参量放大

§3.4光学参量放大与振荡效应光学参量放大光学参量振荡物理图象光学参量放大和振荡条件光学参量振荡器的频率调谐光学参量振荡器实验系统考查当一种频率较低的弱信号光束与另一种频率较高的强泵浦(激励)光束同时入射到非线性介质内时将要产生的情况．理论分析与实验研究均已表明，此情况下在通过介质后，弱的入射信号将得到放大，强的泵浦光将有所减弱，与此同时，非线性介质还将辐射出频率等于上述两入射光频率之差的第三种相干光，一般称之为闲频光．以上这种非线性光学效应，称为光学参量放大效应．1光学参量放大效应定义作用过程wswpwswpwispiP)2(ipsP)2((1)(2)(3)在相位匹配条件下,信号和闲频光不断被放大2光学参量振荡在光学参量放大器的基础上，如果进一步采用光学反馈装置共振腔，则在参量放大作用大于腔内各种损耗作用的条件下，可同时在和频率处产生相干光振荡，这就是我们下面讨论的光学参量振荡器(OPO,OpticalParametricOscillator)的工作原理．i单共振参量振荡器---只有光振荡输出双共振参量振荡器---同时输出参量振荡器与激光振荡器比较:相同点不同点siss1962年，金斯顿、克罗尔等人分别提出了光学参量振荡器的建议；1965年，王氏和雷斯特尔首先观察到三波非线性作用的参量增益；同年，乔特迈和米勒制成了第一台光学参量振荡器。OPO的历史：OPO的作用提供从可见光一直到红外光的可调谐相干辐射。应用于大气污染的遥测，化学及同位素分离等研究中。虚能级基能级图光学参量放大与振荡效应的量子跃迁过程图解psi量子理论pi基元过程理解为可分两个步骤来完成：过程的第一步，涉及到一个能量为的泵浦光子的湮灭，而介质的某一个分子离开初始能级跃迁到由虚能级表示的中间状态；过程的第二步，是处于中间状态的分子立刻回到初始能级并同时辐射出二个能量分别为s的光子．3光学参量效应的物理解释psipsikkkppssiinnn假设三种光为同方向,波矢的向量匹配条件简化为:4光学参量放大和振荡的条件22022*022*0,,,psisispipiipspsPEEPEEPEE为使推导简明起见，进一步假设三种波均为线偏振平面单色波，偏振状态的选择，使相位匹配条件有可能得到满足，并且三波波矢方向相同(均沿z轴方向)．2*2*2222ppikzesipsikzsepisiikziepsiAzkieAAznAzkieAAznAzkieAAzn（1）（2）放大：非线性介质入射表面处三种光波振幅满足如下边界条件：00000000ppsspiiAzAAzAAAzA0ppAzA*2*20202ssepisiiepsiAzkiAAzznAzkiAAzzn方程的解为0*00cosh0sinhssssisiiAzAznAziAzn（3）（4）（5）参量放大器的放大倍数是多少？如果在所考虑的非线性介质的空间作用范围内有下述条件成立：则表示式中的双曲函数可分别用相应的指数函数近似代替，亦即00**102102zsszssiiiiAzAenAzAen00epsisiAnn式中，参量放大作用的指数增益因子参量放大过程的增益因子与有效二次非线性电极化系数因子成正比，此外与入射泵浦光的振幅(或光强的开方)成正比.（6）（7）10z对光学参量振荡系统来说，设腔内非线性介质对信号光和闲频光的损耗因子均为0，而共振腔输出反射镜对上述两种光的反射率均为R(另一端反射镜为全反射)，此外设共振腔镜对入射泵浦光有较高的透过率，则光学参量振荡的阈值条件可表为0021teR0011ln2llR振荡阈值条件(8)还可改写为阈值条件的最后表示00110ln22psisipennnIllR公式的物理意义是，在非线性介质及作用长度Z为给定的情况下，只有当外界入射泵浦光超过一定阈值时，才有可能在共振腔内形成持续的参量振荡作用．放大与振荡：（8）（9）（10）5参量振荡器的频率调谐光参量振荡器的最大特点是其输出频率可以在一定范围内连续改变，不同的非线性介质和不同的泵浦源，可以得到不同的调谐范围.当泵浦光频率3w固定时，参量振荡器的振荡频率应同时满足频率和相位匹配条件312=+312kkk=+若三波波矢共线，则有331122nnn=+()3121122nnn=+231231nnnnww-=-(1)(2)(3)(4)将（1）代入（3）1w2w可见，信号光和空闲光的频率依赖于泵浦光的折射率，因而可以通过改变泵浦光的折射率使改变n3的方法，可以通过改变泵浦光与非线性晶体之间的夹角（角度调谐），或改变晶体的温度（温度调谐）等实现.231231nnnnww-=-频率作相应的变化，以满足相位匹配条件.5参量振荡器的频率调谐(4)（1）角度调谐3w1w2w在共线相位匹配的情况下，假定频率为的泵浦光是非常光，光波是寻常光，假使晶体光轴与谐振腔轴之间的夹角为某一角度0q(5)20201010033nnne3330303nnnee11010nnn22020nnn1101022020根据能量守恒条件（1）式，有现在要求新的一组频率满足(3)式，故应有略去的二阶小量，并利用(1)式，可得（6）（7）12111122223033nnnnnnooooeoooonnnnn2122113311111oonn2222oonn033enn利用(7)式，连同，代入(6)式后，可以得到振荡频率相对于晶体取向的变化率为202010102010331nnnnne222022sincos1eennnoooooooeennnnnnn2211210232323312sin1121（8）（9）（10）12图信号光频率的变化曲线ADP晶体，信号光频率随角度变化的实验和理论曲线（1）角度调谐（2）温度调谐在非临界相位匹配的情况下，可以通过改变温度来改变光的折射率，从而使振荡频率发生变化.ooooooeeeoennTnTnTnnnTnonnT21221133332323231sin3cos6光学参量振荡器实验系统（1）基本特性①不需外界输入信号光而独自产生双频参量振荡；②可连续或脉冲运转并具较高的效率；③通过改变晶体折射率参数而实现可调谐(可连续变频)参量振荡输出。（2）系统组成非线性晶体．要求它们具有较高的光学透过率.较大的有效二次非线性电极化系数，折射率随外界工作条件的变化易于控制，以便实现可调谐高效率的参量振荡；晶体一般制成几毫米到几厘米的平行片(块)状，通光表面有较高的光学加工精度．泵浦光源．为产生光学参量振荡作用：必须有波长较短(相对于振荡光而言)而功率(光强)较强的激光辐射作泵浦光源．在脉冲运转时，常选用玻璃脉冲(或加Q调制)激光器输出1.06微米激光的二次谐波辐射(0.53微米)，或者红宝石激光器输出0.6943微米激光作为泵浦光入射，在连续运转时，常采用掺钕石榴石激光器输出之1.06微米激光(或它的二次谐波辐射)作泵浦光入射．此外，亦可采用各类气体激光器和染料激光器输出激光作泵浦光源．光学共振腔．可根据要求和实验条件之不同，分别采用平行平面腔、干凹、双凹或凹凸稳定腔等形式，组成共振腔的两个反射镜应该在参量振荡频率范围内有足够高的反射率，而对入射泵浦光则具适当的透过率．（2）系统组成相位匹配和调谐装置．当采用诸如LINbO3、Ba2NaNb5O15、LiIO3这类晶体作工作物质时，为实现相位匹配，可使泵浦光取非常光(e光)方式入射，而参振光束则为寻常光(o光)．si①温度调谐．泵浦光垂直于晶体光轴方向入射改变晶体的温度，可相应地改变振荡频率，在此情况下，两频率的振荡光束在空间上不分离开来.psi②角度调谐．当晶体温度保持为一定时，改变晶体光轴相对于泵浦光的入射角度，同样可改变振荡频率，在此情况下，由于晶体的双折射效应而使得、三种频率的振荡光束在空间上可能出现分离．③外场调谐．对非线性晶体施加外界直流电场或磁场，利用晶体折射率的电-光效应或磁-光效应，同样可达到可调谐振荡的目的．实际光参量振荡器装置的原理简图(a)是利用激光器输出之二次谐波辐射作泵浦光而采用温度调谐的例子；(b)是利用激光器本身的激光输出作泵浦光而采用角度调谐的例子.表光学参量振荡器实际参数选例晶体名称泵浦波长参量振荡波长调谐方式输出功率（W）效率LINbO31.064=1.95~2.13=2.13~2.35温度调谐170（重复脉冲）8.5%LINbO30.6943=1.05~1.2=1.64~2.05角度调谐（脉冲）4.5%BaB2O40.532=0.68~2.4角度调谐（脉冲）30%LiB3O50.355=0.54~1.03角度调谐14%ADP0.266=0.42~0.73温度调谐52~105℃30%CDA0.530=0.854~2.4温度调谐50~70℃30~60%CdSe1.833=2.20~2.23=9.8~10.4角度调谐90~80°40%