光學(xué)參量振蕩器（OPO）類似于光源激光器，還使用一種激光諧振器，但基于光學(xué)增益從參量放大中的非線性晶體，而不是從受激發(fā)射。像激光器一樣，這樣的設(shè)備表現(xiàn)出泵浦功率的閾值，低于該閾值的輸出功率可以忽略不計(jì)（只有一些參量熒光）。

光學(xué)參量振蕩器的示意圖

OPO 的一個(gè)主要吸引力在于，由相位匹配條件決定的信號和閑散波長可以在很寬的范圍內(nèi)變化。因此，可以訪問任何激光器難以或不可能獲得的波長（例如在中紅外、遠(yuǎn)紅外或太赫茲光譜區(qū)域），并且還具有寬波長可調(diào)性（通常通過影響相位匹配條件）通?？赡?。這使得OPO非常有價(jià)值，例如，對于激光光譜。

一個(gè)限制是任何OPO都需要具有高光強(qiáng)和相對高空間相干性的泵浦源。因此，泵浦OPO基本上總是需要激光器，并且由于在大多數(shù)情況下無法直接使用激光二極管，因此系統(tǒng)變得相對復(fù)雜，例如由激光二極管、二極管泵浦 固態(tài)激光器、和實(shí)際的OPO。

帶有環(huán)形諧振器的典型光學(xué)參量振蕩器的設(shè)置。泵浦光束通過分色鏡注入。信號光束是諧振的，而惰輪通常至少被諧振器反射鏡射出

與激光的比較

盡管參量振蕩器在許多方面與激光器相似，但也有一些重要的區(qū)別：

• 盡管許多激光器可以使用空間非相干泵浦源操作，但參量振蕩器要求其泵浦具有相對較高的空間相干性。在大多數(shù)情況下，使用二極管泵浦 固態(tài)激光器。

• 盡管大多數(shù)激光器的發(fā)射波長只能在很窄的范圍內(nèi)調(diào)諧，但許多參量振蕩器提供了具有極寬調(diào)諧范圍的波長調(diào)諧潛力。這些可能跨越電磁波譜的可見、近或中紅外部分的區(qū)域。特別是在中紅外區(qū)域，OPO 非常常用，因?yàn)橹屑t外激光器幾乎沒有競爭。

• 參數(shù)放大過程需要有效的相位匹配。相位匹配細(xì)節(jié)也決定了振蕩波長。波長調(diào)諧是通過改變晶體溫度，晶體的角度取向（用于影響相位匹配條件，例如實(shí)現(xiàn)多數(shù)情況下臨界相位匹配），或極化反轉(zhuǎn)周期（對于準(zhǔn)相位匹配在周期性極化晶體） . 在相位匹配帶寬內(nèi)，也可以使用腔內(nèi)光學(xué)濾波器進(jìn)行調(diào)諧。調(diào)諧范圍可能受相位匹配限制（見下文）或非線性材料的透明區(qū)域的限制 或通過諧振腔反射鏡的高反射率光譜區(qū)域。

• 參量放大僅發(fā)生在泵浦光束的方向（相位匹配的另一個(gè)后果），這意味著，在一個(gè)單向操作環(huán)形諧振器是自動(dòng)獲得。（實(shí)際上，由于各種優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常使用環(huán)形諧振器。）

• 非線性晶體中不會(huì)沉積熱量，除非在泵浦波長、信號波長或閑散波長處存在一些寄生吸收。由于OPO主要在所有波長都處于透明區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，因此通常不會(huì)產(chǎn)生太多熱量。只有在相當(dāng)高的功率水平下才會(huì)出現(xiàn)相位匹配條件的干擾。 熱透鏡效應(yīng)通常不顯著。

• 產(chǎn)生閑散波，它帶走產(chǎn)生的信號功率和吸收的泵浦功率之間的差異。（只有在很少使用的情況下，簡并參量振蕩，有沒有閑散波。）更精確地，光子閑散波的能量是在所述泵和信號的光子能量的差。閑散波在非線性轉(zhuǎn)換過程中起著至關(guān)重要的作用；當(dāng)OPO工作在晶體中具有強(qiáng)閑散吸收的光譜區(qū)域時(shí)，閾值泵浦功率會(huì)高得多，效率會(huì)降低。

• 非線性晶體中不存儲能量。因此，增益僅在泵浦波存在時(shí)才存在，而泵浦波動(dòng)直接影響信號功率。因此，動(dòng)力學(xué)不同于激光動(dòng)力學(xué)。

• 比其他熒光一個(gè)的激光增益介質(zhì)，參數(shù)熒光只發(fā)生在泵浦光束的方向。更準(zhǔn)確地說，它是在那些經(jīng)歷參數(shù)增益的模式中觀察到的。

單諧振與雙諧振OPO

大多數(shù)OPO是單諧振的，即它們有一個(gè)諧振器，該諧振器在信號或閑頻波長處諧振，但不能同時(shí)用于兩者。（對于非諧振波，二向色諧振腔鏡或一些偏振光學(xué)器件會(huì)導(dǎo)致諧振腔損耗高，因此光反饋很少。）但是，也有雙諧振OPO，其中信號和閑散光都諧振。后者僅適用于單頻泵浦激光器。

雙諧振OPO的優(yōu)點(diǎn)是閾值泵浦功率可以低得多。這對于連續(xù)波操作尤其有趣。然而，調(diào)諧行為是復(fù)雜的：當(dāng)晶體溫度或泵浦波長改變時(shí)，信號和閑散波長會(huì)發(fā)生跳躍，并且調(diào)諧通常是非單調(diào)的。這是因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL主要取決于信號和閑散光（模式簇）同時(shí)諧振的要求，而不僅僅是相位匹配條件。

另一種可能性是泵浦波的共振增強(qiáng)，當(dāng)泵浦激光器是單頻設(shè)備時(shí)，有時(shí)會(huì)應(yīng)用這種方法。在三重諧振OPO中，泵浦波、信號波和閑散波同時(shí)諧振。然而，這樣的設(shè)備操作起來很微妙。一個(gè)更簡單的選擇是制作腔內(nèi)泵浦OPO，其中非線性晶體放置在泵浦激光器的諧振腔內(nèi)，利用高腔內(nèi)功率。

泵浦光學(xué)參量振蕩器OPO

泵浦光學(xué)參量振蕩器基本上有三種不同的選擇：

• 對于連續(xù)波操作，可以用（可能是倍頻）連續(xù)波激光器泵浦OPO。單諧振 OPO的閾值泵浦功率相對較高——通常至少為幾瓦，有時(shí)低于 1 W。一些雙諧振OPO只需幾十毫瓦就可以連續(xù)泵浦。

• 大多數(shù)OPO是用來自Q 開關(guān)激光器的納秒脈沖泵浦的。在這種模式下，即使是單諧振OPO也很容易克服閾值。輸出脈沖通常比泵浦脈沖略短，因?yàn)閰?shù)振蕩開始時(shí)有一些延遲。輸出線寬通常相對較大，并且脈沖到脈沖的波動(dòng)很大，因?yàn)槊}沖OPO在脈沖期間通常沒有足夠的時(shí)間穩(wěn)定到穩(wěn)態(tài)，因此受噪聲的影響相對較大。

• 為了產(chǎn)生超短脈沖，可以用鎖模激光器同步泵浦OPO。對于同步泵浦，通常調(diào)整OPO諧振器的長度，使諧振器往返頻率與泵的脈沖重復(fù)率相匹配。（在極少數(shù)情況下，諧振器頻率是泵浦重復(fù)頻率的倍數(shù)或幾分之一。）在多次諧振器往返過程中，產(chǎn)生的脈沖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，噪聲可能相對較弱。的脈沖持續(xù)時(shí)間通常是可比的泵脈沖持續(xù)時(shí)間，但在某些條件下可以（顯著群速度失配) 明顯短于 [22]。由于典型鎖模激光器的低占空比，所需的平均泵浦功率可遠(yuǎn)低于 1 W。

在大多數(shù)情況下，OPO 的泵浦光要么直接來自一些近紅外激光器，要么來自倍頻器，產(chǎn)生例如綠光。在不太常見的情況下，OPO 是用紫外光或中紅外光泵浦的。

OPO 的類型

以下列表顯示有各種各樣的OPO：

• 連續(xù)波OPO通?；诟叨确蔷€性的晶體材料，例如周期性極化的LiNbO 3 或 KTP，例如使用 1-μm摻鐿激光器或倍頻固態(tài)激光器泵浦。 在單諧振OPO的情況下，即使泵浦源不是單頻，也可以進(jìn)行關(guān)于OPO輸出的單頻操作。

• 其他連續(xù)波OPO，尤其是那些用于非常高輸出功率的OPO，是腔內(nèi)泵浦的。然后將非線性晶體放置在通?；阝S的高功率激光器的激光諧振腔內(nèi)。

• 最典型的OPO是單諧振的，并由主動(dòng)調(diào)Q Nd:YAG 激光器泵浦。它們在近紅外或中紅外區(qū)域發(fā)射具有微焦耳或毫焦耳脈沖能量的納秒脈沖。為了在相對較長的波長下工作，有時(shí)會(huì)使用串聯(lián)OPO，其中第一個(gè)OPO將波長從 1-μm 轉(zhuǎn)換為 2-μm 區(qū)域，其輸出用于泵浦中紅外OPO（例如基于 ZGP ）。

• 典型的同步泵浦OPO使用皮秒或飛秒鎖模激光器作為泵浦源，例如 1 μm摻釹激光器或鈦藍(lán)寶石激光器。它們的平均泵浦功率在幾百毫瓦到幾瓦之間，脈沖重復(fù)頻率在 100 MHz 到 1 GHz 之間，功率轉(zhuǎn)換效率在 30% 到 50% 之間。

• 強(qiáng)超短脈沖可實(shí)現(xiàn)的高參數(shù)增益允許構(gòu)建光纖反饋OPO，其中OPO諧振器包含單模光纖。此類設(shè)備具有一些實(shí)際優(yōu)勢，例如對諧振器長度變化非常不敏感。

• 已經(jīng)證明了具有高于 80 GHz 的極高脈沖重復(fù)率的同步泵浦OPO。在這里，挑戰(zhàn)在于平均泵浦閾值功率與脈沖重復(fù)率呈線性關(guān)系，而當(dāng)還需要高重復(fù)率時(shí)，從被動(dòng)鎖模激光器中最難獲得高平均功率。因此，對于極高的重復(fù)率，需要一個(gè)MOPA泵浦源。

• 不太常見的是纖維OPO的基礎(chǔ)上，χ^（3）的光的非線性光纖而不是χ^（2）晶體。早期的光纖OPO通常具有接近信號和閑散波長的泵浦波長，主要用于電信應(yīng)用。使用具有特殊色散特性的光子晶體光纖，可以在非常寬的波長范圍內(nèi)獲得輸出。

OPO的應(yīng)用

OPO 的潛在應(yīng)用領(lǐng)域非常多樣化。一些例子是：

• 激光光譜和許多其他科學(xué)應(yīng)用可以從OPO覆蓋非常寬的光譜區(qū)域的能力中受益，并提供窄線寬和高功率的輸出。

• 一個(gè)常見的軍事應(yīng)用是在 3-5 微米區(qū)域產(chǎn)生寬帶高功率光，用于在熱尋導(dǎo)彈攻擊飛機(jī)時(shí)致盲。

• OPO 可以是高功率RGB 源的一部分，例如用于數(shù)字投影顯示。

商業(yè)實(shí)現(xiàn)的問題

盡管它們具有驚人的能力，正如多年來有趣的研究所證明的那樣，但迄今為止，光學(xué)參量振蕩器尚未在商業(yè)產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。下面簡要討論其中的一些原因：

• 參數(shù)振蕩器系統(tǒng)至少包含一些泵浦激光器和一個(gè)OPO，可能還有一個(gè)溫度穩(wěn)定的晶體爐，比純激光系統(tǒng)更復(fù)雜。

• 相位匹配的要求使得非線性轉(zhuǎn)換級的操作比例如激光增益介質(zhì)更精細(xì)，激光增益介質(zhì)通常更寬容，例如在晶體溫度方面。由于復(fù)雜性、開啟時(shí)間、散熱等原因，需要用于晶體的溫度穩(wěn)定爐的OPO對于許多應(yīng)用來說肯定不太有吸引力。

• 一些非線性晶體材料是吸濕的，其他的會(huì)受到灰度跟蹤（即增加寄生損耗），而有些則難以通過堅(jiān)固的抗反射涂層獲得（例如由于非各向同性的熱膨脹）。

• 最后，對非線性光學(xué)，尤其是參量放大物理學(xué)的詳細(xì)了解在激光行業(yè)中并不普遍。

Chromacity OPO光學(xué)參量振蕩器-寬帶近紅外光源

Chromacity Lasers公司是一家從事超快激光器的企業(yè)，位于英國愛丁堡。由英國在光子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的Heriot-Watt大學(xué)分拆而出，其科研團(tuán)隊(duì)有著超過40年的超快和光纖激光器經(jīng)驗(yàn)，已開發(fā)出從UV（400nm）到MIR（>6um）的波長可調(diào)諧飛秒激光器，廣泛應(yīng)用于熒光顯微、氣體光譜學(xué)、激光材料加工和半導(dǎo)體工程等科研和工業(yè)領(lǐng)域。

Chromacity OPO光學(xué)參量振蕩器

Chromacity OPO光學(xué)參量振蕩器采用了新一代的非線性晶體，可以在5μm–12μm區(qū)域（2000  cm-1–1000 cm-1）產(chǎn)生光。這兩個(gè)系統(tǒng)都由FSC系列1040  HP進(jìn)行光學(xué)泵浦，F(xiàn)SC系列1040 HP完全集成到光學(xué)頭中，以最大限度地提高穩(wěn)定性并減少總體占地面積。近紅外OPO產(chǎn)生的皮秒脈沖持續(xù)時(shí)間很少，不需要長時(shí)間的建立。我們的激光源不需要水冷，并配有簡單的用戶界面，使其成為最容易操作的激光源之一。對于光譜學(xué)應(yīng)用和CARS顯微鏡，往往需要調(diào)整到幾個(gè)特定的波長。在這些較長的紅外波長上產(chǎn)生光的能力是探測各種固體、液體和氣體的關(guān)鍵。能夠在3–4μm波長區(qū)域產(chǎn)生瞬時(shí)寬帶光有助于使用FTIR光譜等技術(shù)識別和量化大量碳?xì)浠衔?。?–12μm指紋區(qū)域也同樣如此，在該區(qū)域可以很容易地識別出更復(fù)雜的化學(xué)特征?？烧{(diào)諧性和高平均功率使光譜和傳感應(yīng)用范圍廣泛。

應(yīng)用

• 振動(dòng)光譜學(xué)

• FTIR/隔離技術(shù)

• 多組分氣體分析

• 電信/量子研究

• 材料特性

• 爆炸物探測

• 拉曼光譜

特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

• 緊湊型激光器外殼，帶有集成泵源

• 寬帶相干光束

• 直觀的web瀏覽器界面

Chromacity的產(chǎn)品已經(jīng)在世界各地幫助擴(kuò)展研究和工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用能力。該公司已經(jīng)推出了一些市場上最具創(chuàng)新性的激光光源，有助于推動(dòng)區(qū)域應(yīng)用如基礎(chǔ)研究，量子技術(shù)和環(huán)境傳感。在中國，武漢新特光電提供Chromacity產(chǎn)品的售前售中和售后全流程服務(wù)。憑借豐富的OPO，非線性光學(xué)和光纖傳輸專業(yè)知識，Chromacity能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的選擇，以幫助其在中國的客戶與不同行業(yè)合作伙伴的需求。