric oscillation and stimulated Raman scattering in KTiOAsO4 [J]. Optics Express, 2008, 16(21): 17092-17097

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