什么是OPO激光器？

什么是OPO激光器？
光学参数振荡器optical parametric oscillator（OPO）是一种像激光一样的相干光源，但使用的是非线性晶体中的光学放大过程，而不是受激发射。由于在放大过程中不涉及任何能级，因此有可能在非常广泛的波长范围内调谐这些激光器。在OPO中，泵浦是另一种激光器，用于泵送谐振腔内的非线性晶体。晶体中的非线性相互作用导致泵浦激光转换为新波长的两个波。Giordmaine和Miller在1965年展示了OPO的首次成功运行。

在光学频率下振荡的参量振荡器被称为光学参量振荡器（OPO）。它将频率为ωp的输入激光波转换为两个频率较低的输出波（ωs, ωi），并且ωs+ ωi= ωp。这两个输出波是信号（ωs）和闲置（ωi），信号是频率较大的输出波。一个特殊情况是退化的OPO，即；ωs= ωi= ωp/2，它可以导致半谐波的产生。图1显示了光参量振荡器的几何形状和能量水平。

图1：光参量振荡器的几何形状和能级图

OPOs主要有两种类型：连续波和脉冲。脉冲式OPO比较容易制造，因为高强度只持续一小部分时间，对非线性光学材料和镜子的损害比连续高强度设备要小。OPO的一个重要特性是产生的辐射的相干性和光谱宽度。当泵浦功率明显高于阈值时，两个输出波在很近似的情况下是相干的状态。共振波的线宽非常窄，如果采用窄线宽的泵浦波，非共振产生的波也表现为窄线宽。窄线宽的OPO被广泛用于光谱学中。

OPO的操作

泵源、增益介质和反馈谐振器是光参数振荡器的三个重要组成部分。图2显示了光参量振荡器的原理图。

来自激光束的强相干光通过频率为ωp的光学非线性晶体传播。该晶体被放置在一个光学谐振器内。由于晶体中的非线性，发生了参数生成，泵浦光子被转换成信号光子和闲置光子，满足光子能量守恒ωp= ωs+ ωi。信号波通过谐振器被送回晶体，在那里它被再次放大。

图2：光参量振荡器示意图

当增加的信号强度超过阈值时，光学参数振荡开始，这意味着放大的信号波补偿了谐振器中的往返损失。达到阈值的泵浦强度，泵浦强度的很大一部分被转化为信号和空穴强度。这种从泵到生成波的功率转移降低了非线性晶体内部的泵强度，从而降低了信号增益。这种效应被称为增益饱和。

OPO的泵浦

Q开关泵。大多数的OPO是用Q开关激光器泵浦的。该激光器发出纳秒级的脉冲，有助于克服振荡的阈值。 在这个激励水平上，刺激发射驱动激光器的输出，系统被称为 "发光"。一般来说，使用Q开关泵的振荡器的输出脉冲更短，线宽更宽。通常情况下，一个带有主动Q开关的Nd: YAG激光器被用来泵送这些系统。产生的短脉冲的频率在近红外到中红外区域，能量在微焦耳到毫焦耳之间。
连续波泵。OPOs也可以用连续波激光器进行泵浦。有了高度非线性晶体增益介质，如LiNbO3，这种泵的性能很好。连续波泵是需要单一频率的应用的最佳泵。
模式锁定泵。在研究领域，锁模激光器被用来泵送OPO以产生超短光脉冲。这些振荡器的谐振器内的频率和泵的脉冲重复率相匹配。产生高能量的输出脉冲，而泵需要的功率却比1瓦少得多。

反馈谐振器的类型

根据谐振波的数量，反馈谐振器是有区别的。

单一谐振振荡器。在单谐振振荡器中，单一频率被放大，它是信号波ωs的频率。作为参数化过程的结果，会产生一个频率为ωi的惰波。但反射镜是固定的，信号波ωs将进行一次往返，然后被相应放大。它在阈值时需要很高的泵浦功率，超过几瓦的功率。大多数OPO是单谐振的。这些OPO的带宽受到相位匹配的限制。

图3：单谐振振荡器

双重谐振振荡器。在这个振荡器中，信号波和闲置波都是共振的。两个波都在腔内往返，因此发生了振荡。阈值处的泵功率减少了一至三个数量级。这些OPO的调谐很复杂。当晶体温度或泵的波长发生变化时，信号和怠速器的波长会跳跃，而且调谐是非常不规则的。这是因为空载波和信号波的同时共振，而不仅仅是相位匹配的条件，决定了操作波长的大小。还有一种情况是，信号波和泵波发生了共振。这些OPO被称为泵浦增强型单谐振光参量振荡器（PESOPO）。在这种情况下，频率线性地取决于腔体长度，而腔体长度受泵谐振宽度限制。

图4：双共振振荡器

图3和图4分别显示了单谐振振荡器和双谐振振荡器的示意图。

OPOs可以使用环形谐振器或线性（驻波）谐振器。线性谐振器易于建造和对准，而环形谐振器需要在弯曲的谐振器镜面上有较大的入射角，可能造成散光。

频率调谐

调整激光振荡波长的能力是参量振荡器的主要优势之一。对于一个给定的泵浦频率，信号和惰器频率将得到放大，并由相位匹配条件决定。任何可以改变指数的参数都可以用来调整振荡频率，因为相位匹配条件取决于三个频率下介质的折射率。因此，通过改变温度，施加一个外部电场，通过电光效应改变指数，或者通过改变晶体的方向（如果其中一个波是非常规波），可以调整振荡的频率。

特点

波长的多样性。紫外线→中红外/太赫兹
时间上的通用性。CW → 飞秒
操作。>室温
高功率/脉冲能量。30 W, 200 mJ
高效率：50-90%
紧凑、固态设计

应用

激光光谱学和许多其他科学应用。光参量振荡器可以发射中红外或远红外范围的光。这使它们在光谱学方面很有用，而激光在这一领域是有限的。在光谱学中，分子会获得一个特征性的振动光谱，这种特性在中红外区域内尤其特别常见，在这个区域内大量的分子会发生强烈的振动转换。因此，中红外光谱为研究分子结构和特性提供了一种重要的方法。OPO也可以通过测量气体的红外吸收光谱来检测和监测气体。
微量气体检测。以小浓度存在的气体被称为痕量气体。尽管占大气层的比例不到1%，但它们会对生态系统产生非常不利的影响。温室气体就是这些痕量气体之一。由于其有限的扫描范围，激光光谱仪只能检查单一类型的气体。然而，OPO和光谱方法在检测微量气体方面显示出更多的用途。为了检测痕量气体，研究人员可以通过中红外的广泛范围来调控Q开关或连续波的光参量振荡器。
生物医学成像。光学显微镜是一种成像方法，可用于检查活体组织，其分辨率优于超声波或核磁共振，但这种显微镜技术在检测组织结构的化学成分方面是有限的。为了最好地确定组织的生物化学，研究人员目前正在研究一种利用光学参数振荡器的非线性拉曼散射方法。这种方法采用强烈的振动信号，利用一个锁模泵进行高灵敏度成像。到目前为止，反斯托克斯拉曼散射显微镜在捕捉小鼠组织的图像方面已经相当成功。这些图像是实时的，具有极高的分辨率，而且是非侵入性的。基于OPO的生物医学成像可能对组织病理学有极大帮助。
其他的一些应用。

军事应用

数字投影显示器
光探测和测距(LiDAR)
精密频率计量学