光学参量振荡器的生产技术
中红外铌酸锂晶体光参量振荡器近年进展
体激光 源达 到 Ｃ Ｓ Ｏ阂值 ，获得 前所未有 的功率 Ｗ Ｒ
水平和转换效率 。 南京 大 学较 早 开展 光 学超 晶格材 料 ＰＬ Ｐ Ｎ、 ＰＩ ＰＪ Ｔ的研 究 ，也 开 展 了 Ｐ Ｌ Ｐ Ｎ准 相 位 匹 配用 于倍 频 、Ｏ Ｏ方 面的研 究工作 。２ ０ Ｐ ０ ３年 ，中国科 学院物
氧化镁周 期极化铌 酸锂 ｆ ｇ ：Ｐ Ｎ Ｍ ＯＰ Ｌ ）晶体 ，实现 了
温度调谐准相 位匹配参量 光的输 出。当晶体温度在
４ ～ ８ Ｃ 间 变 化 时 ，输 出 的 波 长 调 谐 范 围为 ０ １０ ｏ 之
ＰＬ Ｐ Ｎ光参量发生器输出功率为 ４ ２ｍ ５ Ｗ，达到 内部
转 化效率为 ６ ． ２ ％，斜率效率 ７ ．％ 。 ７ ５６ ２０ ０ ２年 ，Ｖ ｎＨ ｒｅ ａ ｅｐｎ使用 环 形 腔结 构 实 现 了
第２ 卷 ８
第３ 期
Ｖｏ． Ｎｏ３ １ ２８ ．
２０ ０６年 ，天津大学报道 了高转化效率 、低 阈值 高重 频 Ｐ Ｉ 光参 量 发 生器 ．声 光 调 Ｑ １０ ４ｎ Ｐ ６ ｍ Ｎ ：Ａ ｄ Ｇ激光器泵浦 ，当泵 浦源功率 为 ８ ８ｍ 时 ， Ｙ ４ Ｗ
的声光 调 Ｑ １ ６ ／ ｄＹ Ｇ准连续激 光泵浦 ，掺 ． ４ｘ Ｎ ：Ａ ０ ｍ
理 所 林 学春 采 用 主 动调 Ｑ 的全 固态 Ｎ ：Ｖ 光 ｄＹ Ｏ 激
器 ，为 １ ６ ｘ ． ４／ ０ ｍ的准连 续激光 抽运 （ Ｐ Ｎ）晶体 ， ＰＬ 激 光波 长调谐 范 围为 ２ ０ ４ ５／ ． ～． ｚ ９ ０ ｍ，最 高输 出功 率
为 ２ ６ｍＷＰ ７ ］
２０ ０４年 ，中科 院 物 理 所 使 用 Ｌ Ｄ泵 浦 的调 Ｑ
纳秒光参量振荡器
纳秒光参量振荡器随着科技的不断发展，光电子技术在各个领域中的应用越来越广泛。
其中，光参量振荡器作为一种新型的光学器件，其在通信、测量、医学等领域中都有着重要的应用。
本文将介绍光参量振荡器的原理、特点、应用及发展前景。
一、光参量振荡器的原理光参量振荡器（Optical Parametric Oscillator，简称OPO）是一种基于非线性光学效应的光学器件。
其基本原理是通过将激光束分为两束，一束为泵浦光，另一束为信号光，经过非线性晶体的作用，产生了一个频率为差频的新光束，称为振荡光。
其中，泵浦光的能量转移到了振荡光上，而信号光则被放大或产生了新的频率。
图1 光参量振荡器的基本原理光参量振荡器主要由非线性晶体、反射镜、光学稳频器、泵浦光源等组成。
其中，非线性晶体是产生振荡光的关键部件，其材料和结构决定了振荡光的频率范围和功率输出。
反射镜则用于反射和调节振荡光的光路，光学稳频器则用于稳定振荡光的频率和功率输出。
泵浦光源则为光参量振荡器提供能量。
二、光参量振荡器的特点1、宽频率调谐范围由于光参量振荡器采用非线性光学效应产生振荡光，其频率调谐范围非常大，可以覆盖从红外到紫外的光谱范围。
同时，通过调节泵浦光的频率和功率，可以实现对振荡光频率和功率的精确控制。
2、高功率输出在非线性晶体的作用下，光参量振荡器可以产生高功率的振荡光。
同时，由于振荡光的频率是差频，因此其能量分布比较均匀，不会出现像激光器那样的高斯光束。
3、光谱纯度高光参量振荡器产生的振荡光具有很高的光谱纯度，可以用于精密光谱分析和光谱测量等领域。
同时，其频率调谐范围广，可以实现对光谱的精确控制。
4、应用广泛光参量振荡器在光通信、光学测量、医学成像等领域中都有着广泛的应用。
例如，在光通信中，光参量振荡器可以用于产生高速、低噪声的光信号，提高通信信号的传输速率和可靠性。
在医学成像中，光参量振荡器可以用于产生高能量、高光谱纯度的激光光束，用于显微成像和组织切割等操作。
光学参量振荡器特点与应用总结
光学参量振荡器特点与应用总结OS 4500光学参量振荡器是一个紧凑的、集多功能于一身的连续激光光源，结合了优异的光谱特性与超宽调谐范围。
具有单频运行、窄线宽、低噪声及优异光束质量等特点，使其能理想地用于高分辨光谱学及其它红外光谱区需要精密计量的诸多应用。
OS 4500光学参量振荡器配备了一个集成泵浦激光器以及电路稳定控制。
通过非线性晶体(掺铌酸锂氧化镁)的周期性极化转换输出信号光(1.38 - 2.00 μm)与闲频光(2.28 - 4.67 μm)。
晶体内置于光学谐振腔内实现光学参量振荡，腔内标准具(ICE)确保稳定的单频运行输出。
信号光和闲置光辐射是通过在单晶体上整合多个极化周期而实现的。
无需更换任何光学组件，系统便可以调谐到所需要的频率输出。
通过以下几个层次实现调谐：1.粗调谐，通过手动改变非线性晶体的横向位置以选择合适的光栅2.温度调谐，在同一个光栅内找到所需的波长3.标准具调谐，在光参量振荡器的增益带宽内，选择理想的谐振辐射腔体模式4.无跳模连续调谐，通过改变泵浦激光器的频率实现典型参数可选项高泵浦功率选项OS 4500标配一个1.2W的泵浦激光器。
可为其选配一个2W的泵浦激光器，对应的输出功率可提高近50%。
激光振镜扫描选项用于选择共振波（包括信号光和闲频光）频率的标准具的倾角，通常通过其对应的精密旋钮进行手动调节。
此外，光参量振荡器还可以配置激光振镜扫描使用模拟信号输入进行电动调节标准具的角度。
典型应用l 计量学PE cw-OPOs结合钛宝石飞秒激光光学频率梳使用提供可见光和中红外光波段间的相位相干桥，并首次在1064nm Nd:YAG激光器和3.39um光频标准之间实现直接光频比对。
FIG. 1: OPO-comb tandem as a bidirectional coherent link between IR and visible spectral ranges.FIG. 2 Scheme of phase locking of the OPO output frequencies and a Ti:Sapphire femtosecond laser comb to a He–Ne/CH4 frequency standard.【E.V. Kovalchuk et al., Opt. Lett. 30, 3141 (2005)】cw-OPO当被稳定到频率标准上可从近红外到中红外波段输出超稳定的辐射频率，它也可能开启分子光谱学一个新的前景。
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。
全固态高光束质量中红外ZnGeP2光参量振荡器
全固态高光束质量中红外ZnGeP2光参量振荡器汇报人：2023-11-20•引言•ZnGeP2光参量振荡器工作原理•全固态ZnGeP2光参量振荡器设计与目录实现•实验结果与讨论•应用前景与未来发展引言01发展历程自20世纪60年代发现光参量效应以来，光参量振荡器经历了从液体到固体的发展历程，不断提高着输出光束质量和调谐范围。
定义与原理光参量振荡器是一种利用非线性晶体中的光学效应，通过调节泵浦光源的波长和角度等参数，实现非线性频率转换，并产生可调谐激光输出的器件。
应用领域光参量振荡器在光谱学、光学频率合成、气体检测、医疗诊断等领域有着广泛的应用前景。
光参量振荡器概述ZnGeP2是一种具有优异非线性光学性质的晶体，属于黄铜矿结构，具有高的非线性系数和宽的透明范围。
晶体结构ZnGeP2晶体在中红外波段具有显著的非线性效应，能够实现高效的光学频率转换，适用于中红外光参量振荡器的实现。
非线性效应ZnGeP2晶体具有高的化学稳定性和热稳定性，能够保证光参量振荡器的长期稳定运行。
稳定性与可靠性ZnGeP2材料特性高光束质量的定义高光束质量指的是激光输出光束的亮度、发散角、光束截面形状等参数优异，接近衍射极限的理想光束。
优点与意义高光束质量的激光输出具有更高的功率密度和更远的传输距离，有利于提高光参量振荡器的转换效率和输出稳定性。
同时，全固态结构具有紧凑、可靠、易于集成等优点，能够满足现代激光应用对小型化和高可靠性的需求。
因此，全固态高光束质量中红外ZnGeP2光参量振荡器在科研、工业、医疗等领域具有广泛的应用前景。
在未来的发展中，进一步提高光束质量和调谐范围，实现更高效、更稳定的光参量振荡器将是研究的重要方向。
全固态高光束质量的重要性ZnGeP2光参量振荡器工作原理02光参量振荡器是基于非线性光学效应工作的，其核心是非线性晶体，能够通过光与物质的相互作用产生新的光频。
非线性光学效应在光参量过程中，一个高频光子转化为两个低频光子，实现光的频率下转换，同时伴随着能量的有效转换。
中红外KTA 光学参量振荡器的输出特性
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2021年第12期·7·文章编号：2095－6835（2021）12－0007－02中红外KTA 光学参量振荡器的输出特性＊买日哈巴·阿巴白克，王书童，塔西买提·玉苏甫（新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆乌鲁木齐830054）摘要：采用1064nm Nd:YAG 纳秒激光器来泵浦Ⅱ类非临界相位匹配（NCPM ）的KTiOA s O 4（KTA ）光学参量振荡器（OPO ）同时实现高能量、高效率的中红外激光输出。
当泵浦光源能量为20mJ 时，获得1.44mJ 的1.535µm 和0.95mJ 的3.468µm 激光输出，对应的斜效率为12.2%和6.3%。
关键词：非线性光学；光学参量振荡器；近红外与中红外激光；输出特性中图分类号：O437.4文献标志码：A DOI ：10.15913/ki.kjycx.2021.12.0031引言1.5～1.6µm 波段是人眼安全区域。
该波段的光在水分子吸收带内，在生物学、激光雷达、遥感、激光雷达以及目标识别等领域具有重要应用。
目前用来实现1.5～1.6µm 波段的有效方法可分为掺铒激光器、拉曼激光器和光学参量振荡器（OPO ）[1-3]三种。
3～5μm 波段的光属于大气红外窗口，在大气传输时具有透射率最强、衰减最小、对烟尘和大雾穿透能力最强、分子吸收峰最多的特点，使其在分子光谱学、有机材料处理、环境探测和医疗[4-6]等领域有较大的贡献。
此外，在3.4µm 波长附近的激光涵盖了水分子吸收峰和很多CH 2等工业排放污染气体的分子振动吸收峰，该波段的激光在大气中传输时受工业排放污染气体的分子振动吸收影响而削弱，通过激光削弱的程度可以判断排放污染气体的浓度，使得在环保、痕量气体分析、气候监测等领域中很重要的应用[7]。
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。
光学参量振荡器(OPO)的研究
ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｒａｄｉａｎｔ ｓｏｕｔｒｃｅ，ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｄｏｍａｉｎ．ｓｕｃｈ ａｓ ｌａｓｅｒ
ｒａｎｇｈｌｇ＇ｍｅｄｉｃａｌ ｄｉａｇｎｏｓｅ ａｎｄ ｔｈｅｒａｐｙ，ｅｔｃ．ｗｉｔｈ ｓｅｖｅｒａｌ ｄｅｃａｄｅｓ’ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｉｔ ｂｅｃｏｍｅｓ
ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｇａｉｎｓｔ ａｒｉｓｅｎ
ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｗｏｒｋｉｎｇ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ（ＯＦ０１ ｐｕｍｐｉｎｇ ｓｏｕｒｃｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
ａｎｇｌｅ－ｔｕｎｉｎｇ
利用周期性极化技术实现准相位匹配条件下参量振荡首先是在ＬｉＮｂ０３晶体上实现 的，简称ＰＰＬＮ技术，该技术具有操作简单、高增益、低损耗等优点，还由于其高度 非线性和群速色散可以实现光脉冲压缩。所以是近一段时期争相研究的热点，着重解 决的问题是：大通光孔径技术，新型光学超晶格材料的研制，光学超晶格ＯＰＯ的多种 调谐方式，发展紫外和长波波段的光学超晶格ＯＰＯ以及必短脉冲输出。 ３新型参振晶体的研制
长春理工大学 硕士学位论文 光学参量振荡器（OPO）的研究 姓名：段利红 申请学位级别：硕士 专业：光学 指导教师：丁蕴丰
20080401
摘要
利用光参量振荡器（ＯＰＯ）获得宽带可调谐、高相干的辐射光源，在激光测距、医 学诊断和治疗等领域已显示出越来越广泛的应用前景。经过几十年的发展已成为可调 谐激光技术的主流，是实现可调谐激光输出的有效技术手段。
ａｎｄ ｃｕｔ廿ｎｇ ａｎｄｅ
ｏｆｔ ｈｅ ＫＴＰ ｗａｓ ｆｍａｌｌｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ私１．０９一１．２２／ｚｍ ａｎｄ ７２．５。．ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ
光纤激光泵浦中红外光谱调控光学参量振荡器
外波长的产生和转换。
03
光谱可调谐滤波器
通过改变滤波器的参数实现中红外光谱的调谐和滤波，适用于高分辨率
光谱分析和检测。
光学参量振荡器的原理与应用
光学参量振荡器的原理
利用非线性晶体中的光学参量振荡效应，在强泵浦光作用下产生中红外波长的光，通过改变泵浦光的 波长或强度实现中红外波长的调谐。
应用
光学参量振荡器在光谱学、光学频率计量、光学通信、环境监测等领域具有广泛的应用价值。例如， 在中红外光谱学中，利用光学参量振荡器可以获得高分辨率、高信噪比的光谱数据；在光学频率计量 中，可以利用光学参量振荡器实现高精度、高稳定度的光学频率测量。
02
光纤激光泵浦系统
光纤激光泵浦技术
光纤激光泵浦技术的原理
基于光纤激光器，将一束光注入光纤，通过激光内部的粒子数反转产生光放大 ，从而实现激光泵浦。
光纤激光泵浦的优势
具有高效率、高亮度、高可靠性等优点，以及易于实现紧凑、模块化和可靠的 光纤系统集成。
泵浦源的选择与优化
泵浦源的选择
根据应用需求，选择合适的光纤 激光器作为泵浦源，考虑输出功 率、波长、光束质量等因素。
泵浦源优化
通过对泵浦源的参数进行优化， 提高泵浦光的转换效率，实现更 好的光谱调控效果。
光纤激光泵浦的应用场景
01
02
03
激光雷达
利用光纤激光泵浦技术实 现激光雷达的发射端，提 高探测距离和分辨率。
光学参量振荡器
利用光纤激光泵浦技术实 现光学参量振荡器的种子 源，调控中红外光谱的输 出。
光学通信
发展
未来，光纤激光泵浦中红外光谱调控光学参量振荡器将 会得到更广泛的应用和发展。在技术方面，将会出现更 多新的技术和方法，如新型的光纤激光泵浦技术、新型 的光学参量振荡技术等。在应用方面，其将会进一步拓 展到新的领域，如生物医学、安全防御等。同时，随着 人工智能、大数据等技术的不断发展，光纤激光泵浦中 红外光谱调控光学参量振荡器将会实现更加智能化、自 动化的控制和管理。
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。
光学参量过程和非参量过程
光学参量过程和非参量过程光学参量过程和非参量过程是光学中常用的两种重要现象。
它们在光学领域的研究和应用中具有重要意义。
本文将对光学参量过程和非参量过程进行详细介绍和解析。
光学参量过程是指在光学系统中，通过光学非线性效应产生的参量波的过程。
光学参量过程的基本原理是利用非线性材料的光学特性，在光学场中产生参量波。
光学参量过程包括参量放大、参量振荡和参量混频等过程。
参量放大是光学参量过程的一种重要形式。
在参量放大过程中，通过控制驱动光的功率和频率，可以实现对参量波的放大。
参量放大器通常由非线性晶体和泵浦光源组成。
泵浦光源通过激发非线性晶体中的参量波，使其发生放大。
参量放大在激光器、通信系统和光学测量中有着广泛的应用。
参量振荡是光学参量过程的另一种重要形式。
在参量振荡过程中，通过非线性晶体和光学腔的耦合作用，可以产生参量波的连续振荡。
参量振荡器具有宽带调谐、高效率和低噪声等优点，广泛应用于光通信、光频谱分析和光学显微镜等领域。
参量混频是光学参量过程的另一种重要形式。
在参量混频过程中，两个不同频率的参量波在非线性晶体中发生相互作用，产生新的频率波。
参量混频可以实现对光的频率调制和波长转换。
它在光通信、光频谱分析和光学成像等领域具有重要应用。
与光学参量过程相对应的是非参量过程。
非参量过程是指光学系统中不涉及参量波的过程。
非参量过程的特点是不需要驱动光，只需通过光学系统中的线性元件即可实现。
非参量过程包括自发参量散射和自发参量混频等过程。
自发参量散射是非参量过程的一种重要形式。
在自发参量散射过程中，光在非线性晶体中发生散射，产生新的频率波。
自发参量散射具有宽带调谐、高转换效率和低噪声等优点，广泛应用于光通信和光学测量领域。
自发参量混频是非参量过程的另一种重要形式。
在自发参量混频过程中，光在非线性晶体中发生相互作用，产生新的频率波。
自发参量混频可以实现对光的频率转换和波长转换。
它在光通信、光频谱分析和光学成像等领域具有重要应用。
光学参数振荡器的介绍
光学参数振荡器的介绍
光学参数振荡器是一种利用光学参量放大效应制成的光振荡器。
它可以将一个频率的激光转换为信号和空闲频率的相干输出，具有连续可调的特性，可广泛应用于各种光学频率范围，例如紫外、可见和红外波段。
在光学参数振荡器中，一束频率和强度比较高的激光束与一束频率及强度较低的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）。
空闲波的频率正好等于泵浦光波的频率。
如果将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。
这就是光学参数振荡器的基本原理。
光学参数振荡器的优点在于其宽调谐范围和连续可调的特性，使其成为产生大范围连续可调波长（从紫外到远红外）激光的唯一方法。
它被广泛应用于光谱学、生物医学、化学分析等领域。
第四节光参量振荡技术
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☆光参量放大过程实质是产生差频光波的混 频过程。
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➢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
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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。
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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：
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Ar +激光器泵浦的连续光学参量振荡器的理论设计
・ 激光器 技术 ・
Ａ＋ ｒ 激光 器 泵浦 的连续 光 学参 量振 荡器 的理论 设 计
邴丕彬 丁春 峰 姚建 铨 ， ， ， 郑 义 ， 忠洋 王冠 军 。李 ，
（． １ 郑州大学河南省激光与光 电信息技术重点实验室 ， 河南 郑州 ４０ ５ ； ５０ ２ ２ 天津大学 激光与光电子研究所 ， ． 天津 ３０ ７ ；． ００ ２ ３ 北京交通 大学理学院 ， 京 １０４ 北 ０ ０４）
摘
要 ： Ａ 激光器 产生的 ５４５ ｍ 的连续 光泵浦 Ｋ Ｐ晶体 的光学参量振 荡器 （ Ｗ — Ｔ 对 ｒ １．ｎ Ｔ Ｃ Ｋ Ｐ—
Ｏ Ｏ 做了 Ｐ） 理论分析， 讨论 了Ｋ Ｐ晶体采用 Ｉ类临界相位 匹配（ Ｐ 时的角度调谐 曲线、 Ｔ Ｉ Ｃ Ｍ） 有效
非 线性系数 以及走 离角 ， 针对所 设计 的条件 计算 了 Ｋ Ｐ晶体 的泵浦 阈值 。合理 设 计腔 内各 并 Ｔ 个器件 的参 数 ， 最终 确定 晶体切 割角度 为 ０ ７ ， ＝ 。此 时可 以产 生 中心 波长 为 １５ ｍ 的 ＝６ 。 ０， ．５
ｓｒ ｔ １ ． ｎ ａ ｎｌｚｄ Ｉ ｗ ｓｄｓｕｓｄｔａ ｔ ｎ ｅｔ ｉｇｃｒｅ ｔｅｅ ｅｔ ｅｎｎｉｅｒｃｅ ｃ ｎ ｎ ｅ ４ ５ ｍ ｗ ｓａａ ｅ ．ｔ ａ ｉ ｓ ｈｔ ｈ ａ ｇ — ｎｎ ｕｖ ， ｆ ｃｖ ｏｌ ａ ｏｆ ｉ ｔａｄ ａ５ ｙ ｃ ｅ ｅ ｌ ｕ ｈ ｆ ｉ ｎ ｆｅ ｉ
ｃｕｔ ｎ ｅ ｔｉｃｎｉｏ． ｈ ａａ ｔｒ ｆｈ ｐａａ ｓＷ ｅ ｅｉｎｄ ｔｅｃｔｎ ｎ ｅｏ Ｉ ｒｓ ａ ｏｎｅ ｕｄ ｒｈｓ ｏｄｔ ｎＴ ｅ ｒ ｅ ｅａｐｒｔ ａ ｗ ｌｄｓ ｅ ， ｕｔ ｇａ ｇ ｆ Ｐ ｃ ｔ Ｗ ｄ ｉ ｐ ｍｅ ｏ ｔ ｕ ｓ ｌ ｇ ｈ ｉ ｌ Ｋ ｙ ａ ｓ ｌ
关于光学参量振荡器OPO的研究
关于光学参量振荡器OPO的研究目录中英文摘要………………………………………………02)一、引言……………………………………………………03)二、光学参量振荡器原理………………………………04)三、光学参量振荡器的理论研究………………………08)四、 1.06μm Nd:YAG激光器的静态和动态输出特性…16)五、 1.57μm 人眼安全光学参量振荡器的研究………18)六、全文总结………………………………………………25)七、主要参考文献………………………………………26)摘要：光学参量振荡器（Optical Parametric Oscillator）作为一种可调谐，高相干的激光光源，以其独特的优良特性，一直吸引着许多研究者的兴趣。
近年来，随着非线性频率变换晶体和固体激光技术的飞速发展，使得这一领域的研究异常活跃。
研究输出人眼安全波段激光的KTP-OPO系统更是其中的热点之一。
用1.06μm波长的Nd:YAG激光泵浦KTP-OPO系统，采用II类非临界相位匹配（θ=90。
,φ=0。
），可获得1.57μm的参量信号光输出。
本论文对以Nd:YAG- KTP构成的内腔光学参量振荡器（IOPO）进行了比较全面的理论和实验研究。
5理论方面：介绍了光学参量振荡器的基本原理，并从三波互作用的耦合波方程出发，对光学参量振荡器的理论进行了分析和研究，对参量振荡的泵浦阈值、转换效率等运转特性参数进行了全面地分析，总结了OPO系统设计方面的基本原则。
6实验方面：研究了氙灯泵浦1.06μm Nd:YAG激光器的静态和动态输出特性，探索了OPO系统所需的1.06μm单脉冲输出条件。
并在氙灯泵浦、被动调Q的1.06μmNd:YAG激光腔内实现了内腔KTP-OPO系统的运转，测量了不同调Q晶体、不同耦合输出镜透过率、不同IOPO腔长条件下，内腔OPO系统的输出情况。
观测到了单脉冲和多脉冲信号光的产生，分析了多脉冲产生的原因并总结了单脉冲产生所需的条件。
基于多重准相位匹配技术的光学参量振荡器研究
基于多重准相位匹配技术的光学参量振荡器研究一、引言光学参量振荡器（Optical Parametric Oscillator, OPO）是一种基于非线性光学效应的器件，可以在光学频率范围内产生连续可调谐的较高功率激光。
OPO广泛应用于激光雷达、化学分析、生物医学等领域。
本文主要研究基于多重准相位匹配技术的OPO。
二、多重准相位匹配技术多重准相位匹配技术（Multiple Quasi-Phase-Matching, MQPM）是一种通过周期性改变非线性晶体中的极化方向来实现相位匹配的方法。
MQPM可以提高非线性晶体中的转换效率，并且可以使用长时间工作在高功率下，具有很好的稳定性。
三、基于MQPM技术的OPO原理基于MQPM技术的OPO主要由一个共面型非线性晶体和两个反射镜组成。
当输入一个泵浦激光束时，它会被反射镜反射回晶体中，产生一个强度足够大的电场。
这个电场会导致晶体中产生一个二次谐波，这个二次谐波又会被反射回晶体中，并与泵浦激光束发生混频，产生一个信号光和一个相位匹配的波长较长的中间波。
这个中间波又会被反射回晶体中，与原来的二次谐波混频，产生一个相位匹配的波长更长的信号光和一个相位匹配的波长更短的红外光。
这个红外光又会被反射回晶体中，与原来的二次谐波混频，产生一个相位匹配的波长更长的信号光和一个相位匹配的波长更短的红外光。
这个过程可以一直进行下去，直到达到所需频率范围。
四、基于MQPM技术的OPO实验在实验中，我们使用了共面型MgO：LiNbO3非线性晶体作为MQPM OPO 的非线性介质。
输入功率为10W、532nm激光束通过半球面透镜聚焦到晶体上表面，并经过两个反射镜反射回晶体内部。
我们使用了三种不同长度（5mm、10mm和20mm）的共面型MgO：LiNbO3非线性晶体进行实验，并记录了输出功率随着波长的变化曲线。
实验结果表明，随着晶体长度的增加，OPO的输出功率也随之增加，并且可以在1.5μm到4μm的范围内产生连续可调谐的激光。
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一种光学参量振荡器，包括：泵浦激光源装置，用于产生泵浦光；泵浦光控制装置，用于接收泵浦光，并对泵浦光的光斑尺寸和偏振方向进行调节，包括双色镜，并将调节后的泵浦光通过双色镜导出；谐振腔装置，包括非线性光学晶体、高反射率腔镜以及输出耦合镜，其中，非线性光学晶体设于高反射率腔镜和输出耦合镜之间，非线性光学晶体用于接收双色镜导出的泵浦光并实现生成信号光和闲频光，并将其导出至高反射率腔镜；高反射率腔镜的法线方向与泵浦光方向设有预设夹角，用于反射泵浦光至非线性光学晶体，以使反射的泵浦光与入射的泵浦光在晶体内部形成准共线，信号光和闲频光依次通过双色镜和输出耦合镜输出。
权利要求书1.一种光学参量振荡器，包括：泵浦激光源装置(100)，用于产生泵浦光；泵浦光控制装置(200)，用于接收所述泵浦光，并对所述泵浦光的光斑尺寸和偏振方向进行调节，包括双色镜(208)，并将调节后的泵浦光通过所述双色镜(208)导出；谐振腔装置(300)，包括非线性光学晶体(301)、高反射率腔镜(302)以及输出耦合镜(303)，其中，所述非线性光学晶体(301)设于所述高反射率腔镜(302)和输出耦合镜(303)之间，所述双色镜(208)设于所述输出耦合镜(303)和非线性光学晶体(301)之间，所述非线性光学晶体(301)用于接收所述双色镜(208)导出的泵浦光并实现非线性光学转换生成信号光和闲频光，并将其导出至高反射率腔镜(302)；所述高反射率腔镜(302)的法线方向与所述泵浦光方向设有预设夹角，用于反射泵浦光至非线性光学晶体(301)，以使所述反射的泵浦光与入射的泵浦光在晶体内部形成两束准共线泵浦光，所述两束准共线泵浦光生成的信号光和闲频光依次通过所述双色镜(208)和输出耦合镜(303)输出。
2.根据权利要求1所述的光学参量振荡器，所述泵浦光控制装置(200)沿光路方向还依次包括高能吸收光阑(202)、偏振分束立方体(204)、透镜(207)，且所述偏振分束立方体(204)前后各设一半波片(203)分别为第一半波片和第二半波片，且所述第一半波片和第二半波片可旋转，所述透镜(207)前后各设一光路校准光阑(206)分别为第一光路校准光阑和第二光路校准光阑，其中，高能吸收光阑(202)用于限制所述泵浦光的光斑尺寸以及吸收经谐振腔光路偏离后的泵浦光，以保护所述泵浦激光源装置(100)不被返回的泵浦光损伤；半波片(203)用于旋转所述泵浦光的线偏振方向；偏振分束立方体(204)用于将所述泵浦光的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，并将所述泵浦光的竖直偏振成分发送至第二半波片；光路校准光阑(206)用于校准泵浦光路；透镜(207)用于调节所述泵浦光的光斑尺寸；所述从第二光路校准光阑出射的泵浦光通过所述双色镜(208)导出。
3.根据权利要求2所述的光学参量振荡器，所述透镜(207)包括平凸透镜(2071)和平凹透镜(2072)，所述平凸透镜(2071)和平凹透镜(2072)的平面部分相对平行设置且其之间的距离为所述平凸透镜(2071)和平凹透镜(2072)的焦距之和。
4.根据权利要求1所述的光学参量振荡器，所述高反射率腔镜(302)的法线方向与所述泵浦光方向设有预设夹角小于或等于0.3°。
5.根据权利要求2所述的光学参量振荡器，所述谐振腔装置(300)还包括电动促动器系统(304)，其上表面设有所述非线性光学晶体(301)，用于带动所述非线性光学晶体(301)旋转。
6.根据权利要求5所述的光学参量振荡器，所述电动促动器系统(304)包括晶体固定柱(3041)、旋转臂(3042)、旋转台(3043)、直流伺服电动促动器(3044)、复位弹簧(3045)以及蓝宝石垫片(3046)，其中，晶体固定柱(3041)用于承载所述非线性光学晶体(301)，所述晶体固定柱(3041)固定于所述旋转臂(3042)的一端，所述旋转臂(3042)轴接于所述旋转台(3043)，直流伺服电动促动器(3044)通过所述蓝宝石垫片(3046)与所述旋转臂(3042)的另一端垂直连接，所述复位弹簧(3045)的一端与所述旋转臂(3042)的一端垂直连接，所述复位弹簧(3045)的另一端固定。
7.根据权利要求5所述的光学参量振荡器，输出耦合镜(303)输出的光还包括残余泵浦光，所述光学参量振荡器还包括监测控制系统(400)，所述监测控制系统(400)包括第一滤色镜(401)、第二滤色镜(402)以及闲频光高反射镜(403)，其中，第一滤色镜(401)用于过滤所述残余泵浦光，并将过滤后的光束发送至所述第二滤色镜(402)，所述第二滤色镜(402)用于分离所述闲频光和信号光，并将所述闲频光发送至所述闲频光高反射镜(403)。
8.根据权利要求7所述的光学参量振荡器，所述监测控制系统(400)还包括光束取样镜(404)、光纤光谱仪(405)、控制电脑(406)以及促动器控制器(407)，其中，光束取样镜(404)用于反射部分所述信号光至所述光纤光谱仪(405)，所述光纤光谱仪(405)用于测量所述信号光的波长，所述控制电脑(406)用于实时显示所述波长并利用所述促动器控制器(407)控制所述电动促动器系统(304)旋转。
9.根据权利要求7所述的光学参量振荡器，所述泵浦光控制装置(200)还包括激光能量收集器(205)，用于收集所述残余泵浦光以及所述偏振分束立方体(204)分出的所述泵浦光的水平偏振成分。
10.根据权利要求1所述的光学参量振荡器，所述泵浦光控制装置(200)还包括多个高反射镜(201)，用于改变所述泵浦光的方向。
技术说明书一种光学参量振荡器技术领域本技术新型涉及激光器领域，尤其涉及一种光学参量振荡器。
背景技术激光器的结构主要包括：增益介质、谐振腔和泵浦源。
一般激光器的工作原理是基于增益介质的粒子数反转，通过谐振腔的选频和反馈进行受激辐射放大后输出相干激光。
光学参量振荡器原理上是基于非线性介质的二阶非线性光学转换，泵浦激光在非线性介质内转换成两束激光，一束为信号光，另一束为闲频光，然后通过谐振腔的选频和反馈进行非线性光学转换放大后输出相干激光。
光学参量振荡器光源具有波长调谐范围宽、能量转换效率高、能同时产生两束相纠缠的相干光、全固态结构等优点，在激光化学、量子相干、医学等领域具有广泛的应用。
高能量的光学参量振荡器在激光雷达、医学光声成像以及激光自身的频率拓展等领域都有很大的应用需求。
近年来得益于非线性光学晶体生长技术的成熟，光学参量振荡器的设计取得了重要的进展。
光学参量振荡器的输出能量主要受到能量转换效率和最高泵浦激光能量的限制，其中，最高泵浦激光能量受限于非线性光学晶体和各光学元件的功率密度损伤阈值，因此提高输出能量关键在于合理的设计谐振腔，以提高光学参量振荡器的能量转换效率。
技术内容(一)要解决的技术问题基于上述问题，本技术新型提供了一种光学参量振荡器，通过合理的配置谐振腔等结构将泵浦光生成两束准共线泵浦光，合理的谐振腔设计可以提高能量转换效率，另外单脉冲输出能量除了提高转换效率外还应该考虑在不超过损伤阈值情况下如何提高最高泵浦能量，提高泵浦能量在一定程度上也可以提高转换效率，以克服现有高能量脉冲光学参量振荡器的输出能量和能量转换效率上的不足。
(二)技术方案本技术新型提供了一种光学参量振荡器，包括：泵浦激光源装置100，用于产生泵浦光；泵浦光控制装置200，用于接收泵浦光，并对泵浦光的光斑尺寸和偏振方向进行调节，包括双色镜208，并将调节后的泵浦光通过双色镜208导出；谐振腔装置300，包括非线性光学晶体301、高反射率腔镜302以及输出耦合镜303，其中，非线性光学晶体301设于高反射率腔镜302和输出耦合镜303之间，双色镜208设于输出耦合镜303和非线性光学晶体301之间，非线性光学晶体301用于接收双色镜208导出的泵浦光并实现非线性光学转换生成信号光和闲频光，并将其导出至高反射率腔镜302；高反射率腔镜302的法线方向与泵浦光方向设有预设夹角，用于反射泵浦光至非线性光学晶体301，以使反射的泵浦光与入射的泵浦光在晶体内部形成准共线，两束准共线泵浦光生成的信号光和闲频光依次通过双色镜208和输出耦合镜303输出。
可选地，泵浦光控制装置200沿光路方向还依次包括高能吸收光阑202、偏振分束立方体204、透镜207，且偏振分束立方体204前后各设一半波片203分别为第一半波片和第二半波片，且所述第一半波片和第二半波片可旋转，透镜207前后各设一光路校准光阑206分别为第一光路校准光阑和第二光路校准光阑，其中，高能吸收光阑202用于限制泵浦光的光斑尺寸以及吸收经谐振腔光路偏离后的泵浦光，以保护所述泵浦激光源装置100不被返回的泵浦光损伤；半波片203用于旋转泵浦光的线偏振方向；偏振分束立方体204用于将泵浦光的水平偏振成分和竖直偏振成分分开，并将泵浦光的竖直偏振成分发送至第二半波片；光路校准光阑206用于校准泵浦光路；透镜207用于调节泵浦光的光斑尺寸；从第二光路校准光阑出射的泵浦光通过双色镜208导出。
可选地，透镜207包括平凸透镜2071和平凹透镜2072，平凸透镜2071和平凹透镜2072的平面部分相对平行设置且其之间的距离为所述平凸透镜2071和平凹透镜2072的焦距之和。
可选地，高反射率腔镜302的法线方向与泵浦光方向设有预设夹角小于或等于0.3°。
可选地，谐振腔装置300还包括电动促动器系统304，其上表面设有非线性光学晶体301，用于带动非线性光学晶体301旋转。
可选地，电动促动器系统304包括晶体固定柱3041、旋转臂3042、旋转台3043、直流伺服电动促动器3044、复位弹簧3045以及蓝宝石垫片3046，其中，晶体固定柱3041用于承载非线性光学晶体301，晶体固定柱3041固定于旋转臂3042的一端，旋转臂3042轴接于旋转台3043，直流伺服电动促动器3044通过蓝宝石垫片3046与旋转臂3042的另一端垂直连接，复位弹簧3045的一端与旋转臂3042的一端垂直连接，复位弹簧3045的另一端固定。
可选地，输出耦合镜303输出的光还包括残余泵浦光，光学参量振荡器还包括监测控制系统400，监测控制系统400包括第一滤色镜401、第二滤色镜402以及闲频光高反射镜403，其中，第一滤色镜401用于过滤残余泵浦光，并将过滤后的光束发送至第二滤色镜402，第二滤色镜402用于分离闲频光和信号光，并将闲频光发送至闲频光高反射镜403。
可选地，监测控制系统400还包括光束取样镜404、光纤光谱仪405、控制电脑406以及促动器控制器407，其中，光束取样镜404用于反射部分信号光至光纤光谱仪405，光纤光谱仪405用于测量信号光的波长，控制电脑406用于实时显示波长并利用促动器控制器407控制电动促动器系统304旋转。