高功率可调谐激光器——-光学参量振荡器的新进展

　　1　引　言

　　自然界的一切物质都能对某波长范围的光具有强烈的吸收作用和荧光效应,固此光谱分析是研究物质结构的重要手段。激光是具有亮度高、方向性好、相干性强等特点,激光的引入光谱分析,激光光谱技术已经成为当前探测物质结构的最先进的方法。这里,光源波长的变化是该项技术至为重要的关键。可调谐激光器目前常用的有:染料激光器、掺钛蓝宝石激光器、色心激光器和铅盐半导体激光器以及光学参量振荡器(Optical Parametric Oscillator)光源参量振荡器OPO在调谐范围和输出功率方面均优于染料激光器和掺钛蓝宝石激光器等,特别是随着近年来一些新型而高效率的非线性晶体的出现和发展,OPO以其宽调谐范围、高效率、高重复频率、高分辨率,以及小型化、固体化等特点而日益引起国际光学界的重视。下面简要阐述OPO的工作原理,并对最新的几种OPO系统作简单介绍和评述。

　　2　OPO的基本原理和结构

　　光学参量振荡器(OPO)的原理最早见于Giordmaine和Miller的论文(1965)。频率ωp的激光光源,向非线性光源晶体提供泵浦光,由于晶体中的光学非线性效应,能够设想为一入射泵浦光子分解为两低解光子从晶体辐射出来。习惯上,将辐射的高频光子称为“信号”波(频率ωs),而较低频率的光子则称为“闲置”波(频率ωi)。由于腔体的回输为信号波和闲置波提供稳定的振荡。理论上,OPO可以提供几乎任何光源波长调谐输出的能力。信号频率和闲置频率服从守恒条件

　　或者换算成波长,即　1/λp=1/λs+1/λi对于某一固定的泵浦波长,这方程式能够满足无限多的信号和闲置波长。然而这三个波在晶体内也必须满足特定的位相关系,它们可以表示为下列形式的关系式

　　式中,np、ns和ni分别为泵浦、信号和闲置频率的折射率。在典型的非线性晶体中,双折射与角度的关系可以导

　　出由上述两个条件便可以选取三个频率。OPO的波长调谐正是由晶体倾斜表达到的。

　　如图1所示,将非线性晶体置于光学谐振腔内,泵浦光自腔外经过聚集入射于晶体内,就构成参量振荡器,对于一定的Q值,亦即晶体光轴相对于谐振腔轴的取向确定,便能利用上述公式得到ωs和ωi之间的关系,可以获得一定范围的可调谐相干光输出。除了角度调谐外,通过改变晶体的温度、电场和压力等也能实现频率改变,也是经常使用的调谐方法。

　　如果谐振腔的两面反射镜M1和M2对ωs和Wi都具有高反射率(例如rs=1,ri≈1),这时称为双共振振荡器(DRO);如果它们仅对ωs具有高反射率,则称为单共振振荡器(SRO),对于泵浦光,反射镜应尽可能具有高透射率。振荡器在参量效应的增益恰好超过谐振腔损耗时起振,因此泵浦光的输入功率必须达到一定的阈值。双共振腔由于具有较低的阈值,可以采用连续和脉冲两类激光器作为泵浦光源;由于它的谐振腔对二种波长共振,输出光的振幅和频率多少有点不稳定。单共振振荡器由于具有较高的阈值(一般要高2个量级),因此只能用脉冲激光器作为泵浦源,它的优点是输出的比较稳定,并且对谐振腔镀膜要求也较低。