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光学参量振荡器(OPO)的原理最早见于Giordmaine和M

  自然界的一切物质都能对某波长范围的光具有强烈的吸收作用和荧光效应,固此光谱分析是研究物质结构的重要手段。激光是具有亮度高、方向性好、相干性强等特点,激光的引入光谱分析,激光光谱技术已经成为当前探测物质结构的最先进的方法。这里,光源波长的变化是该项技术至为重要的关键。可调谐(Optical Parametric Oscillator)光源参量等,特别是随着近年来一些新型而高效率的非线性晶体的出现和发展,OPO以其宽调谐范围、高效率、高重复频率、高分辨率,以及小型化、固体化等特点而日益引起国际光学界的重视。下面简要阐述OPO的工作原理,并对最新的几种OPO系统作简单介绍和评述。

  光学参量振荡器(OPO)的原理最早见于Giordmaine和Miller的论文(1965)。频率p的激光光源,向非线性光源晶体提供泵浦光,由于晶体中的光学非线性效应,能够设想为一入射泵浦光子分解为两低解光子从晶体辐射出来。习惯上,将辐射的高频光子称为“信号”波(频率s),而较低频率的光子则称为“闲置”波(频率i)。由于腔体的回输为信号波和闲置波提供稳定的振荡。理论上,OPO可以提供几乎任何光源波长调谐输出的能力。信号频率和闲置频率服从守恒条件

  或者换算成波长,即1/p=1/s+1/i对于某一固定的泵浦波长,这方程式能够满足无限多的信号和闲置波长。然而这三个波在晶体内也必须满足特定的位相关系,它们可以表示为下列形式的关系式

  式中,np、ns和NI分别为泵浦、信号和闲置频率的折射率。在典型的非线性晶体中,双折射与角度的关系可以导

  出由上述两个条件便可以选取三个频率。OPO的波长调谐正是由晶体倾斜表达到的。

  如图1所示,将非线性晶体置于光学谐振腔内,泵浦光自腔外经过聚集入射于晶体内,就构成参量振荡器,对于一定的Q值,亦即晶体光轴相对于谐振腔轴的取向确定,便能利用上述公式得到s和i之间的关系,可以获得一定范围的可调谐相干光输出。除了角度调谐外,通过改变晶体的温度、电场和压力等也能实现频率改变,也是经常使用的调谐方法。

  如果谐振腔的两面反射镜M1和M2对s和Wi都具有高反射率(例如rs=1,ri1),这时称为双共振振荡器(DRO);如果它们仅对s具有高反射率,则称为单共振振荡器(SRO),对于泵浦光,反射镜应尽可能具有高透射率。振荡器在参量效应的增益恰好超过谐振腔损耗时起振,因此泵浦光的输入功率必须达到一定的阈值。双共振腔由于具有较低的阈值,可以采用连续和脉冲两类激光器作为泵浦光源;由于它的谐振腔对二种波长共振,输出光的振幅和频率多少有点不稳定。单共振振荡器由于具有较高的阈值(一般要高2个量级),因此只能用脉冲激光器作为泵浦源,它的优点是输出的比较稳定,并且对谐振腔镀膜要求也较低。

  对于上述具有谐振腔利用非线性晶体的混频持性实现一个或二个光学频率变换振荡特性的器件一般称为光学参量振荡器;而没有谐振腔仅对信号光进行放大的器件,则称为光学参量放大器(Optical Paramefric Amplifier简称OPA)。通常远将OPO和OPA统称为OPG(Optical Parometric Ge-neation)。

  由上述可以看出,组成OPO的关键器件是非线性晶体、泵浦光和谐振腔。目前常用的晶体有:KTP、BBO、LBO、KTA(KTiOAsO4)、MgO:LN(Mgo:LiNbO3)、AgGaSe2和Ag-GaS2等,它们分别适用于不同的调谐范围,如图2所示。泵浦光有脉冲,连续和锁模,有单模和多模,已遍及固体、气体、染料、准分子等激光器,脉冲宽度从连续到几百纳秒,几个纳秒到皮秒,还有进入飞秒量级的。由于泵浦源的性能和质量直接影响参量光的转换效率、线宽和光束质量等,所以泵浦激光的性能是十分关键的。

  到目前为止,采用不同的泵浦波长光源、不同的非线性晶体和调谐方式,已实现的调谐范围为0.4~16m,线宽一般为几个波数,通过线%左右。一般说来,单模、窄线宽和高峰值功率脉冲泵浦的光学参量振荡器的转换效率较高。

  目前世界上生产OPO系统并推上市场的厂商不少,其中主要是美国Continuum公司、SpectraPhysics公司和德国Lambda Physik公司。Continuum公司的OPO系统品种多可以适应不同层次的科学实验要求,我国几家研究所已引进使用,效果很好。现将这三家厂商生产的OPO系统的技术性能列出于下,供读者参考。

  Lambda Physik公司生产的SCANMATE OPO系统是利用BBO晶体实现非线性光学频率变换的,并且主振荡器为染料激光器。

  SP公司生产的Quanta_Ray MOPO系统是利用BBO晶体实现非线性光学频率变换的,包含二个分开的OPO,而不是振荡/放大系统和OPO/OPA系统。由于主振荡器是高性能OPO,因而可以获得单纵模的线简单分析和评述

  在上述几种最新的OPO系统中,技术上各有特色,其中,SP公司和Continuum公司是全固体的,而LambdaPhiysik公司则采用了染料,在宽范围调谐时必须配置和更换不同的染料。而SP公司和Continuum公司分别采用共振放大和线性放大,谁更优越,各执一词。一般地说,共振放大由于参量过程的可逆性如果设计不当可能导致晶体损坏(p过强)和转换效率降低。

  技术指标值的大小历来是人们最为关注的,但是各公司测试方法目前尚未达到统一,根据Continuum公司有关技术资料报导,它们的脉冲宽度测试对于多模输出是通过包络线按半高度计算的(FWHM),并且多次测量取平均值;线宽则是用Burleigh PLSA_3500脉冲激光光谱分析仪(分辨率优于0.01cm_1)测量。因此,用户在选购仪器时必须要求生产厂商明确说明测试过程和方法,以便进一步核实指标的正确性。

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