第四节光参量振荡技术.

光参量振荡器的发展
在弗兰肯观察到了二次谐波之后，金斯顿等人 提出了光参量振荡器的建议； 1965年王、雷斯托等人首次观察到了三波互作
用过程中的光参量增益；
乔特曼和密勒制成勒一台光参量振荡器； 1968年史密斯等人研制成功了连续运转的光参 量振荡器。 二十世纪80年代后，真正从实验室走向实用化
iN p Es z Ei z exp ikz
k k s ki k p
设非线性晶体充满整个谐振腔，对于小信号增益情况， 泵浦光场随传播距离Z的衰减可予以忽略
dE p z dz
初始条件： Ei 0 0
0
晶体的长度
k Es L Es 0coshgL i sinhgL exp ikL / 2 2g Ni * E i L i E s 0sinhgLexp ikL / 2 g
i p s
s p i
实现光参量放大的条件
能量守恒条件 动量守恒条件
频率条件 波矢条件
p s i
k p k s 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，
g k / 2
2

1 2 2

Ni N s E p
2
2
信号光通过晶体的单程增益
G
E s L E s 0
2
2
E s 0
2 2
2
E s L 1 E s 0
2
G L sinh gL / g L
2 2


2

REMARKS：
e x e x sinh( x) 2 双曲函数： e x e x cosh( x) 2
☆就泵浦光、信号光和空闲光的波矢共线情况，讨 论一下相位匹配条件
k p k s ki
k n c
n p p nss nii
与倍频相同，可采用角度和温度匹配方法。 晶类 负单轴晶 正单轴晶 匹配方式 I类 II类 I类 II类 泵浦光、信号光、空闲光 e→o＋o e→o＋e o→ e＋e o→o＋e
假设互作用的三种频率的光波都是均匀单色平面波：
dEs z iN s E p z Ei z exp ikz dz
2 2 x d Nx kxc2
dEi z iNi E p z Es z exp ikz dz
dE p z dz
sink / 2 G k / 22
2
只有 k 0 时，才能有效产生光参量振荡效应，并 获得最高的增益，此时
Gmax
2 L 1 exp2L sinh 2 L2 4 2 L2
上式说明：在满足相位匹配条件时，只要非线性晶
体足够长，泵浦光强度足够强，就可在高增益下， 由晶体中的自发噪声，有效地产生光参量振荡效应。
Ns 1 Ei 0 Ei 0 coshL i E s sinhL 1 i
Ns 1 cosh L E 0 i sinh L E i 0 0 s 1s
N i 1 i sinhL E s 0 coshL Ei 0 0 1 i
G L sinh gL / g L
2 2 2 2 2
g 2 k / 2

1 2 2

1 2 2 2 sinh k / 2 L G 2 L2 2 2 k / 2 L 2




上式说明：
当 2 k 2 时，即 k 0 的低增益情况下
§7.4 光参量振荡技术
频率调谐技术的需求
某些领域需要从可见光到红外Байду номын сангаас，甚至紫外光范围 的可调谐激光 光谱学领域 大气污染遥测
同位素分离
军事领域 频率调谐技术： 光参量振荡技术、可调谐染料激光技 术、可调谐掺钛宝石激光技术等等。
近40年来，光参量振荡器被认为是传统激光所达不到的 光谱范围内的相干光的理想光源。它在非常宽的光谱范 围内可实现频率调谐。
7.3.1光参量放大和振荡原理
——光参量放大和振荡技术是微波参量放大在光频
波段上的一种延伸。
微波放大器的工作原理
把需要放大的微弱信号和一个较高频率的强泵浦信 号同时输出到参量耦合器件中，由于参量器件的非
线性耦合作用，输入的微弱信号得到放大增强，同 时产生另一个低频率的闲置波。
三种微波信号必须满足频率条件和确定的相位匹配 条件。
Es 0 和 Ei 0 不等于零的条件是上述线性齐次方程组的
p s i
引申到光频波段——光参量放大
非线性晶体作为参量耦合元件。将一个高频的强激 光辐射（泵浦光）和一个低频弱激光信号（信号光） 同时入射到非线性晶体上，弱的信号光被放大，同 时产生另一个较低频率的空闲光。
p s i
☆光参量放大过程实质是产生差频光波的混 频过程。
7.3.3光参量振荡器的阈值
s
i
信号光往返一周的损耗率
空闲光往返一周的损耗率
Es 0 1 s Es L
Ei 0 1 i Ei L
相位匹配（ k 0 ）时的振荡方程：
Ns 1 Es 0 Es 0coshL i Ei sinhL 1 s
这就是光参量振荡器。
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。