光参量振荡器设计（中红外波段）希望大家讨论！！

shuiyuehun · 发表于 2008-11-2 18:52:06

0引言
      光学参量振荡器OPO是波长可调谐的相干光光源，能够将一个频率的激光转换为信号和空闲频率的相干输出，而且，可以在一个很宽的频率范围内实现调谐，是可调谐激光产生的重要手段之一;其特点是结构简单，从红外到紫外，包括可见光，调谐范围大，工作可靠，转换效率高，重复频率可以很高，并可以实现小型化与全固化光参量振荡器[1-3]。尤其是近年来，随着一批新型优质非线性光学晶体的发明、成熟和大量应用，以及非线性光学频率变换和可调谐激光技术的飞速发展，在光参量振荡器及其应用技术这一研究领域取得了不少十分重要的突破，其主要应用领域己包括:环境监测、遥感、医疗诊断和治疗、激光光谱学研究、材料处理、数据通信、光电测量、激光测距、激光雷达、红外对抗等[4-7]。因此，光参量振荡器及其应用技术的研究已发展成为一门交叉学科，并展现出它越来越独特的魅力。
1中红外OPO发展历程
   在激光器出现不久,P.A.Franken等人[8]于1961年进行了光学谐波产生的非线性光学实验研究,首次的三光波混频实验是C.C.Wang等人[9]于1965年完成的。而在这一实验之前的1962年和1963年,R.H.Kingston[10]、N.M.Kroll[11]、S.A.Akhmanov[12]和J.A.Armstrong[13]等人在理论上就已经预言了三光波过程中存在参量增益的可能。OPO是首先在脉冲泵浦下实现的。1965年,J.A.Giodmaine]和R.C.Miller用Q开关多模1.058μmGaWO4:Nd激光通过LiNbO3晶体,获得调谐范围为0.97~1.15μm的参量信号输出[14]。1968年R.G.Smith[15]和R.L.Byer[16]等人成功地获得了连续工作的OPO。1970年前，,国际上采用各种固体激光器及其谐波泵浦,使用KDP、ADP、LiNbO3、BNN等非线性晶体,通过角度、温度、电光等调谐方式探索了各种OPO的结构,在理论上建立了完善的参量互作用理论。
80年代以后，以KTP、BBO、LBO等为代表的一些性能优良的非线性晶体的出现，重新给光学参量振荡器的发展注入了活力，这一时期OPO的研究取得了重大突破，使OPO进入了实用阶段，出现了商品化的可见和近、中红外的OPO产品投入市场。80年代中后期，人们开始研究了透明范围更宽、可匹配波长更长的非线性晶体，这些晶体包括KTP的同型晶体RlA、KTA和CIA等[17]。
      90年代，全固态激光器件有了长足的进展，为QPM的CW-OPO提供了优质的泵源，宽谐调，高功率，高分辨的全固态的参量激光器正开始商品化开发。由于QPM-ns-OPO脉冲功率高，更易取得高效率宽调谐输出，而且重复频率高(103-104HZ)探测信息量大，势必成为第一批实用化的QPM-OPO器件[18]。从应用方面看QPM-OPO有很多课题有待研究，目前，用于QPM的光学超晶格厚度一般为0.5mm厚，孔径与长度比太小，限制了输出功率，设计花样与光学特性的关系研究有很大潜力，由此可以开发各具特色的实用化器件，如高光谱分辨器件，多波长器件，超短脉冲器件，快速调谐器件可进入许多重大应用领域。随着激光技术发展到21世纪，以非线性光学晶体的二级非线性光学效应为基础的光学参量振荡器已达实用化阶段。
2光参量振荡器的基本原理[19]
            光学参量振荡器(OPO)作为一种宽调谐相干光源，克服了固体和气体激光器输出波长的局限性，能够产生从紫外到远红外激光。一束频率和强度比较高的激光束与一束频率及强度较低得光束同时通过非线性介质，结果是信号波获得放大，同时还产生出第三束光波（称为空闲波）。空闲波得频率正好等于甭浦光波得频率。这个非线性光学现象称为光学参量放大。如果把非线性介质放在光学共振腔内，让泵浦光波、信号光波及空闲光波多次往返通过非线性介质，当信号光波和空闲光波由于参量放大得到的增益大于它们在共振腔内的损耗时，便在共振腔内形成激光振荡。这就是光学参量振荡器。在实际的光学参量振荡器中，并不要求从外界输入一定强度的信号波，它可以是非线性介质内由自发辐射产生的。

      通过选择不同膜系的输出耦合镜，可以形成不同的光参量振荡器。输出耦合镜对泵浦光高透，使泵浦光一次通过非线性晶体，称为单通光参量振荡器;输出耦合镜对泵浦光部分反射，使泵浦光再一次通过非线性晶体，称为双通光参量振荡器。通过选择不同膜系的谐振腔镜，使泵浦光、信号光和空闲光三光波中不同的光波在谐振腔中振荡可以形成不同谐振类型的振荡器。
3中红外OPO设计中应考虑的关键技术问题
      光参量振荡器的设计需要考虑泵浦源的光束质量、线宽、重复频率、峰值功率、泵浦方式，以及非线性晶体的品质因数、透明范围、激光损伤闭值、均匀性、热导率、匹配方式等;同时还需要考虑谐振腔的结构、膜片的抗损伤性能、宽带膜片的镀制、调谐的精确性等问题。以上因素都影响到OPO系统的阈值、效率、输出功率、调谐范围等。因此，设计OPO系统应针对不同应用来权衡，而不是单靠一种晶体、一种途径来解决所有问题[20]。
（1）非线性晶体材料的选择
      一般来说，光参量振荡器对非线性晶体有如下基本要求:
A具有适当大小的有效非线性系数;
B在工作波段范围内有高的透明度;
C在工作波段范围内能实现有效的相位匹配;
D能够得到足够尺寸，光学均匀性较好，物化性能稳定和易于加工;
E有较高的损伤阂值;
F对温度的敏感低。
( 2)非线性晶体的最佳长度
         从理论上来说，非线性晶体的长度越长越好，以增加参量过程的增益长度。但是随着晶体长度的增加，参量过程会发生逆转换(即闲频光和信号光转换为泵浦光)，从而影响整个0P0的转换效率。同时晶体的长度越长，输出参量光的光束质量也越差。因此我们在选择非线性晶体的长度时，应兼顾这两个因素，以选择最合适的长度。
(3)泵浦功率的影响
      光参量过程中，泵浦光强度能够直接决定OPO参量输出的大小。在其它参数确定的情况下，泵浦光强度并不是越高越好。在晶体损伤闭值范围内，泵浦光强度存在一个最佳值，超过这个值，腔内会发生强的逆转换过程，它将抑制正过程的发生，从而导致参量输出效率下降。同时随着泵浦功率的增加，OPO的光束质量也随之变差。因此要选择最佳的泵浦功率，以实现高功率、高光束质量OPO输出。
(4]) OPO谐振腔的结构和腔长
      OPO的谐振腔一般有平一平腔、平一凹、双凹稳定腔等。但平一平腔会产生高阶横模，使光束质量大大降低，从而影响整个OPO的转换效率。而稳定腔能抑制高阶横模，从而改善光束质量和转换效率。在相同的泵浦功率密度下，增加OPO腔长会使MZ减小，从而改善光束质量。但随着腔长的增加，OPO的起振闭值也随之增高。因而设计OPO腔长时，应兼顾这两个方面。
(5) OPO谐振腔镜的镀膜
      参量过程对OPO腔镜的反射率很敏感，因此合适的腔镜反射率将有利于得到最佳输出。设计时应根据所需要的参量光输出来选择合适的镀膜设计。
(6)泵浦源和OPO之间的模式匹配
      只有泵浦源和OPO之间实现模式匹配，才能实现泵浦光能量向闲频光和信号光的完全有效转换，否则会大大影响转换效率，使OPO输出能量下降。
(7)泵浦光的后向反射
      OPO中剩余的泵浦光将基本按原光路反射回泵浦源谐振腔内，从而对泵浦激光器造成损坏。实验中应考虑将剩余的泵浦光隔离或吸收。
4中红外QPM –OPO
         准相位匹配光学参变振荡器的高效运转取决于非线性光学晶体的选择。近年来,由于铁电晶体极化技术的突破,使得QPM-OPO得到了迅猛发展•目前,常见的用于QPM-OPO的周期极化晶体有PPLN晶体[21-23]、PPKTP晶体[24-25]和PPRTA晶体[26-27]等。在这些晶体中，又以LiNbO3晶体和ZnGeP2晶体作为首选晶体。LiNbO3晶体以1μm左右波长的泵浦源为主，主要输出波长短于4μm的中红外激光；ZnGeP2晶体对波长短于2μm的光吸收强烈，要求泵浦源其中,PPLN晶体的非线性系数较大,且极化技术成熟,是应用最为广泛的QPM晶体。波长长于2μm，由于该晶体大的非线性吸收和优良的热传导特性使它成为高重复频率、高功率中红外激光用中红外晶体的首选非线性工作物质。光学差频中两束泵浦光进入晶体，在晶体中产生第三束差频光，同时参与差频的低频泵浦光也得到增强。差频过程不需要振荡腔，也不需要光参量过程那么高的阈值。缺点是需要两个相干性好的泵浦光源，光路复杂。利用Nd：YAG（1.06μm）和其倍频光泵浦的KTP OPO在2..1 cm LiNbO3晶体中差频实现了4.45μm处单脉冲100μJ的输出[28-32]。

      最近10年来，中红外激光OPO技术得到了较快的发展，其主要表现为输出能量增大，全固化装置。1997年，LightwvaeEleetronies公司用做为PPNL泵浦源，通过QPM单谐振OPO实现了3~4μm范围连续波输出，平均功率3w，重复频率可达30kHz。2000年，英国采用N:dYVO;泵浦一前一后两块PPLN，实现了2-5μm连续可调谐输出，3.7μm能量38mw，3.9μm能量54mw，光-光转换效率42%，重复频率100Hz。同年，荷兰Nijmgene大学报道了一种连续、单谐振PPNL-OPO，调谐范围3.7~4.7μm，3.9μm能量1.2W，4.7μm能量120mw。2003年，美国用25W1.064μm Nd:AYG泵浦单块PPLN，实现了3.9μm波长3w的输出。2004年，新加坡DSO实验室报道了光纤激光器泵浦的PPNL-OPO，3-5μm平均功率大于100mw。最近，NAsA报道了一种CW内腔PPNL-OPO，调谐范围从2.3μmm到3.9μm，线宽小于15MHz，3.4μm时的输出功率达到370mw。一般来说，LiNbO3只能产生4μm以下的OPO辐射输出，但Herpen等人利用Yb：YAG激光器产生的1..00～1.06μm可调谐激光对周期极化LiNbO3进性泵浦，在环形腔结构下，采用非谐振输出，在泵浦功率20 W的情况下，波长2.94μm处实现了3 W的输出，4.66μm处也有90 mW的输出，OPO可调谐范围为2～5μm[33-38]。
      PPLN OPO具有以下特性[39]:
(1)PPLN OPO能够低阂值运转，普通LINbO3 OPO在2~3倍闭值时就会出现损伤，而 PPLN OPO在20倍闭值的泵浦功率下仍不会达到损伤阂值。
(2)非临界相位匹配保证了调谐过程中泵浦激光不受晶体有限的接受角的限制，增益高，相互作用距离可超过50mm，因而保证了高转换效率。
(3)无双折射走离效应影响，调谐过程中不会出现光束偏离现象，无须调整腔内光学元件，因而操作简便。
(4)将不同光栅周期的PPLN样品平移进光学谐振腔，辅以温度调谐，可实现1.35-4.83μmm输出。
(5)适合高重复频率、高功率二极管激光泵浦的固体激光器(DPSSL)和连续波二激光激光器泵浦，整个器件可做到小型化、全固化、一体化。
            因此，采用周期极化PPLN实现的光学参量震荡，已经成为当今实现可调谐红外光源的重要手段和研究热点，其谐振腔基本组成由：泵浦源、光学腔、周期极化晶体，下面介绍几种单谐振典型腔型[40]：
(1)       两镜直腔
下图为典型PPLN-OPO的两镜直腔结构，通常在泵浦光后要加可变衰减器和光学隔离器，以调节泵浦光强弱和防止激光腔镜反射的泵浦光反射回激光器，将激光器损伤。通常，两镜直腔结构简单，便于调节且稳定性较好，但是阈值较高，要形成震荡要很高的泵浦光强。

（2）       四镜腔
与两镜直腔相比较，四镜腔提高了转换效率，并且增加了参量震荡光的输出功率，然而，由于较高的环程损耗，阈值高于两镜直腔，四镜腔又分为四镜直腔和四镜环腔，其结构如下所示。

   两镜腔与四镜腔的差别还体现在信号光的振幅稳定性上，在两镜腔中，当泵浦光腔为阈值的几倍时，会突然出现振幅噪声，而在四镜直腔中没有出现这种情况。
      四镜直腔和四镜环腔又很多类似的特性，但是他们在振荡阈值、光谱特性方面却有很多的差异。其中，四镜直腔的阈值比较高，因为在每一个环程莉，都有四面额外的反射造成更多的损耗。在超过阈值后两者在泵浦光损耗和参量光的输出等方面类似。另外，四镜环腔为但纵模运转，而四镜直腔为多模运转，线宽较宽。四镜直腔和四镜环腔的光谱特性具有高度可再现性，并且不依赖腔型的微小而变化。
5中红外OPO发展趋势
               光学参量发生器是一种具有很大发展潜力的全固态、宽调谐相干光源，目前它的发展趋势主要是:
(l)新型非线性晶体的开发。非线性晶体的发展直接影响光学参量发生器的发展，具有宽的透光光谱范围，大的非线性系数，高的损伤闭值，物化性能稳定且能生长大尺寸的新型晶体是光参量发生器的研究热点。
(2)准相位匹配技术的进一步发展和提高。利用周期极化技术实现准相位匹配光学参量产生，首先必须制备周期极化晶体，目前周期极化晶体主要是利用电压极化方法来制备，以后随着该项技术的提高或者新的制备周期极化晶体技术的开发和利用，可以获得通光孔径更大、质量更好的非线性晶体[41]。其中PPLN（周期性极化技术）技术的进一步发展，该技术具有操作简单、高增益、低损耗等优点，并且可以实现光脉冲压缩。
(3) 光参量振荡器的另一发展趋势是组合调谐。实现调谐范围的扩展和延伸可以通过开发和利用新型的非线性晶体或经过和频、差频等非线性频率变换过程，还可以通过组合调谐的方式来实现。
(4)光学参量发生器输出参量指标的进一步提高。调谐范围、输出能量、转换效率在不断提高的同时，利用飞秒Ti:sapphire激光器同步泵浦OPO或OPA获得飞秒输出，不断向更短脉冲发展，使OPO的输出具有比泵浦光更高的功率密度。利用各种线宽压缩技术(F-P标准具、光栅、棱镜等)获得窄线宽OPO输出，高重复频率和 CWOPO等方面的工作也将会有很大的进展。
(5) 利用二极管泵浦固体激光(DPL)以及光纤激光器技术，发展全固化宽调谐OPO，它具有高效率、长寿命、结构紧凑、体积小、重量轻、可高重复频率工作的特点，为各方面的应用带来极大的便利，平且将开辟更多的应用领域，也是将来的发展方向，在近几年发展十分迅速。
                  总之，OPO发展到今天，总的来说是百花齐放，种类繁多，已成为可调谐激光的主
流，是实现可调谐激光输出的有效技术手段。高科技的发展和实际应用对可调谐激光光源的强烈需求，使得光学参量发生器得以迅速地发展，而光学参量发生器的飞速发展又为可调谐激光光源开辟了更广阔的应用领域，并且在应用过程中对光学参量发生器提出了更高的要求。随着准相位匹配技术的不断成熟与发展，迫于各种领域对可调谐激光的强烈需求，促进了光参量振荡器的迅速发展，在不久的将来会出现品质更优秀，输出指标更高的光参量振荡器。。

[ 本帖最后由 shuiyuehun 于 2008-11-2 19:05 编辑 ]

lsgltz · 发表于 2011-5-3 14:04:09

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为了做高能量，日本PPLN厚度做到5mm了，

cnk1121 · 发表于 2010-12-18 11:32:24

opo频率变化是通过什么具体操作来实现的呢？调节晶体的角度？那样做成产品是不是要在外面留一个调节钮啊？还是通过内部电控装置实现呢？

wuxieqixiao · 发表于 2010-12-18 00:28:18

楼主是自己写的吗学习了

bobby2006 · 发表于 2008-11-17 14:30:41

原帖由 zhhy 于 2008-11-17 14:22 发表
谢谢bobby2006
QPM的优点之一就是可以在晶体的所有透光波段内实现相位匹配，这一点明白。但看LN的吸收曲线，当波长大于4微米就吸收比较大，那出光效率会很低？对于吸收比较的的波长，PPLN的长度是不是也受限制，太长 ...

LN晶体在4.5um以下还有接近80％的透过率。当然吸收越大出光的效率就越低，但对于PPLN来说，长度不会受限制，因为有吸收的地方就有增益，增益还是大于吸收的，长度还是越长转换效率越高的。我见过最长的应该有用50mm左右长度的

zhhy · 发表于 2008-11-17 14:22:14

谢谢bobby2006
QPM的优点之一就是可以在晶体的所有透光波段内实现相位匹配，这一点明白。但看LN的吸收曲线，当波长大于4微米就吸收比较大，那出光效率会很低？对于吸收比较的的波长，PPLN的长度是不是也受限制，太长的晶体前面产生的光就被后面的吸收了

bobby2006 · 发表于 2008-11-17 14:04:17

原帖由 zhhy 于 2008-11-17 13:56 发表
请问一下，做opo时,为什么LN只能做到3.9微米，而PPLN可以做到4.6微米？是因为周期极化的PPLN吸收会比普通LN好还是就是因为PPLN转化效率高？

PPLN不止可以做到4.6um，最少可以到5.5um。这是因为LN是双折射相位匹配方式（BPM），而PPLN是准相位匹配方式（QPM）。QPM的优点之一就是可以在晶体的所有透光波段内实现相位匹配（通过选择合适的极化周期），而BPM就不能了。

zhhy · 发表于 2008-11-17 13:56:23

请问一下，做opo时,为什么LN只能做到3.9微米，而PPLN可以做到4.6微米？是因为周期极化的PPLN吸收会比普通LN好还是就是因为PPLN转化效率高？

bobby2006 · 发表于 2008-11-17 08:30:00

原帖由 bai3697 于 2008-11-16 21:49 发表
谢谢LZ
问一下，你是做OPO的吗》？

我是做OPO的，你也是？

bai3697 · 发表于 2008-11-16 21:49:46

谢谢LZ
问一下，你是做OPO的吗》？

bobby2006 · 发表于 2008-11-13 22:25:17

呵呵，1.5W是什么时候的水平阿，96年光波公司就能输出3.5W的闲频光了。现在远远不止这个水平阿。据我所知，现在PPMgLN可以做到几十瓦了，国内九院也号称能出十多瓦。

shuiyuehun · 发表于 2008-11-12 20:28:58

PPLN或PPMgLN-OPO能达到1.5w左右吧，你说呢？？

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回复：发表于 2008-11-12 19:52 只看该作者

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