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纳秒光参量振荡器随着现代通信技术和量子信息技术的快速发展，光学器件的精度和性能要求越来越高。
其中，光参量振荡器作为一种重要的光学器件，被广泛应用于光通信、光学测量和量子信息等领域。
本文主要介绍一种新型的光参量振荡器——纳秒光参量振荡器。
一、光参量振荡器的原理光参量振荡器是一种基于光参量效应的器件，利用非线性晶体在高强度激光的作用下，将输入的激光分裂成两个频率不同的相干光。
其中一个光束为信号光，另一个光束为参考光。
信号光的频率与参考光的频率之差称为频率差。
通过调节激光的功率和晶体的长度，可以控制频率差的大小和稳定性。
光参量振荡器可以产生高度稳定的光源，用于高精度光学测量和光通信中的频率合成。
二、纳秒光参量振荡器的设计与制备传统的光参量振荡器往往需要使用长晶体或高功率激光才能产生稳定的频率差。
但是，长晶体会增加器件的体积和重量，而高功率激光则会增加器件的成本和复杂度。
为了解决这些问题，研究人员提出了一种新型的纳秒光参量振荡器，它采用超短脉冲激光和微型晶体，可以实现高效率和高稳定性的光参量振荡。
纳秒光参量振荡器的核心部件是一块微型非线性晶体，通常采用铌酸锂或钛酸锂等材料。
这些晶体具有较高的非线性系数和光学损耗，可以在较短的长度内产生光参量效应。
为了提高光参量振荡器的稳定性，晶体的长度通常控制在几毫米以下。
纳秒光参量振荡器的激光源采用超短脉冲激光器，通常为飞秒激光器或皮秒激光器。
这些激光器具有短脉冲宽度和高峰值功率，可以在微型晶体中产生高强度的光参量效应。
同时，超短脉冲激光器的频率稳定性也非常高，可以保证光参量振荡器的频率稳定性。
三、纳秒光参量振荡器的应用纳秒光参量振荡器可以作为高稳定性光源，用于光学测量和光通信等领域。
例如，在光频传递和光学钟等高精度测量中，需要使用高稳定性的光源来实现频率合成和频率比较。
纳秒光参量振荡器可以产生高度稳定的光源，满足这些测量的需求。
在光通信中，光参量振荡器通常用于产生光学频率梳，用于调制和解调光信号。
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。
光学参量振荡器原理基于准相位匹配技术下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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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。
文章编号:0258-7025(2001)08-0693-05KTP 光学参量振荡器输出激光的空间模式和光束质量姚宝权 王月珠 柳 强 王 骐(哈尔滨工业大学光电子技术研究所可调谐激光技术国家级重点实验室 哈尔滨150001)提要 理论上通过二维傅里叶变换求解耦合波方程,分析了KTP 光学参量振荡器(OPO)信号光的空间分布;实验上利用Nd B YAG 倍频激光(532nm)抽运非临界(H =90b ,U =0b )及临界相位匹配KTP (H =6217b ,U =0b )OPO,测量了参量光的空间分布、远场发散角及M 2因子等参数,讨论了抽运功率、谐振腔长、残余光后向二次抽运对OPO 参量光的发散角和光束质量因子M 2的影响。
关键词 光学参量振荡器,质量因子M 2,相位匹配中图分类号 TN 241 文献标识码 AStudy of the Spatial Beam Quality of KTP Optical Parametric OscillatorYAO Bao -quan WANG Yue -zhu LIU Qiang WANG Qi(National Key Laboratory o f Tunable Laser Technology ,Harbin Institute o f Technology ,Harbin 150001)Abstract The beam quality factor of parametric light from KTP optical parametric oscillator pumped by a doubling -freq uency Nd B YAG laser (532nm)was measured by means of laser beam analyzer.The beam quali ty dependence of different pumping conditions is discussed such as pump power,pump beam diameter ,OPO cavi ty length,phase -matching mode,and pu mping with or without reflection.In the theoretical analysis,double -refractive walk -off term is introduced i nto coupling -wave equations which are numerically solved with li ght propagation method and Rungue -Kutta algori thm.T he molding results agree well with the observed OPO performance.Key words optical parametric oscillator,beam quality M 2,phase matchi ng收稿日期:2000-01-31;收到修改稿日期:2000-09-051 引 言KTP,BBO,LBO 等都是实现可见至近红外参量输出的优质非线性晶体,它们具有吸收损耗小、有效非线性系数大、透明范围宽、抗损伤阈值高等特点。
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。
光学参量振荡器笔记
一、参量放大
光学参量放大实质上是一个差频产生的三波混频过程。
此处对频率为3ω的泵浦光同时放大频率为1ω和2ω的信号光和空闲光随z 变化的一般规律进行总结性的简要推导。
单色平面光波在稳态条件下的非线性耦合波方程：
z ik n NL
n n
n n n e z P a k i dz z dE -'⋅=),()(2),(20ωωωμω
由此得到三波混频中的耦合波方程组：
⎪⎪⎪⎪
⎩⎪⎪⎪
⎪
⎨⎧'⋅='⋅='⋅=---z ik NL
z
ik NL z
ik NL e z P a k i dz
z dE e z P a k i dz z dE e z P a k i dz z dE 321),()(2),(),()(2),(),()(2),(33323
032
2222021112101ωωωμωωωωμωωωωμω 其中
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧='-='-='+-*
-*z k k i NL z k k i NL z k k i NL e z E z E a a z P e z E z E a a z P e z E z E a a z P )(212121)2(03
)(131313)2(02)(232323)2(01211323),(),()()(:),(2),(),(),()()(:),(2),(),(),()()(:),(2),(ωωωωωωχεωωωωωωωχεωωωωωωωχεω
如果介质对频率1ω、2ω和3ω的光波都是无耗的，即1ω、2ω和3ω远离共振区，
引入实数)
2(eff χ，称为有效非线性极化率：
)
()()(),()()()(),()
()()(),(13213)
2(23123)2(21321)2()
2(ωωωωωχωωωωωχωωωωωχχa a a a a a a a a eff
-=-==
得到进一步简化后的三波混频的耦合波方程组
⎪⎪⎪⎪
⎩⎪⎪⎪
⎪⎨⎧===∆*∆-*∆-*kz i eff kz
i eff kz
i eff e z E z E c k i dz
z dE e z E z E c k i dz z dE e z E z E c k i dz z dE ),(),(),(),(),(),(),(),(),(21)2(232
33
13)2(2
222223)2(2
1211ωωχωωωωχωωωωχωω 根据光子通量表示式
ωωμεωωω 2
00)
(2
E n S N ==
引入ωA ，其平方正比于光子通量
)(20
02
ωεμω
N A =，
代入上式得
ωωωA n
E 21)(=，
再对耦合波方程组中)(1ωE 和)(2ωE 进行变量代换，得
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=Γ-∆-=Γ-∆+***002202
22212
012
12A dz dA k i dz
A d A dz dA k i dz A d 其中
3)
2(002
12
10E n n eff χεμωω=
Γ，
代入边界条件
⎪⎪⎪
⎩⎪⎪⎪⎨⎧
Γ===*=*
=*=)0()
0()()0()(2001202101A i dz
dA A z A A z A z z z 求解方程得
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨⎧ΓΓΓ-ΓΓ∆-Γ=ΓΓΓ+ΓΓ∆+Γ=*∆-**∆)sinh()0()]sinh(2))[cosh(0()sinh()0()]sinh(2))[cosh(0(1022220121z A i z k i z A e A z A i z k i z A e A kz i
kz
i 其中
2
2
02⎪⎭
⎫ ⎝⎛∆-Γ=Γk
该式表示了在一般情况下，信号光和空闲光随其通过非线性晶体距离z 的变化规律。
当0)0(2=A 时，由上式可得频率为1ω的信号光的功率增益)(z G 为
)sinh(1)0()
()(2202
11z A z A z G ΓΓ
Γ+==
二、光学参量振荡器原理
在非线性频率变换的差频过程中，每湮灭一个高频光子可同时产生两个低频光子，在此过程中这两个低频光波获得增益，将一个强的高频光波（泵浦光）和一个弱的低频光波（信号光）同时入射非线性晶体，则可产生差频光波（空闲波），信号波被放大了，三个波多次通过非线性晶体，则信号波和空闲波可得到多次放大。
如将非线性晶体置于光学谐振腔内，并用强的泵浦光照射，则当增益超过损
耗时，在腔内可以从噪声中建立起相当可观的信号及空闲波。
三、光学参量振荡器结构
光学参量振荡器的谐振腔可以同时对信号频率和空闲频率共振，也可以对其中一个频率共振。
前者称为双共振光学参量振荡器（DRO），后者称为单共振光学参量振荡器（SRO）
双共振光学参量振荡器结构示意图
单共振光学参量振荡器结构示意图
单共振光学参量振荡器中三个光波的方向各不相同，便于将信号光与空闲光分开，这是一种非共线相位匹配的情况。
四、光学参量振荡器振荡条件
1.阈值泵浦功率条件
在泵浦功率达到一定数值后，信号光的增益等于或大于它们在腔内的光学损耗。
泵浦光强度超过阈值时，泵浦光的能量主要转换成相干信号光或空闲光输出。
为简单起见，假定非线性晶体充满谐振腔。
腔内任一平面z 处的信号光和空闲光可用()A z 表示
⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡=-*z ik z ik e z A e z A z A 21)()()(~
21
如果)(~
z A 在腔内往返一周保持不变，就表示信号光和空闲光处于稳定的振荡状态，由此可推导出参量振荡器的振荡条件。
假设腔镜左端处场矢量为a A ~
，往返一周变换为e A ~
，则
a e A M A ~~=
再假设振荡器是在相位匹配情况下运行的，则
⎥⎦⎤⎢⎣⎡ΓΓ-ΓΓ=⎥⎦
⎤⎢
⎣⎡ΓΓ-ΓΓ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣
⎡=-*-*--*-*)cosh()()sinh()()sinh()cosh()cosh()sinh()sinh()
cosh(000000022202220210221000021212211221121l e r l e
r i l e ir l e r l e l ie l ie l e r r e e r r M l
k i l k i l ik l k i l ik l ik l ik l ik l ik l
ik 自洽条件要求
a e A A ~
~=
即
0)det(=-I M
则参量振荡器的振荡条件为
l k k i l k i l k i e l r r e l r e l r )(2022221202220211211)(sinh )(]1)cosh()][(1)cosh([--*-*Γ=-Γ-Γ
考虑到光波在镜面上反射时有相位变化，则
2
1222
121)(ϕϕi i e
R r e R r -*==
以下就两种参量振荡器分别得出阈值泵浦功率条件： ①双共振参量振荡器
阈值泵浦功率条件
1)cosh()(21021=-Γ+R R l R R
如果腔镜的反射率121≈R R 、，且22002
11)cosh(l l Γ+≈Γ，则阈值条件简化为
)1)(1()(210R R l th --=Γ
②单共振参量振荡器
令02=r ，则阈值条件
1)cosh(12021=Γl k i e l r
2.频率条件（能量守恒条件）
在参量放大过程中，信号光（频率1ω）和空闲光（频率2ω）每增加一个光子，相应的泵浦光（频率3ω）便失去一个光子，所以三者应满足能量守恒条件，即
213ωωω+=。
3.相位匹配条件（动量守恒条件）
0=∆k
，即
213k k k +=
当三波波矢共线时，则有
221133ωωωn n n +=。
五、参量振荡器的频率调谐
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。
当泵浦光频率3ω固定时，
参量振荡器的振荡频率应同时满足频率条件213ωωω+=和相位匹配条件213k k k +=，
在三波共线的情况下，有
1
33
221n n n n --=ωω 由该式可见，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使1ω和2ω作相应变化，以满足相位匹配条件。
要改变3n ，可以通过泵浦光与非线性晶体之间的夹角（角度调谐）或改变晶体的温度（温度调谐）。
