光学参量振荡课件.
第6讲光学参量振荡器
A2*(z) A2* 0 cosh 0z iA1 0 sinh 0z
行“矢量”A(z)和A(0) 系用矩 表示：
A1 ( z ) A2* ( z )
cosh 0z
i
sinh
0
z
i sinh 0z cosh 0z
A1 (0) A2* (0)
为方便起见，两个振荡光波分别叫信号波(Signal)和闲频波(Idler)。 信号光和闲频光同时在腔内振荡，称为双共振光参量振荡器(Doubly Resonant Oscillator)； 只有信号光或闲频光在腔内振荡，称为单共振光参量振荡器(Singly Resonant Oscillator)。
A (0,3 )
A A
(0, (0,
12
) )
(2)
A (L,3 ) A (0,3 ) A (L,1 ) A (L,2 )
Solve equations below for the above boundary conditions, i.e.
A(0,1 ) 0 and A(0,2 ) 0
计算入射端信号光和闲频光光电场都不为零情况下的参量放大
HR@s HR@i HR@p
Reflection
R1
Phase accumulation Phase accumulation
Reflection
R1'
L
-Similar to amplifier problem but in this case the steady-state condition means
A12 L A12 0
cosh2
0L
1
sinh2 0L
参量增益
光学参量振荡器的结构和原理
光学参量振荡器的结构和原理
光学参量振荡器（Optical Parametric Oscillator，简称OPO）是一种基于光学参量放大的非线性光学器件。
它通过非线性光学效应，在光学晶体中产生频率可调的相干光。
光学参量振荡器的结构一般包括一个非线性光学晶体、一个泵
浦光源、一个反射镜和一个输出耦合镜。
泵浦光源通常使用高功率
连续波激光器，产生泵浦光。
非线性光学晶体通常选择具有较大非
线性系数的晶体，如锂铌酸钽（LiNbO3）或铌酸锂（LiNbO3）等。
反射镜和输出耦合镜用于构建光学腔，实现光的反射和输出。
光学参量振荡器的工作原理基于三波混频过程：泵浦光和一个
光学参量信号光经过非线性晶体时，会产生一个频率可调的光学参
量波。
这个光学参量波的频率由泵浦光和信号光的频率差决定，可
以通过调节泵浦光的频率或改变信号光的频率来实现调谐。
在非线性晶体中，泵浦光和信号光经过相互作用，产生一个非
线性极化。
这个非线性极化会导致光学参量振荡的放大过程，从而
产生频率可调的光学参量波。
这个过程中，能量从泵浦光转移到光
学参量波，实现了光学参量放大和频率转换。
总结起来，光学参量振荡器的结构包括非线性光学晶体、泵浦光源、反射镜和输出耦合镜。
它的工作原理基于非线性光学效应，通过泵浦光和信号光的相互作用，在非线性晶体中产生频率可调的光学参量波。
这种器件在激光技术、光谱学、光学成像等领域具有广泛的应用。
光学参量振荡
光学参量振荡是一种基于参量放大器原理的光学现象。
它是利用非线性晶体中的非线性效应来将一个光束分裂成两个频率非常接近的新的光束，这两个光束之间的光频差固定为晶体厚度的一半。
这种光学现象不仅在实际应用中有着广泛的应用，而且在研究领域和基础理论研究中具有重要意义。
一、的基本原理是一种非线性光学过程，它的基本原理是利用参量放大器原理。
参量放大器即将两个输入泵浦光束在非线性晶体中叠加，通过频率转换将一个输入光束增强，另一个光束来自于晶体中的非线性过程而形成。
它的实现需要考虑非线性晶体的特性，光波的相位匹配和能量守恒等问题。
需要遵循两个频率关系:晶体中的振荡频率Ω为两个光子频率ω1和ω2之和或者差，Ω=ω1±ω2，其中“+”表示共振振荡，也称为正参量振荡，“-”表示反共振振荡，也称为反参量振荡。
通常情况下，Ω是仅存在于振荡的新光束之间的光频差，并且与晶体的长度和类型有关，通常为一个固定值。
二、的应用在实际应用中有着广泛的用途。
最常见的应用和特性的体现主要包括：1、光学测距。
在信号处理与通信领域，技术可以实现高精度的测距系统。
把两个处于同一波长的波分别当作参量振荡的信号光和本振光，通过衰减测量其相位差异，可以测量出两个光波的光程差。
2、高功率激光器的制作。
利用参量振荡技术可以制作出高功率的激光器，通过三波共振或反向参量振荡，可以达到高功率的输出，实现可调谐的激光输出。
3、光学频率混频。
还可以用于光学频率混频。
这里的频率混频实际上是两波光线的混合，得到具有与电路信号混频相同频率特性的光束，从而实现了从光学上的混频，扩展了其应用领域。
4、光学频率稳定。
利用参量振荡技术可以制作更加稳定的光源，晶体的斜度和温度等因素对光频差很敏感，因此可以通过调整这些因素使光频差固定，从而实现光学稳定。
三、的发展历程的历程可以追溯到20世纪50年代，当时科学家们首次发现了参量振荡的现象。
随着光学技术的发展，参量振荡技术也得到了极大的发展。
第四章 光参量放大和光参量振荡 dff
第四章 光参量放大与光参量振荡自从1961年Franken 等人首先观察到二次谐波产生后不久，1962年Kingston 等人在理论上预言了三波相互作用中存在参量增益的可能性。
1965年，Wang 和Resettle 首先观察到三波非线性相互作用过程中的参量增益。
同年，Goodman 和Miller 首次用3LiNbO 晶体制作成了第一台光参量振荡器，开辟了一套全新运转的光学参量振荡器；1970年，Smith 、Parker 和Amman 等人将参量振荡器置于激光谐振腔内，分别研制成了连续和脉冲内腔式光学参量振荡器；1971年，Yarborough 和Massey 研制成了无共振腔的光学参量振荡器。
光学参量振荡器的输出具有很高的单色性和方向性，它是将频率固定的相干辐射变成可调谐相干辐射的重要手段之一。
与激光器输出激光的波长是由相应的原子跃迁决定的不同，光学参量振荡器输出波长是由泵频光的频谱、空间分布、相位匹配条件决定的，是可以在较大范围内调谐。
由于光学参量振荡器可以提供从可见一直到红外的可调谐相干辐射，因此在光谱研究中具有广阔的应用前景。
3ω、2ω的光波产生差频132=-ωωω（），在此过程中，频率为2ω的光波不是减少而是随着差频1ω光的产生一起增加，或者说频率为2ω的光波被放大了，这种放大称为光学参量放大。
在参量放大中，一般把频率为3ω的光叫泵频光，频率为2ω的光叫信频光，频率为1ω的光叫闲频光，光学参量放大器（Optical Parametric Amplifier,简称为OPA ）就是指对信号光进行放大的器件。
与激光放大器增益是由原子、分子能级之间的粒子数反转提供的不同，光参量放大器的增益是由非线性介质中光波之间的相互作用产生的。
4．1.1光参量放大过程的普遍解光参量放大是和频产生的逆过程，它的一般理论与差频产生的理论相同，不同的是输入光的条件。
通常把参量放大看成是用单个泵浦光束来激发的过程，而把差频产生看成是用两个强度相近的泵浦光束来激发的过程。
光参量振荡
Abstract
The design and performance of an injection-seeded pulsed parametric oscillator ŽOPO. is described for efficient difference frequency generation ŽDFG. in AgGaSe2 and AgGaS2 crystals. A LiNbO3 OPO with unstable-resonator is injection-seeded by another LiNbO3 OPO of narrow linewidth having a grating in cavity. The resulting narrow bandwidth, low divergent signal and idler waves are mixed in AgGaSe2 and AgGaS2 crystals to produce difference-frequency tunable from 5 to 18 mm and 5 to 12 mm, respectively. The maximum DFG conversion efficiency with a 2-cm-long AgGaSe2 crystal obtained is 3.6% Ž16% quantum efficiency. at around 7.5 mm. q 1999 Elsevier Science B.V. All rights reserved.
15 November Ž1999.
Optics Communications 171 Ž1999. 171–176
rlocateroptcom
第四章 光参量放大和光参量振荡 dff
第四章 光参量放大与光参量振荡自从1961年Franken 等人首先观察到二次谐波产生后不久，1962年Kingston 等人在理论上预言了三波相互作用中存在参量增益的可能性。
1965年，Wang 和Resettle 首先观察到三波非线性相互作用过程中的参量增益。
同年，Goodman 和Miller 首次用3LiNbO 晶体制作成了第一台光参量振荡器，开辟了一套全新运转的光学参量振荡器；1970年，Smith 、Parker 和Amman 等人将参量振荡器置于激光谐振腔内，分别研制成了连续和脉冲内腔式光学参量振荡器；1971年，Yarborough 和Massey 研制成了无共振腔的光学参量振荡器。
光学参量振荡器的输出具有很高的单色性和方向性，它是将频率固定的相干辐射变成可调谐相干辐射的重要手段之一。
与激光器输出激光的波长是由相应的原子跃迁决定的不同，光学参量振荡器输出波长是由泵频光的频谱、空间分布、相位匹配条件决定的，是可以在较大范围内调谐。
由于光学参量振荡器可以提供从可见一直到红外的可调谐相干辐射，因此在光谱研究中具有广阔的应用前景。
3ω、2ω的光波产生差频132=-ωωω（），在此过程中，频率为2ω的光波不是减少而是随着差频1ω光的产生一起增加，或者说频率为2ω的光波被放大了，这种放大称为光学参量放大。
在参量放大中，一般把频率为3ω的光叫泵频光，频率为2ω的光叫信频光，频率为1ω的光叫闲频光，光学参量放大器（Optical Parametric Amplifier,简称为OPA ）就是指对信号光进行放大的器件。
与激光放大器增益是由原子、分子能级之间的粒子数反转提供的不同，光参量放大器的增益是由非线性介质中光波之间的相互作用产生的。
4．1.1光参量放大过程的普遍解光参量放大是和频产生的逆过程，它的一般理论与差频产生的理论相同，不同的是输入光的条件。
通常把参量放大看成是用单个泵浦光束来激发的过程，而把差频产生看成是用两个强度相近的泵浦光束来激发的过程。
光学参量振荡器OPO
OPO工作特点 工作特点
结构简单 调谐范围大，从红外到紫外， 调谐范围大，从红外到紫外，包括可见光 工作可靠 转换效率高 重复频率可以很高 可以实现小型化与全固化光参量振荡器。 可以实现小型化与全固化光参量振荡器。
பைடு நூலகம்
对非线性晶体的基本要求: 对非线性晶体的基本要求
A具有适当大小的有效非线性系数 具有适当大小的有效非线性系数; 具有适当大小的有效非线性系数 B在工作波段范围内有高的透明度 在工作波段范围内有高的透明度; 在工作波段范围内有高的透明度 C在工作波段范围内能实现有效的相位匹配 在工作波段范围内能实现有效的相位匹配; 在工作波段范围内能实现有效的相位匹配 D能够得到足够尺寸，光学均匀性较好，物化性 能够得到足够尺寸， 能够得到足够尺寸 光学均匀性较好， 能稳定和易于加工; 能稳定和易于加工 E有较高的损伤阂值 有较高的损伤阂值; 有较高的损伤阂值 F对温度的敏感低。 对温度的敏感低。 对温度的敏感低
随着激光技术发展到21世 随着激光技术发展到 世 纪，以非线性光学晶体的 二级非线性光学效应为基 础的光学参量振荡器已达 实用化阶段。 实用化阶段。
光参量振荡器的基本原理
光学参量振荡器(OPO)作为一种宽调谐相干光源，克服了 作为一种宽调谐相干光源， 光学参量振荡器 作为一种宽调谐相干光源 固体和气体激光器输出波长的局限性， 固体和气体激光器输出波长的局限性，能够产生从紫外到 远红外激光。 远红外激光。一束频率和强度比较高的激光束与一束频率 及强度较低得光束同时通过非线性介质， 及强度较低得光束同时通过非线性介质，结果是信号波获 得放大，同时还产生出第三束光波（称为空闲波）。 得放大，同时还产生出第三束光波（称为空闲波）。 空闲波得频率正好等于甭浦光波得频率。 空闲波得频率正好等于甭浦光波得频率。这个非线性光学 现象称为光学参量放大。 现象称为光学参量放大。如果把非线性介质放在光学共振 腔内，让泵浦光波、 腔内，让泵浦光波、信号光波及空闲光波多次往返通过非 线性介质， 线性介质，当信号光波和空闲光波由于参量放大得到的增 益大于它们在共振腔内的损耗时， 益大于它们在共振腔内的损耗时，便在共振腔内形成激光 振荡。这就是光学参量振荡器。 振荡。这就是光学参量振荡器。
光学参量振荡器
§3.3 光参量振荡器在在非线性二阶相互作用参量放大过程中，由于泵浦光与信号光在非线性介质中的相互作用，使信号光得以放大，同时空闲光也被产生和放大。
如果将非线性介质放在谐振中，并使这个谐振腔对信号光和闲频光共振，在参量放大的增益超过损耗时，信号光和闲频光同时产生振荡。
信号光和闲频光同时在谐振腔内共振的振荡器称双共振光参量振荡器(DRO)，仅对信号光或闲频光共振的光参量振荡器称单共振光参量振荡器(SRO)。
3.3.1 双共振OPO 产生的两个光场解相位匹配条件下0k ∆=，泵浦光场损耗很小条件下的耦合波方程为：*12()()dA z ig A z dz = (3.3.1-1) *21()()dA z igA z dz= (3.3.1-2) ()30g A κ= (3.3.1-3)在非线性介质的入射端处两个光电场为()100A ≠和()200A ≠。
简化成二阶其次微分方程：()22112()0d A z g A z dz-= (3.3.1-4) ()1A z 的通解为：()()()112cosh sinh A z D gz D gz =+ (3.3.1-5)由边界条件()()110,0z A z A ==，得()110D A = (3.3.1-6)由()()()*12*122()()0sinh cosh ()0dA z ig A z dzA g gz D g gz igA z z =+== ()*220D iA = (3.3.1-7)因此得：()()()()()*1120cosh 0sinh A z A gz iA gz =+ (3.3.1-8)同理可求得：()()()()()*2210cosh 0sinh A z A gz iA gz =+ (3.3.1-9)()2A z 的共轭形式为：()()()()()**2210cosh 0sinh A z A g z iA g z =- (3.3.1-10)3.3.2 光参量振荡器的自洽条件为清楚起见，将角频率为1ω信号光场和角频率为2ω的闲频光场在谐振腔内z 处用矩阵形式描述：()()()121*2ik z ik zA z e A z A z e-=(3.3.2-1)为简化公式推倒，我们将谐振腔处理成充满非线性介质，由在b 处的矩阵为 ()()()()1122cosh sinh sinh cosh ik L ik L b ik Lik Le gL ie gL A iegL e gL --=- (3.3.2-2)输出耦合镜M2对信号光和闲频光的复数反射率系数为1r 和2r ，矩阵为1*20c b r A A r =(3.3.2-3) 返程光束沿着z -方向信号光和闲频光没有增益1200ik L d c ik Le A A e -=(3.3.2-4)如果左侧高反镜M1的反射率与右侧输出耦合镜的反射率相等，则Reference planez=0M1图 1 信号光和闲频光在腔内往返传输图1*20e d r A A r =(3.3.2-5) e d c b a A A A A A ==e a A MA()()()()11122211**2200cosh sinh 000sinh cosh 0ik Lik L ik Lik L ik Lik L r r e gL ie gz e r r ie gz e gz e ---⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦M()()()()()()()()()()111222112211**222222112222**22cosh sinh 0sinh cosh 0cosh sinh sinh cosh ik L ik L ik Lik L ik L ik L ik L ik L ik L ik Le gL ie gz r re ie gz e gz r r e r e gL ir e gz i r e gz r e gz -----⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎢⎥=⎢⎥-⎣⎦M(3.3.2-6)由自洽条件要求=e a A A (3.3.2-7)或 =a a A MA (3.3.2-8)即 ()0=a M -I A ， (3.3.2-9)式中I 为单位矩阵。
精编第6讲 光学参量振荡器
n 2.24
d (2) eff
d15
5.95 pm
/V
I(0,3 ) 5MW/cm2 L 1cm
设 k=0 0
2 2deff n1n2n312c 0
I3 (0)
0.172deff (pm/V)
n1n2n31(μm)2 (μm)
I3 (0)(MW/cm2 )
计算入射端信号光和闲频光光电场都不为零情况下的参量放大
参量增益（Parametric Gain)
频率为3 的泵浦光 场不损耗， 耦合波方 程：
dA1(z) dz
i
A3
0
A2* ( z )
dA2
(
z
)
dz
i
A3
0
A1* ( z )
1
0 A3 0
that both the signal A (0,1 )and idler A (0,2 ) beam are effectively input into
the cavity. Solve problem with these two initial conditions
After interacting in forward pass with pump beam inside cavity
为方便起见，两个振荡光波分别叫信号波(Signal)和闲频波(Idler)。 信号光和闲频光同时在腔内振荡，称为双共振光参量振荡器(Doubly Resonant Oscillator)； 只有信号光或闲频光在腔内振荡，称为单共振光参量振荡器(Singly Resonant Oscillator)。
光学参量振荡：可调谐相干光产生技术
光学参量振荡：可调谐相干光产生技术
光学参量振荡（Optical Parametric Oscillator，简称OPO）是一种利用非线性光学效应产生可调谐相干光的技术。
它基于二阶非线性光学混频过程，利用一束高功率的泵浦光在非线性介质中激发出信号光和空闲光，从而实现光波长的转换和放大。
在光学参量振荡器中，非线性介质通常被放置在一个光学共振腔内，以便让泵浦光、信号光和空闲光多次往返通过介质，从而增强非线性效应。
当参量增益大于共振腔内的损耗时，便会在腔内形成激光振荡，产生稳定的输出。
由于参量振荡是在满足相位匹配的频率上发生的，因此可以通过改变泵浦光的波长或调整介质的非线性特性来实现输出波长的调谐。
光学参量振荡器具有许多优点，如输出波长连续可调、线宽窄、光束质量好等，因此在光谱学、激光雷达、光通信等领域有广泛的应用前景。
同时，它还可以与其他光学技术相结合，如光学参量放大、光学参量产生等，以实现更丰富的功能和应用。
总之，光学参量振荡是一种重要的非线性光学技术，它为产生可调谐相干光提供了一种有效的方法，为光学领域的发展和应用带来了更多的可能性。
光学参量振荡
相位匹配：信号光和泵浦光的相位匹配是产生新光的必要条件，可以通过调整晶体的角度和温度来实现。
输出光的特性：输出光具有新的频率、相位和偏振态，可以用于各种光学应用，如激光雷达、通信和生物成像等。
应用领域
激光器：用于产生高功率、高稳定性的激光
通信：用于高速、大容量的光纤通信系统
生物医学：用于生物成像、生物检测等领域
技术应用
激光器：用于产生高功率、高稳定性的光源
光通信：用于高速、大容量的光纤通信系统
生物医学：用于生物成像、诊断和治疗
国防科技：用于激光雷达、激光制导等军事应用
环境监测：用于大气、水质和土壤污染监测
01
02
03
04
05
3
光学参量振荡设备
设备类型
01
激光器：产生激光的装置，用于产生光学参量振荡所需的光源
光学参量振荡
目录
01
光学参量振荡原理
02
光学参量振荡技术
03
光学参量振荡设备
04
光学参量振荡市场
1
光学参量振荡原理
基本概念
光学参量振荡：一种非线性光学效应，通过相位匹配实现光波之间的相互作用
01
非线性光学效应：光波在介质中传播时，由于介质的非线性特性，导致光波频率、相位等参数发生变化
03
相位匹配：使光波在相互作用过程中保持相位一致，从而实现能量交换
随着技术的进步，光学参量振荡器在通信、医疗、科研等领域的应用将更加广泛。
随着市场需求的扩大，光学参量振荡器市场将更加细分，以满足不同领域的需求。
市场竞争
主要竞争对手：国内外知名光学参量振荡器制造商
市场份额：各厂商的市场份额分布
产品差异化：各厂商产品的特点和优势
第6讲 光学参量振荡器
A1 ( z) D1 cosh 0 z D2 sinh 0 z ; A2 ( z) F1 cosh 0 z F2 sinh 0 z
z 0
A1 0 ; A2 ( z )
z 0 * 2
A2 0 ; dA2 z dz
和A (0) 系用矩 表示： 行“矢量”A(z) A1 ( z ) cosh 0 z i sinh 0 z A1 (0) * A* ( z ) i sinh z 0 cosh 0 z A2 (0) 2
Solve equations below for the above boundary conditions, i.e.
计算入射端信号光和闲频光光电场都不为零情况下的参量放大
参量增益（Parametric Gain)
频率为3 的泵浦光 场不损耗， 耦合波方 程：
dA1 ( z ) * i A 0 A ( z) 3 2 dz dA2 ( z ) i A 0 A* ( z ) 3 1 dz
R1 R2e
i 2 k1 L1 2 k2 L2
sinh 0 z L
2
Signal and idler are both standing waves in cavity
双共振OPO 相位条件
2k1 L 1 2m m, n 整 2k2 L 2 2n
e ik1 L cosh 0 L ie ik1 L sinh 0 L ie ik2 L sinh L e ik2 L cosh L 0 0
经过非线性晶体的参量增益、相位累加
第十七章光参量放大、参量振荡
图17.5
由(17.2-12)式可以得到单共振振荡器的位相条件：
1 2k1l 2m
和阈值条件：
gtl 8 1 R1
把(17.2-25)式和(17.2-16)式相比较可得
(17.2-23) (17.2-25)
( gtl)sin gly resonant
2
(gtl)doubly resonant (1 R2 )
参量放大与差频过程的区别： 参量放大与差频过程类似，差别仅在于输入条件（差频过程的
输入光 1 和 3 通常为强度相近的泵浦光；参量放大一般是 使用单个强泵浦光 3 的激发过程）。
参量放大（振荡器）的应用： 参量放大（振荡器）可以提供从可见到红外的可调谐相干辐射 （正在取代染料激光器成为波长可调谐激光光源）。
当 P3 / (P3 )t 1 ，即泵浦功率远高于阈值时，参量振荡器
能够获得高转换效率。
图17.6参量振荡器的抽运和信号功率波形
17.4 参量振荡器中的频率调谐
参量振荡器的一个最大优点是能在很宽的频率范围内调谐。
振荡的信号频率 1 和空闲频率 2 必须同时满足:
位相匹配条件： 3n3 1n1 2n2
第十七章 光参量放大、参量振荡
17.1 参量放大的基本方程
在第十六章讨论了在非线性晶体中的三波相互作用，包括：
倍频（ 3 ） 和频（ 3 1 2） 差频（ 2 3 1）
本章讨论三波相互作用的另一种重要过程：
参量放大：2 3 1 输入光：弱信号光 1 ；强泵浦光 3 ； 输出光：被放大的信号光 1 ；空闲光 2 ；
图17.10
1 光子和 2 光子湮灭，同时产生 3 光子。
图17.11
上述差频及和频过程输入条件完全一致，究竟发生何种相互作 用？由动量守恒（相位匹配条件）决定。
第四节光参量振荡技术
考察 s
p
np
np
|0
s
ns
ns
s
|s0
s
ห้องสมุดไป่ตู้
i
ni
ni
i
|i0
i
s
p
np
|0
ns0ni0 s0 nss |s0 i0 nii |i0
p s i
☆光参量放大过程实质是产生差频光波的混 频过程。
i p s
s p i
➢实现光参量放大的条件
能量守恒条件 频率条件 动量守恒条件 波矢条件
p s i kp ks ki
相位匹配条件
➢光参量振荡器
把非线性晶体置于光学谐振腔内，当参量放大的增益 等于或大于腔内损耗加耦合损耗时，则可分别在信号 光频率和空闲光频率处得到持续的相干光振荡输出， 这就是光参量振荡器。
p p
s0 s0s i0 i0i
p s i
s i
此时的匹配条件为： p n p 0 n p s 0 s n s 0 n s i 0 s n i 0 n i
将上式展开，并略去 sns sni
s p n p s 0 n s i 0 n in s 0 n i 0
双谐光参量振荡器
——信号光和空闲光共同提供反馈。
单谐光参量振荡器
——仅靠信号光或空闲光单独提供反馈。
7.3.2 光参量振荡器的增益
☆光参量振荡器的运转条件：单程增益大于损耗
在激光器中，增益是由原子或分子能级间粒子数 反转提供的；而光参量振荡的增益是由光波在非 线性晶体中的能量耦合作用提供的。
假设互作用的三种频率的光波都是均匀单色平面波：
co 2 L s s hi2 n L h 1
演示文稿光学参量过程
光学参量振荡器与激光振荡器
相同点：两者都可产生相干的光输出；
不同点：光学参量振荡器内的增益是由非线性效应产生，并非由
粒子数反转产生，而且增益是单向的，当信号光和闲频光经腔镜 反射回来通过晶体时将得不到增强反而要受到损失。
下面分别讨论上面提到的两种光学参量振荡器。
第十四页，共30页。
第十二页，共30页。
光学参量振荡的研究始于1961年，1965年用铌酸锂晶体作参 量转换介质获得了激光输出。
现已制成从紫外到近红外的连续调频光源，并可能延伸到 波长大于100微米的远红外波段，填补了传统光源在这一区
域的空白。由于以上特性，光学参量振荡器在光谱学、半导 体研究以及光化学等方面有着重要的应用。
第九页，共30页。
在参量放大过程中，泵浦光的能量转变成信号光ω1及闲频光
ω2的能量，为了使能量转换效率提高，可以把参量放大器置于一
谐振腔内，让ω1光或ω1和ω2光同时在腔内产生谐振。当泵浦光ω3 的能量超过某一阈值时，非线性相互作用的增益超过腔内损耗 。ω1光或ω1和ω2光同时会在腔内建立起振荡，极类似于激光器 的情况。振荡的阈值对应于参量增益与ω1、ω2光在腔内能量损 耗相平衡时泵浦光的光强。这样的器件称之为光学参量振荡 器（OPO）。
二、光学参量振荡器
1. 双共振参量振荡器
图3.3.6是双共振参量振荡器原理图，其中三束光是共线的。
第十五页，共30页。
下面推导光学参量振荡的阈值方程。设晶体长为 L ，两端面
形成谐振腔。两反射镜的曲率相等，信号光ω1和闲频光ω2的反
射系数分别为 r1 和 r2，则反射率分别为
和R1 r1 2
，并R设2 晶体r2对2 泵浦光ω3是完全透明的，如图3.3.7所示。
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产生原理 仅对信号光放大的器件
光学参量振荡的互作用方式
单共振光学参量振荡器：光学参量振荡器对信号频率 或空闲频率其中一个频率共振。
图5.1
单谐振光学参量振荡器
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单共振光学参量振荡器
单谐振光学参量振荡器的反射镜与腔体 的设计容易、转换效率较好，泵浦光通过 非线性晶体，所产生的信号光与空闲光就 会在泵浦光的方向得到增强，输出比较稳 定，但是阈值较高，只能用脉冲激光器做 泵浦源。
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对BBO晶体采用Ⅰ类相位匹配，晶体尺寸为7.5x9.5xl4mm， 切割角为θ =28o。
M2、M3：谐振腔；M1：耦合镜；M4、M5：双色镜。
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光学参量振荡器种类
运转 脉冲、连续
工作方式 单模、多模 泵浦源
固体、气体、染料、准分子、半导体、光纤等激光器以 及二极管直接泵浦
E
的光学参量振荡器。
研制了无共振腔的光学参量振荡器。
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光学参量振荡器基本原理
把非线性介质放在光学共振腔内，让泵浦 光波、信号光波及空闲光波多次往返通过非 线性介质，当信号光波和空闲光波由于参量 放大得到的增益大于它们在共振腔内的损耗 时，便在共振腔内形成激光振荡，这就是光 学参量振荡器。
C
1968年Smith及Byer研制 振荡器。
D
成功了连续运转的光参量
1970年Smith和Parker及Ammann等人将
光学参量振荡器置于激光器谐振腔内，分 别研制成功了连续和脉冲的内腔式光学参 量振荡器；1971年Yarboraugh和Massey
在70年代中期由Chromatix 公司生产了第一台商品化
输出激光 长脉冲，几个纳秒到皮秒，甚至进入飞秒量级 脉冲宽度 共振 腔型 单共振、双共振 从直腔发展为三镜、四镜、多镜折叠环形腔结构
相位匹配 Ⅰ类：临界匹配；Ⅱ类非临界匹配
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光学参量放大器与光参量振荡器的比较
光参量放大器
定义
一束强泵浦光 和一束弱的信 号光 一起入射非线性晶体， 弱的信号光 被放大，同时产 生一束新光波 ，使 成立。
光学参量振荡
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目录
01 02
光学参量振荡器的发展 光学参量振荡器的原理 光学参量振荡的互作用方式 光学参量振荡器的应用 展望
03
04
05
Page 2
光学参量振荡器的发展
A
1961年 Franken在光波段观察到 二次谐波，实验标志着对非线性 光学领域深入研究的开始。
B
1965 年Wang和Racette首次在实验上观察到了三波非线性过程 中的参量增益，同年 Giordmaine 和Miller成功实现了参量振荡， 他们所用的非线性材料是铌酸锂，由调Q激光器的倍频530nm光 泵浦。之后不久，俄罗斯莫斯科国立大学的Akhmanov演示了 KDP光参量振荡器由调Q钕玻璃激光器泵浦，调谐范围 957.5nm 到 1177.5nm。
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总结：
单共振光参量振荡器因为只有信号波或者是空闲波 腔内振荡，没有不同波长的激光模式竞争，因而功率 和输出的稳定性好于双共振光参量振荡，成为光学参 量振荡器普遍采用的工作方式，而且单共振光参量振 荡器阈值比双共振光参量振荡高。 泵浦光除了采用单程泵浦和双程泵浦外，还 可以采用环形腔结构。环形腔光学参量振荡器能更进 一步降低激光阈值，提高转化效率。
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双共振光学参量振荡器：光学参量振荡器同时对信号 频率和空闲频率共振。
图5.3 双谐振光学参量振荡器
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双共振光学参量振荡器
在双谐振条件下，信号光和空闲光同 时在光学腔内谐振，因而明显降低了阈值。 但是此腔型受腔长、温度及机械原因的影 响很大；而且输出光的振幅和频率不稳定， 使输出激光的稳定性很差。可用连续和脉 冲激光去作为泵浦源，双谐振振荡器结构 多用于连续光学参量振荡器系统。
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实现人眼安全激光的途径比较
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1.57µm人眼安全激光
M1：1.06µm全反射；M2：1.06µm增透，在1.57µm全反；M3： 1.06µm全反，1.57µm部分透过；Nd:YAG激光棒：两通光面镀 1.06µm增透膜；KTP：两通光面镀1.06µm和1.57µm增透膜；调Q 片：Cr：YAG晶体；能量计测得输出光的能量。
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• 1.57µm人眼安全光学参量振荡器是将Nd:YAG激光器 对人眼不安全的1.06µm激光波长通过参量变换转换 到1.57µm波长。 • 1.57µm激光对人眼的允许曝光量是1.06µmNd:YAG激 光的40倍，也较其他人眼安全波长激光更为安全。 • 1.57µm人眼安全波长阈值低、转换效率高，高重复 频率等特点,而且体积小，重量轻,可靠性高，容易 获得较大输出能量，能满足军事上要求。
3
1 1 2
光参量振荡器
将非线性晶体放入谐振腔中， 一束泵浦光 入射，同时产生 两束新光波 和 ， 成 立（相应的谐振腔和晶体统称 为光学参量振荡器）。
3
1 2
3
1
2
3
1
2
作用范围
是将弱信号光通过泵浦光放 大输出的过程，其实质是一 个差频产生的三波混频过程
通过参量散射或荧光引起的噪 声光子的放大产生的。不需要 输入信号光，只要用泵浦光照 射非线性光学晶体。 利用非线性晶体混频特性来实 现频率变换的器件（其中有一 个或两个光波具有振荡特性）
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光学参量振荡器的应用
人眼安全问题的解决有两个途径： 其一，是控制激光器输出的辐照量，对于任何波长 的激光器，只要其输出不超过最大允许照量，就可以保 证人眼的安全 ,但必然要以牺牲激光器的作用距离为代 价。 其二，就是选择人眼安全波长。上世纪80年代中期 至今，1.54µm-1.57µm人眼安全激光技术得到了迅速地 发展。 实现人眼安全激光的途径主要有三种：受激喇曼频移、 光参量振荡、新材料固体激光技术。
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• 基态电子吸收一个光子后跃迁到最高虚能级。 该电子通过双光子辐射过程而回到基态。存 在的 2 场增强了这一过程的发生。事实上， 即使不存在 2 激光，这一双光子辐射过程还 是能发生的（通过自发辐射过程），只不过 此时产生的场要弱得多。 • 将非线性晶体放在一个谐振腔中，利用差频 产生，就构成了能将场放大的光学参量振荡 器。