高功率的連續(xù)光可調(diào)諧激光光源在近40年來一直是物理和化學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室中的關(guān)鍵工具。染料激光器和Ti:藍(lán)寶石激光器在可見光和近紅外區(qū)域可以提供瓦級的超高分辨率激光，并且在光譜和原子物理學(xué)中有著廣泛應(yīng)用。
歷史沿革
發(fā)展歷程
連續(xù)光（CW）光學(xué)參量振蕩器（OPO），早在1968年就被首次報(bào)道，長期以來人們一直期望CW OPO能像染料激光器和Ti:sapphire激光器一樣，輸出高功率單頻光源，波長不僅覆蓋現(xiàn)有的波段而且還能拓展到中紅外波段——分子光譜領(lǐng)域一直期待著這個(gè)波段的激光光源。隨著近年來使用光纖激光器作為CW OPO的泵浦源，市場上出現(xiàn)了第一臺(tái)商用化瓦級、單頻輸出的光源。近年來光纖激光器技術(shù)的發(fā)展，使業(yè)界研制出了真正的連續(xù)單頻振蕩器，因此使CW OPO更加實(shí)用。現(xiàn)有的CW OPO可以提供較寬的調(diào)諧范圍，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(gè)波段有一些基本的吸收特性。
CW OPO的發(fā)展
盡管很早就有CW OPO的報(bào)道，但是OPO技術(shù)在1970～1990年間的發(fā)展比較緩慢，這是因?yàn)槭芟抻诳梢垣@取的泵浦光源、非線性材料，以及安裝它們的OPO結(jié)構(gòu)。理想的單頻CW OPO泵浦源應(yīng)該具有單頻光譜輸出、優(yōu)異的光束質(zhì)量、高功率（數(shù)瓦）和連續(xù)調(diào)諧等特性。直到現(xiàn)在，同時(shí)獲得所有這些特性也絕非易事。同時(shí)，傳統(tǒng)的雙折射相位匹配非線性材料一般具有較小的非線性系數(shù)，這意味著早期報(bào)道的CW OPO都是使用笨重的氬離子激光器。一般情況下，非線性驅(qū)動(dòng)的限制還在于要求OPO腔在兩個(gè)OPO輸出波長共振（稱為信號光和閑頻光）。盡管有報(bào)道使用腔伺服鎖定技術(shù)來達(dá)到穩(wěn)定工作和調(diào)諧，但是雙共振的諧振腔對震動(dòng)仍然很靈敏，調(diào)諧仍然是個(gè)挑戰(zhàn)。
準(zhǔn)相位匹配材料
準(zhǔn)相位匹配非線性材料的出現(xiàn)，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(tǒng)的雙折射相位匹配非線性材料相比，高非線性系數(shù)的非線性材料，可以把達(dá)到振蕩閾值所需的泵浦激光功率降低一個(gè)數(shù)量級。此外，準(zhǔn)相位匹配材料可以控制輸出波長，一般情況下是用一個(gè)特定的周期極化材料來實(shí)現(xiàn)，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(shí)現(xiàn)振蕩輸出。由于這些技術(shù)的發(fā)展，2000年市場上出現(xiàn)了第一臺(tái)商用CW OPO。這種基于PPLN的裝置使用1.2W的二極管泵浦Nd: YAG激光器作為其泵浦源，并且可以產(chǎn)生最高達(dá)100mW的單頻閑頻光輸出。盡管受到泵浦功率的限制，振蕩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(nèi)同時(shí)振蕩來實(shí)現(xiàn)（這種結(jié)構(gòu)稱之為泵浦增強(qiáng)單共振振蕩器）。
光纖激光器泵浦源
這種單共振振蕩器（SRO）結(jié)構(gòu)（其中只有信號光或閑頻光在光學(xué)諧振腔中振蕩）提供了最簡單的工作和調(diào)諧特性。洛克希德·馬丁公司下屬的 Aculight公司生產(chǎn)的Argos產(chǎn)品，由一臺(tái)單頻摻鐿主振功率放大（MOPA）結(jié)構(gòu)的光纖激光器泵浦，該激光器是一種緊湊型機(jī)架固定模塊，輸出 15W具有優(yōu)異光束質(zhì)量的超窄線寬激光。不需要二極管泵浦晶體激光器所需的水冷，而且不用考慮光學(xué)元件的準(zhǔn)直問題，這使OPO系統(tǒng)更加實(shí)用。OPO有效地把泵浦光轉(zhuǎn)換成信號光和閑頻光，這兩個(gè)波長分支都有數(shù)瓦的功率輸出（見圖1）。光纖激光器的輸出準(zhǔn)直鏡是鍵控的，這可以方便地在三個(gè)模塊之間轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)在1.46～3.90μm范圍內(nèi)的調(diào)諧（在波長重疊區(qū)域大約有100nm的較小間隙）。光纖振蕩器的可調(diào)諧性使閑頻光可以實(shí)現(xiàn) 60GHz無跳模調(diào)諧，這只需要調(diào)諧泵浦激光（通過壓電轉(zhuǎn)換器或者改變溫度）。這種無跳模調(diào)諧特性使該系統(tǒng)特別適用于利用2～4μm閑頻光進(jìn)行光譜測量，對于碳?xì)滏I（C-H）這是一個(gè)重要的波段，在這個(gè)波段有很多重要的碳?xì)浠衔锓肿拥膹?qiáng)振動(dòng)躍遷。
應(yīng)用
ArgosCW OPO系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在美國、英國、加拿大、德國和瑞士的大學(xué)與政府實(shí)驗(yàn)室。由于系統(tǒng)是把泵浦激光輸出光纖插在OPO模塊上傳輸?shù)模虼瞬恍枰獙I(yè)人員安裝和準(zhǔn)直（而染料激光器和Ti:sapphire激光器則需要專業(yè)人員進(jìn)行安裝）。加拿大阿爾伯塔大學(xué)的Wolfgang Jaeger教授正在使用Argos進(jìn)行氦納米液滴研究。超流氦液滴提供了一個(gè)超冷的環(huán)境，用以研究新型化學(xué)種類。氦液滴儀器用來測量內(nèi)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(tǒng)的高功率輸出和頻率穩(wěn)定性可以對摻雜的液滴進(jìn)行快速研究，其密度大約僅為1010cm-3。而其他高功率紅外激光缺乏我們應(yīng)用中所必需的寬帶和快調(diào)諧特性。”
見光波段
目前僅有近紅外和中紅外波段的商用CW OPO產(chǎn)品，這是由于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(jī)構(gòu)都在努力研究能在其他波長范圍內(nèi)輸出相似性能激光的裝置。CW OPO中產(chǎn)生的可見光輸出可以從可見光泵浦（典型的是綠光固體激光器）直接獲得，或者從綠光或紅外泵浦OPO中的頻率轉(zhuǎn)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于對可見光波長的吸收及其產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)。另一個(gè)辦法是在OPO腔內(nèi)進(jìn)行泵浦光、信號光和閑頻光的腔內(nèi)混頻。1998年，利用泵浦光和共振光的合頻產(chǎn)生器（SFG）獲得了高達(dá)2.5W的629nm紅光。 盡管這個(gè)裝置受限于對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(nèi)頻率轉(zhuǎn)換，可以得到功率水平在0.5W的藍(lán)光穩(wěn)定輸出，以及共振波腔內(nèi)二次諧波產(chǎn)生（SHG）獲得的紅光。 法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）的Fabien Bretenaker、Cyril Drag和Thu-Hien My研制了一套綠光泵浦CW OPO，它利用紅外閑頻光的腔內(nèi)SHG產(chǎn)生穩(wěn)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，其可應(yīng)用于光致電離顯微鏡、在量子存儲(chǔ)中相干控制稀土離子，或作為全固態(tài)光源用于捕獲冷鈉原子。我們的測量顯示，如果工作在相同的波長，它比染料激光器更加安靜。這開辟了一種新方法用于穩(wěn)定這種光源的頻率，使其達(dá)到輸出這種波長的最高水平。 ”Bretenaker和Drag介紹說。
長波紅外
此外，在利用PPLN產(chǎn)生光譜方面，由斯坦福大學(xué)和法國Thales公司倡導(dǎo)的定向圖案砷化鎵（OP-GaAs）技術(shù)的發(fā)展，將有望拓展OPO技術(shù)寬泛的調(diào)諧范圍，以覆蓋長波紅外“指紋區(qū)域”，在這個(gè)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(qū)域（1～17μm）和高非線性系數(shù)，使其成為覆蓋這個(gè)光譜范圍的最有希望的候選材料。在這種材料中已經(jīng)報(bào)道了脈沖OPO，其結(jié)果顯示，從單一裝置中調(diào)諧波長可以覆蓋2～11μm（這項(xiàng)工作的參與者之一、斯坦福大學(xué)的Konstantin Vodopyanov教授表示，目前有多個(gè)小組正在致力于未來的發(fā)展。Vodopyanov說：“斯坦福、BAE系統(tǒng)、空軍研究實(shí)驗(yàn)室和Thales公司共同致力于這項(xiàng)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和圖案化砷化鎵結(jié)構(gòu)診斷，并且已經(jīng)獲得OP-GaAs的穩(wěn)定改善。尤其值得一提的是，研究人員已經(jīng)生長出具有更短周期的較厚樣品，而且衰減損耗已經(jīng)降到0.005cm-1。這項(xiàng)顯著的進(jìn)步使其有望在不久的將來獲得連續(xù)光振蕩。”
參考資料 >
光學(xué)參量振蕩器的結(jié)構(gòu)和原理.百度文庫.2024-11-04
Chromacity光學(xué)參量振蕩器簡要介紹.知乎.2024-11-04
光學(xué)參量振蕩器——基于光諧振腔內(nèi)參量放大的相干光源.知乎專欄.2024-11-04