第6讲光学参量振荡器.

基于介电超晶格的回音壁模式光参量振荡器一、引子大家好，今天咱们聊点有意思的东西——回音壁模式光参量振荡器。

听起来好像很高深对吧？别担心，放轻松，我就跟你们唠唠这玩意儿到底是什么。

说白了，回音壁就是一种特殊的光学效应，它能让光在一个小小的区域内来回反射，像在一个“回音壁”里面来回弹跳。

而光参量振荡器呢，顾名思义，就是能把光“振荡”出来的设备，它用的是一种特殊的光学非线性效应，让光的频率发生变化，从而产生新频率的光。

那这两个东西合在一起，听着像是科幻电影里的黑科技，实际上它们能在很多领域带来革命性的改变，特别是在通讯、成像、甚至量子计算等领域。

二、介电超晶格的神奇之处介电超晶格听上去像个外星科技，但其实它的原理很简单。

想象一下，咱们常见的材料可能是均匀的，但介电超晶格就像是给这些材料打上了个“马赛克”，通过不断重复和排列不同的介电材料，形成了一种非常特殊的结构。

就像是用不同颜色的砖块砌成的墙壁，不同的颜色之间互相作用，创造出了一种新的物理现象。

这些不同的介电层会让光发生奇妙的相互作用，使得光的传播发生了某些预料之外的变化。

你可能会问，这和回音壁模式光参量振荡器有什么关系呢？这两者之间的结合简直是天作之合！介电超晶格通过其独特的结构能为光提供一个完美的“回音壁”环境，让光在其中多次反射，增强了光和物质之间的相互作用。

而这一点，对光参量振荡器来说简直就是锦上添花。

因为这种环境可以帮助振荡器更好地产生各种频率的光，简直是无敌了。

三、光参量振荡器的“心跳”说到光参量振荡器，不得不提到它的工作原理。

其实它的核心工作原理就是基于非线性光学效应。

当强光通过非线性材料时，它会和材料发生相互作用，导致输出的光频率发生变化。

就像你听到一个音符后，会根据它的频率变化出其他的音符一样，光也能通过这种“频率转换”来产生新的光波。

你问那这些新频率光在哪儿能用上？答案就是啥都能用！从高精度的光谱分析到信息处理，它们都能大显身手。

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。

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。

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。

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 NLn nn 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 NLzik NL zik NL e z P a k i dzz dE e z P a k i dz z dE e z P a k i dz z dE 321),()(2),(),()(2),(),()(2),(333230322222021112101ωωωμωωωωμωωωωμω 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 kzi eff kzi eff e z E z E c k i dzz 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(2323313)2(2222223)2(21211ωωχωωωωχωωωωχωω 根据光子通量表示式ωωμεωωω 200)(2E n S N ==引入ωA ，其平方正比于光子通量)(2002ωεμωN A =，代入上式得ωωωA nE 21)(=，再对耦合波方程组中)(1ωE 和)(2ωE 进行变量代换，得⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=Γ-∆-=Γ-∆+***0022022221201212A dz dA k i dzA d A dz dA k i dz A d 其中3)2(0021210E n n eff χεμωω=Γ，代入边界条件⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧Γ===*=*=*=)0()0()()0()(2001202101A i dzdA 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 ikzi 其中2202⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-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。

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。