基本介紹
- 中文名：光學參量放大與振盪
- 外文名：optical parametric amplification and oscillation
- 特徵：由多波混頻產生的非線性光學效應
光學參量放大,光學參量振盪,
光學參量放大
當一束圓頻率為ωp高功率雷射（泵浦光，簡稱泵光）入射非線性晶體，能在兩個較低頻率（ωs和ωi，而ωs+ωi=ωp）上具有增益，可放大相應頻率的光束。相位匹配條件（見光學倍頻）得到滿足時增益最大。如果入射非線性晶體一束頻率為ωs的光束（信號光），其光強將被放大，同時在沒有光束入射的頻率ωi產生相干光（空閒光），這就是光學參量放大過程。從光子學的角度看，這是一個泵浦光光子湮沒，產生兩個低頻光子（分別對應信號光和空閒光）的過程。
光學參量放大與振盪
光學參量振盪
圖1 光學參量放大與振盪
圖1是光學參量振盪器實驗裝置的原理圖。圖1中，頻率為ωp的泵光經過非線性晶體後，部分地轉變為頻率分別為ωs和ωi的信號光與閒置光。因此，輸出的雷射含有ωp、ωs和ωi三個成分。對信號光的反饋裝置就是由腔鏡 M1和M2構成的對ωs諧振的光學諧振腔。圖1中M1和M2是諧振腔腔鏡，對信號波具有高反射率，對泵浦光透過率亦很高。泵浦光經透鏡聚焦於晶體內，參量振盪的結果，輸出端（M2）有信號光、空閒光和剩餘的泵浦光同時輸出。圖1中θ是相位匹配角，即相位匹配時光傳播方向與晶體光軸之間的夾角。如果晶體是負單軸晶體，泵浦光選擇為非常光，而信號光和空閒光選擇為尋常光。適當選擇θ值可滿足相位匹配條件：npωp=nsωs+niωi。由於相位匹配時參量增益最大，因此參量振盪都是發生在滿足相位匹配的頻率上。固定泵浦光頻率、改變θ角時，信號光和空閒光頻率都會相應改變，這樣參量振盪使固定頻率雷射轉換為頻率可調諧的雷射。如果將信號光和空閒光都加以利用，參量振盪輸出的調諧範圍更大。相位匹配條件還可通過改變晶體溫度實現。固定θ角、改變晶體溫度可得到參量振盪的溫度調諧曲線。由於相位匹配點對波長的依賴不是十分強，參量振盪器輸出雷射的單色性不太好。為此常在諧振腔中加一些選頻光學元件，如光柵、細標準具等。為提高輸出功率，在參量振盪器後可加上一級或多級參量放大。
光學參量放大與振盪可看作是泵光與信號光及閒置光反覆差頻的結果。即由於非線性晶體的作用，泵光與信號光差頻得到頻率為ωi=ωp－ωs的閒置光。一旦閒置光產生，泵光與閒置光差頻又得到頻率為ωs=ωp－ωi的信號光。結果，泵光不斷轉化為信號光與閒置光（見光學混頻）。既然這類光學差頻過程必須滿足所謂相位匹配條件，因此上面提到的產生光學參量放大或振盪的一定條件，也就是上述反覆差頻過程所要滿足的相位匹配條件k(ωp)=k(ωi)+k(ωs)， 其中k(ωp)、k(ωs)、k(ωi)分別為泵光、信號光和閒置光的波矢。
和光學倍頻類似，通常利用非線性晶體本身的雙折射性質實現光學參量放大或振盪的相位匹配。當晶體光軸相對光束傳播方向的夾角θ 改變時，三束光的折射率都會發生不同的變化。因此當ωp、ωs和ωi均一定時便會有一恰當的角度θ使上述相位匹配條件得以滿足。另一方面，對於任意一個θ 角，當泵頻ωp一定時，必有相應數值的信號光頻率ωs及閒置光頻率ωi滿足相位匹配條件，從而使這些頻率的雷射得以產生。於是，連續改變θ 角，便會發出頻率連續改變的雷射。這樣，利用參量振盪器就可實現雷射頻率的連續調諧。這種調諧方式稱為角調諧。圖2是ADP晶體的角調諧曲線（橫軸是信號光波長）。泵光波長為 λp=1.06μm。θ0是信號光頻率等於泵頻一半時的匹配角。
圖2 光學參量放大與振盪
