激光技术OPO

ωs ωp
ωs ωp ωi
光学参量振荡
在光学参量放大器的基础上，如果进一步采用光学反馈装置共振 在光学参量放大器的基础上，如果进一步采用光学反馈装置共振 则在参量放大作用大于腔内各种损耗作用的条件下， 腔，则在参量放大作用大于腔内各种损耗作用的条件下，可同时在 ωi 频率处产生相干光振荡， 和 ω s 频率处产生相干光振荡，这就是我们下面讨论的光学参量振荡器 (OPO, Optical Parametric Oscillator)的工作原理． 的工作原理． 的工作原理
8 15
7 6 14 5 4
2
1. Brilliant B Laser 5. 355 nm rejector 8. 355 nm reflector
2. 1064 nm reflector 9. OPO
3. 1064 nm waveplate 11. UV module
4. Second Harmonic Generator (SHG) 12. Beam Guider (wavelength seperation) 15. 355 nm reflector (removable)
双共振参量振荡器示意图
单共振参量振荡器示意图
光学参量放大和振荡的条件
π 参量放大作用的指数增益因子： 参量放大作用的指数增益因子： γ 0 = λs λi χe
ns ni A p ( 0)
参量放大过程的增益因子与有效二次非线性电极化系数因子成 参量放大过程的增益因子与有效二次非线性电极化系数因子成 有效二次非线性电极化系数因子 正比，此外与入射泵浦光的振幅(或光强的开方)成正比. 正比，此外与入射泵浦光的振幅(或光强的开方)成正比. 入射泵浦光的振幅 对光学参量振荡系统来说，设腔内非线性介质对信号光和闲频光的 对光学参量振荡系统来说， 而共振腔输出反射镜对上述两种光的反射率均为R(另 输出反射镜对上述两种光的反射率均为R( 损耗因子均为 α0，而共振腔输出反射镜对上述两种光的反射率均为R(另 一端反射镜为全反射) 此外设共振腔镜对入射泵浦光有较高的透过率， 一端反射镜为全反射)，此外设共振腔镜对入射泵浦光有较高的透过率， 入射泵浦光有较高的透过率 则光学参量振荡的阈值条件可表为： 则光学参量振荡的阈值条件可表为：
e
( γ 0 − 2α 0 ) l
R ≥1
振荡阈值条件还可改写为： 振荡阈值条件还可改写为：
1 1 γ 0 ≥ ln + 2α 0l l R
阈值条件的最后表示： 阈值条件的最后表示：
λs λi I p (0) ≥ π
n p ns ni
χe
ε0 1
1 ln + 2α 0l 2 l R
可见，信号光和空闲光的频率依赖于泵浦光的折射率， 可见，信号光和空闲光的频率依赖于泵浦光的折射率，因而可以通过 改变泵浦光的折射率 泵浦光的折射率使 频率作相应的变化，以满足相位匹配条件. 改变泵浦光的折射率使 ωi ω s 频率作相应的变化，以满足相位匹配条件. 改变泵浦光的折射率的方法，可以通过改变泵浦光与非线性晶体之间 改变泵浦光的折射率的方法， 泵浦光的折射率的方法 的夹角（角度调谐），或改变晶体的温度（温度调谐）等实现. ），或改变晶体的温度 的夹角（角度调谐），或改变晶体的温度（温度调谐）等实现. 光参量振荡器的最大特点是其输出频率可以在一定范围内连续改变， 最大特点是其输出频率可以在一定范围内连续改变 光参量振荡器的最大特点是其输出频率可以在一定范围内连续改变， 不同的非线性介质和不同的泵浦源，可以得到不同的调谐范围. 不同的非线性介质和不同的泵浦源，可以得到不同的调谐范围.
6. Third Harmonic Generator (THG) 10. Cube polarizer
7. X4 355 nm reflectors (Harmonic seperation block)
13. 1064 nm reflector (removable)
14. 532 nm reflector (removable)
基元过程理解为可分两个步骤来完成：过程的第一步， 基元过程理解为可分两个步骤来完成：过程的第一步，涉及到一个能 的泵浦光子的湮灭， 量为ω p 的泵浦光子的湮灭，而介质的某一个分子离开初始能级跃迁到由虚 h 能级表示的中间状态；过程的第二步， 能级表示的中间状态；过程的第二步，是处于中间状态的分子立刻回到初始 的光子． 能级并同时辐射出二个能量分别为ω hωi 的光子． h
The Arrow
TM
OPO
Idler
Signal
BBO OPO Tuning Curve
泵浦光： 光 泵浦光：e光 信号光： 光 信号光：o光 闲频光： 光 闲频光：e光
3百度文库5nm 410nm-710nm 710nm-2400nm
k p = k s + ki
= hk s + hk i
nω = 又由 k = λ c
2π
若三波波矢共线，则有： 若三波波矢共线，则有：
n pω p = nsω s + niωi
ωs ni − n p = ω i n p − ns
参量振荡器的频率调谐
ωs ni − n p = ω i n p − ns
光学参量振荡器
(OPO, Optical Parametric Oscillator)
光学参量放大效应
考查当一种频率较低的弱信号光束与另一种频率较高的强泵浦(激励) 考查当一种频率较低的弱信号光束与另一种频率较高的强泵浦(激励)光 频率较低的弱信号光束与另一种频率较高的强泵浦 同时入射到非线性介质内时将要产生的情况． 束同时入射到非线性介质内时将要产生的情况． 理论分析与实验研究均已表明，此情况下在通过介质后， 理论分析与实验研究均已表明，此情况下在通过介质后，弱的入射信号 将得到放大，强的泵浦光将有所减弱，与此同时， 将得到放大，强的泵浦光将有所减弱，与此同时，非线性介质还将辐射出频 闲频光． 率等于上述两入射光频率之差的第三种相干光，一般称之为闲频光 率等于上述两入射光频率之差的第三种相干光，一般称之为闲频光．以上这 种非线性光学效应，称为光学参量放大效应 光学参量放大效应． 种非线性光学效应，称为光学参量放大效应．
s
虚能级
hωs
hω p
hωi
基能级
光学参量放大与振荡效应的量子跃迁过程图解
相位匹配
从辐射的量子观点引入相位匹配的条件： 从辐射的量子观点引入相位匹配的条件： 光子能量为 hω ，动量 hk
能量守恒： 能量守恒： hω p 动量守恒： hk p 动量守恒：
= hωs + hωi
ω p = ωs + ωi
公式的物理意义是，在非线性介质及作用长度Z为给定的情况下， 公式的物理意义是，在非线性介质及作用长度Z为给定的情况下， 只有当外界入射泵浦光超过一定阈值时 只有当外界入射泵浦光超过一定阈值时，才有可能在共振腔内形成持续 当外界入射泵浦光超过一定阈值 的参量振荡作用． 的参量振荡作用．
光学参量效应的物理解释
角度调谐
温度调谐
ADP晶体信号光频率随角度的变化曲线 晶体信号光频率随角度的变化曲线
LiNbO3参量振荡器中信号光与空闲光的温度调谐曲线
VIBRANT B 355 II
VIBRANT Model 355 II Layout
1
Brilliant B
2 3
10 9
OPO
UV module
11
12
13
532nm 二倍频 1064nm 1064nm 三倍频
355nm 二向色镜 532nm 1064nm 浦 光 空闲光（Idler） 355nm 泵
UV1(210-245nm） 二倍频 光（Signal） UV2(245-355nm）
OPO
•双共振光学参量振荡器（DRO） 双共振光学参量振荡器（ 双共振光学参量振荡器 ） •角度调谐 角度调谐 •尺寸小，易于校准和操作 尺寸小， 尺寸小