光參量技術(shù)可拓展激光波長(zhǎng)？
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由于激光工作物質(zhì)都具有某些特征頻率的原因，通常情況下，一種激光器只能產(chǎn)生一個(gè)或者幾個(gè)固定波長(zhǎng)的激光輸出，這個(gè)特性限制了激光在許多現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)中的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)激光的要求也越來(lái)越高，尤其是希望激光器的輸出波長(zhǎng)可在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)節(jié)，這種激光器可統(tǒng)稱為可調(diào)諧激光器。
1991年，利用克爾透鏡鎖模，摻鈦藍(lán)寶石激光器第一次實(shí)現(xiàn)了60 fs的脈沖輸出，為近紅外光譜區(qū)域?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)脈沖輸出提供了可能性。自此，鈦寶石激光器成為700-1000 nm范圍內(nèi)主要的超快脈沖相干光源。
近年來(lái)，隨著寬帶可調(diào)諧、高相干的超快皮秒和飛秒光源在激光測(cè)距[1]、生物醫(yī)學(xué)成像[2]以及納米技術(shù)[3]等領(lǐng)域越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，科研和社會(huì)生產(chǎn)迫切需要在更多的光譜區(qū)域獲得可調(diào)諧激光輸出。
由于受到激光工作物質(zhì)能級(jí)結(jié)構(gòu)或發(fā)射機(jī)制的限制，大部分激光器產(chǎn)生的激光，要么可調(diào)諧范圍較窄，要么就是可連續(xù)調(diào)諧激光的輸出功率不夠高。因此超短脈沖激光技術(shù)向新的光譜區(qū)域的拓展遇到了一個(gè)持久的瓶頸。長(zhǎng)期的科學(xué)實(shí)踐證明，基于非線性光學(xué)的頻率變換技術(shù)是拓寬激光光譜輸出的另一個(gè)非常有效的手段。
與激光器不同，非線性光學(xué)技術(shù)可以通過(guò)選擇合適的激光泵浦源和非線性材料參數(shù)，提供所有時(shí)間尺度，從連續(xù)波 (CW) 到皮秒和飛秒的相干光源。圖1展示了西班牙光子科學(xué)研究所（ICFO）光參量振蕩器課題組研發(fā)的不同時(shí)域光參量振蕩器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的可調(diào)諧范圍。
圖1 西班牙光子科學(xué)研究所 OPO 課題組研發(fā)的不同時(shí)域光參量振蕩器
特別是，同步泵浦光參量振蕩器 (SPOPO) 結(jié)構(gòu)為產(chǎn)生穩(wěn)定的、高平均功率的近紅外到中紅外激光區(qū)域提供了最可行的方法。同時(shí)，隨著光纖激光技術(shù)的快速進(jìn)步，出現(xiàn)了高平均功率的皮秒和飛秒鎖模光纖激光器，使其成為推進(jìn)非線性頻率變換技術(shù)發(fā)展的理想泵浦源。
雖然基于鈦寶石激光器作為泵浦源的皮秒和飛秒SPOPO在過(guò)去得到了廣泛開(kāi)發(fā)，但泵浦激光器技術(shù)向鎖模光纖激光器的過(guò)渡提供了重要的實(shí)際優(yōu)勢(shì)。其中包括更簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)、更緊湊的尺寸、更低的成本、以及更高的可靠性和穩(wěn)定性，提高了光參量振蕩器（OPOs）對(duì)環(huán)境的抗干擾性，以及實(shí)用性和便捷性，從而為實(shí)現(xiàn)高效緊湊可調(diào)諧OPOs的設(shè)計(jì)提供了可能。
圖2所示為西班牙光子科學(xué)研究所光參量振蕩器課題組在過(guò)去幾年開(kāi)發(fā)的可調(diào)諧激光器光譜覆蓋范圍，其泵浦源為1 μm光纖激光器，其中部分裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程化及產(chǎn)業(yè)化。
圖2 西班牙光子科學(xué)研究所研究的各種基于 1 μm 光纖激光器頻率變換光源原理圖
該課題組基于1064 nm激光開(kāi)發(fā)的高功率SPOPO，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率，瓦級(jí)平均功率輸出，并且在1.4-8 μm近紅外到中紅外光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了廣泛的波長(zhǎng)可調(diào)性。通過(guò)部署基于諧波生成和混合額外非線性上轉(zhuǎn)化方案，進(jìn)一步將這種SPOPO的調(diào)諧范圍擴(kuò)展到可見(jiàn)光和紫外光譜區(qū)域。
使用這些技術(shù)，能夠在近紅外和中紅外區(qū)域產(chǎn)生高達(dá)11.7 W的平均功率，3.5 W可見(jiàn)光和近紅外光，5.4 W綠光，以及30 mW可調(diào)諧紫外光，脈沖重復(fù)頻率為~81 MHz[4]，其具有出色的光學(xué)輸出特性，兼具進(jìn)一步功率提升的潛力，在許多應(yīng)用中具有重要的實(shí)用價(jià)值。
光參量發(fā)生器的物理機(jī)制
圖3 光參量發(fā)生器的物理機(jī)制示意圖（a）、光參量產(chǎn)生器（b）、光參量放大器（c）光參量振蕩及調(diào)諧器示意圖
光參量產(chǎn)生器（OPG）
光參量放大器（OPA）
光參量振蕩器（OPO）
實(shí)際設(shè)計(jì)考慮因素
OPOs技術(shù)非常適合產(chǎn)生可調(diào)任意波長(zhǎng)的相干激光，但因?yàn)槟芰渴睾悖琌POs過(guò)程中產(chǎn)生的波長(zhǎng)總是會(huì)比泵浦光波長(zhǎng)要長(zhǎng)。因此，在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)工作的OPOs器件要么需要用紫外光作為泵浦源，要么需要將長(zhǎng)波長(zhǎng)進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，比如腔內(nèi)倍頻。
目前為止，后一種方法在工業(yè)用系統(tǒng)中被證明是技術(shù)上和操作上都可行的方案。此外，所謂的OPOs對(duì)應(yīng)的是鎖模皮秒或者飛秒脈沖泵浦情況下的工作區(qū)域，其重復(fù)頻率通常為70–100 MHz。因此，注入的超短脈沖通常能量比較低，此時(shí)非線性晶體對(duì)光學(xué)損傷的耐受性增加，從而使超短脈沖OPOs在使用高功率泵浦源的情況下依然可以保持高平均功率輸出下的可靠運(yùn)行。
此外，超短脈沖OPOs的運(yùn)行非常適合高功率鎖模光纖激光器作為泵浦源，這也提供了進(jìn)一步提高功率的潛力。
與工作在連續(xù)或者納秒泵浦情況下不同，超短脈沖OPOs只能在同步泵浦條件下才能實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)椋闷置}沖的時(shí)間窗口太窄，如果不能與同樣短的信號(hào)光或閑頻光同時(shí)在非線性晶體中相遇，就不能發(fā)生能量交換。
OPOs諧振腔長(zhǎng)度需要與泵浦激光器的腔長(zhǎng)匹配，OPOs腔中的信號(hào)光傳輸往返時(shí)間正好等于泵浦脈沖列的重復(fù)周期。這樣，信號(hào)光脈沖在經(jīng)歷一次往返周期后都會(huì)與下一泵浦脈沖重合，從而達(dá)到信號(hào)光在非線性晶體中經(jīng)歷連續(xù)放大的目的。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，同步泵浦也使OPOs只能工作在相對(duì)較高的脈沖重復(fù)率（>50 MHz ）下。在較低的重頻下，OPO的腔太長(zhǎng)，會(huì)使用太多的反射鏡而引入過(guò)多的損耗和潛在的不穩(wěn)定，并不實(shí)用。
同步泵浦參量振蕩器（SPOPO）相比傳統(tǒng)鎖模激光器具有許多優(yōu)點(diǎn)，由于參量過(guò)程增益的瞬時(shí)特性，SPOPO輸出脈沖相對(duì)于泵浦脈沖具有較低的時(shí)間抖動(dòng)，具有較大的靈活性和寬的調(diào)諧范圍，因此SPOPO非常適合于高分辨率時(shí)域光譜等應(yīng)用。
除了高功率鎖模泵浦激光器之外，實(shí)用化超短脈沖SPOPO的另一個(gè)關(guān)鍵因素是開(kāi)發(fā)能夠承受大平均功率的非線性材料，同時(shí)為最大非線性增益提供長(zhǎng)相互作用長(zhǎng)度，并擴(kuò)展相位匹配到感興趣的波長(zhǎng)區(qū)域的能力。基于類型0(e → e+e) 非臨界相位匹配(NCPM)下的準(zhǔn)相位匹配晶體正好可以同時(shí)滿足這些要求。
小結(jié)
光參量振蕩器是產(chǎn)生大帶寬連續(xù)可調(diào)諧激光的一種非常重要的手段，它能夠?qū)⒓夹g(shù)成熟的1 μm激光器通過(guò)頻率轉(zhuǎn)換而得到相干的其他波長(zhǎng)的信號(hào)光和閑頻光，且可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)諧。此外，光參量振蕩器還具備效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，并可以做成小型化和全固化。
近年來(lái)，隨著新的優(yōu)質(zhì)非線性光學(xué)晶體的問(wèn)世，尤其是取向圖案化的磷化鎵（OP-GaP) 晶體的出現(xiàn)，以及非線性頻率變換和寬帶連續(xù)可調(diào)諧激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，光參量振蕩器能夠直接將1 μm波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換至5-12 μm以內(nèi)的中遠(yuǎn)紅外光。
例如0.6-1 μm的近紅外激光常應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像以及光譜學(xué)領(lǐng)域，3-5 μm的中波紅外激光對(duì)應(yīng)了大氣窗口并覆蓋了多種分子的特征吸收譜線，在光電對(duì)抗、激光雷達(dá)和生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)方面有著重要應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
