參量振盪器

高功率的連續光可調諧雷射光源在近40年來一直是物理和化學研究實驗室中的關鍵工具。染料雷射器和Ti:sapphire雷射器在可見光和近紅外區域可以提供瓦級的超高解析度雷射，並且在光譜和原子物理學中有著廣泛套用。

基本介紹

• 中文名：參量振盪器
• 外文名：OPO
• 被首次報導：1968年就
• 套用於：光致電離顯微鏡

產品歷史

連續光（CW）光學參量振盪器（OPO），早在1968年就被首次報導，很久以來人們一直期望CW OPO能像染料雷射器和Ti:sapphire雷射器一樣，輸出高功率單頻光源，波長不僅覆蓋現有的波段而且還能拓展到中紅外波段——分子光譜領域一直期待著這個波段的雷射光源。[1]

隨著近年來使用光纖雷射器作為CW OPO的泵浦源，市場上出現了第一台商用化瓦級、單頻輸出的光源。近年來光纖雷射器技術的發展，使業界研製出了真正的連續單頻振盪器，因此使CW OPO更加實用。現有的CW OPO可以提供較寬的調諧範圍，能更完整地提供可見光、近紅外光以及長波紅外波段，許多常見的分子在這個波段有一些基本的吸收特性。

一、CW OPO的發展

儘管很早就有CW OPO的報導，但是OPO技術在1970～1990年間的發展比較緩慢，這是因為受限於可以獲取的泵浦光源、非線性材料，以及安裝它們的OPO結構。理想的單頻CW OPO泵浦源應該具有單頻光譜輸出、優異的光束質量、高功率（數瓦）和連續調諧等特性。直到現在，同時獲得所有這些特性也絕非易事。

同時，傳統的雙折射相位匹配非線性材料一般具有較小的非線性係數，這意味著早期報導的CW OPO都是使用笨重的氬離子雷射器。一般情況下，非線性驅動的限制還在於要求OPO腔在兩個OPO輸出波長共振（稱為信號光和閒頻光）。儘管有報導使用腔伺服鎖定技術來達到穩定工作和調諧，但是雙共振的諧振腔對震動仍然很靈敏，調諧仍然是個挑戰。

二、準相位匹配材料

準相位匹配非線性材料的出現，尤其是周期極化的鈮酸鋰晶體（PPLN）提高了CW OPO的能力。與傳統的雙折射相位匹配非線性材料相比，高非線性係數的非線性材料，可以把達到振盪閾值所需的泵浦雷射功率降低一個數量級。此外，準相位匹配材料可以控制輸出波長，一般情況下是用一個特定的周期極化材料來實現，而不是利用晶體特性來定義相位匹配條件和輸出波長。因此，幾乎所有的這種晶體透光波長都可以實現振盪輸出。

由於這些技術的發展，2000年市場上出現了第一台商用CW OPO。這種基於PPLN的裝置使用1.2W的二極體泵浦Nd: YAG雷射器作為其泵浦源，並且可以產生最高達100mW的單頻閒頻光輸出。儘管受到泵浦功率的限制，振盪閾值的降低可以通過使用電伺服鎖定OPO腔長的辦法，使泵浦光和信號光在OPO腔內同時振盪來實現（這種結構稱之為泵浦增強單共振振盪器）。

三、光纖雷射器泵浦源

這種單共振振盪器（SRO）結構（其中只有信號光或閒頻光在光學諧振腔中振盪）提供了最簡單的工作和調諧特性。洛克希德馬丁公司下屬的 Aculight公司生產的Argos產品，由一台單頻摻鐿主振功率放大（MOPA）結構的光纖雷射器泵浦，該雷射器是一種緊湊型機架固定模組，輸出 15W具有優異光束質量的超窄線寬雷射。不需要二極體泵浦晶體雷射器所需的水冷，而且不用考慮光學元件的準直問題，這使OPO系統更加實用。

OPO有效地把泵浦光轉換成信號光和閒頻光，這兩個波長分支都有數瓦的功率輸出（見圖1）。光纖雷射器的輸出準直鏡是鍵控的，這可以方便地在三個模組之間轉換，以實現在1.46～3.90μm範圍內的調諧（在波長重疊區域大約有100nm的較小間隙）。光纖振盪器的可調諧性使閒頻光可以實現 60GHz無跳模調諧，這只需要調諧泵浦雷射（通過壓電轉換器或者改變溫度）。這種無跳模調諧特性使該系統特別適用於利用2～4μm閒頻光進行光譜測量，對於碳氫鍵（C-H）這是一個重要的波段，在這個波段有很多重要的碳氫化合物分子的強振動躍遷。

四、套用

ArgosCW OPO系統已經套用在美國、英國、加拿大、德國和瑞士的大學與政府實驗室。由於系統是把泵浦雷射輸出光纖插在OPO模組上傳輸的，因此不需要專業人員安裝和準直（而染料雷射器和Ti:sapphire雷射器則需要專業人員進行安裝）。 加拿大阿爾伯塔大學的Wolfgang Jaeger教授正在使用Argos進行氦納米液滴研究。超流氦液滴提供了一個超冷的環境，用以研究新型化學種類。氦液滴儀器用來測量內置分子的微波和紅外譜（見圖2）。Jaeger和他的同事利用高功率OPO輸出的3006nm波長的光測量丙炔腈的光譜。Jaeger說：“該OPO系統的高功率輸出和頻率穩定性可以對摻雜的液滴進行快速研究，其密度大約僅為1010cm-3。而其他高功率紅外雷射缺乏我們套用中所必需的寬頻和快調諧特性。”

在一定波長範圍內，從CW OPO中輸出的可調諧、窄線寬和高功率雷射，使其非常適合於多種研究領域，這包括雷射冷卻原子、量子計算、表面科學、腔衰減振盪光譜和原子超音速噴射光譜。此外對於“藍色天空”研究領域，OPO輸出的大功率和紅外波長雷射正在被套用於直接聯繫現實世界的工業和軍事問題，比如在大氣和工業過程中，在高靈敏度污染物檢測中利用聲光技術的示蹤氣體感測。對於諸如飛彈防禦套用，具有把工作紅外波長調諧到大氣的“透射窗”（這樣功率就不會被大氣組分吸收損耗掉，包括水蒸氣和二氧化碳）就顯得尤為重要。

五、可見光波段

目前僅有近紅外和中紅外波段的商用CW OPO產品，這是由於可以獲得的泵浦光源大概在1μm處，以及受到PPLN非線性材料的限制。然而，世界各地不同的研究機構都在努力研究能在其他波長範圍內輸出相似性能雷射的裝置。

CW OPO中產生的可見光輸出可以從可見光泵浦（典型的是綠光固體雷射器）直接獲得，或者從綠光或紅外泵浦OPO中的頻率轉換輸出中獲得。

綠光泵浦OPO因其具有從單一裝置中輸出從可見光到紅外光的能力而尤其引人注意（見圖3）。然而，綠光泵浦的非線性材料受限於對可見光波長的吸收及其產生的熱透鏡效應。另一個辦法是在OPO腔內進行泵浦光、信號光和閒頻光的腔內混頻。1998年，利用泵浦光和共振光的合頻產生器（SFG）獲得了高達2.5W的629nm紅光。[3] 儘管這個裝置受限於對PPLN材料的光折變損傷，近來利用周期極化超晶格鉭酸鋰（PPLST）CW OPO工作的腔內頻率轉換，可以得到功率水平在0.5W的藍光穩定輸出，以及共振波腔內二次諧波產生（SHG）獲得的紅光。[4] [5]

法國國家科學研究中心（CNRS）的Fabien Bretenaker、Cyril Drag和Thu-Hien My研製了一套綠光泵浦CW OPO，它利用紅外閒頻光的腔內SHG產生穩定的單頻紅光輻射。“可見光CW OPO是高分辨光譜中一種非常有前景的光源，其可套用於光致電離顯微鏡、在量子存儲中相干控制稀土離子，或作為全固態光源用於捕獲冷鈉原子。我們的測量顯示，如果工作在相同的波長，它比染料雷射器更加安靜。這開闢了一種新方法用於穩定這種光源的頻率，使其達到輸出這種波長的最高水平。 ”Bretenaker和Drag介紹說。

六、未來展望：長波紅外

此外，在利用PPLN產生光譜方面，由史丹福大學和法國Thales公司倡導的定向圖案砷化鎵（OP-GaAs）技術的發展，將有望拓展OPO技術寬泛的調諧範圍，以覆蓋長波紅外“指紋區域”，在這個波段許多常見的分子具有其基本的吸收特性。砷化鎵的寬透光區域（1～17μm）和高非線性係數，使其成為覆蓋這個光譜範圍的最有希望的候選材料。在這種材料中已經報導了脈衝OPO，其結果顯示，從單一裝置中調諧波長可以覆蓋2～11μm（這項工作的參與者之一、史丹福大學的Konstantin Vodopyanov教授表示，目前有多個小組正在致力於未來的發展。Vodopyanov說：“斯坦福、BAE系統、空軍研究實驗室和Thales公司共同致力於這項技術的持續發展和圖案化砷化鎵結構診斷，並且已經獲得OP-GaAs的穩定改善。尤其值得一提的是，研究人員已經生長出具有更短周期的較厚樣品，而且衰減損耗已經降到0.005cm-1。這項顯著的進步使其有望在不久的將來獲得連續光振盪。”

參考文獻：

1. R.G. Smith et al., Applied Physics Lett. 12, 308 (1968).

2. A.J. Henderson et al., Optics Lett. 25, 1264 (2000).

3. W.R. Bosenberg et al., Optics Lett. 23, 207 (1998).

4. G.K. Samanta and M. Ebrahim-Zadeh, Optics Lett. 33, 1228-1230 (2008).

5. T. My, C. Drag, and F. Bretenaker, Optics Lett. 33, 1455 (2008).

6. K.L. Vodopyanov et al., Optics Lett. 29, 1912 (2004).