非线非线性光学原理与进展钱世雄04D

第４章

光学混频和光学参量振荡图４.１-１三光波非线性相互作用过程（ａ）相互作用光的频谱（ｂ）（↓表示入射光频率，↑表示出射光频率）1§４.１光学和频和频率上转换普遍情况下的三光波相互作用的耦合波方程组,Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ等人用雅可毕椭圆函数精确求解了这一组方程。“频率上转换”就是利用和频过程借助强的可见或近红外的泵浦激光ω2把入射的红外弱信号ω1转换成可见范围内的光信号ω3.一、和频（参量上转换）的产生泵浦光束ω2的强度足够大，以至由于ω3的光功率增大引起的ω2光的强度减小可忽略不计，即认为2图４．１-２光学和频的产生3图４．１-３完全相位匹配和频过程中光强的变化45二、频率上转换的相位匹配图４．１４负单轴晶体和频的切线相位匹配6§４．２光学差频和光学参量放大一、光学差频的耦合波方程及可调谐红外输出假设是泵浦光ω3无损耗的小信号相互作用,ｄＡ3（ｚ）／ｄｚ≈０，在相位匹配，Δｋ＝０时，78二、光学参量放大（ＯＰＡ）

三个光波相互作用是以能量从两个低频场流向高频场，或从高频场流向两个低频场的形式表现出来。从ω2光电场产生的意义上来说它是差频产生过程。但对于ω1的信号场被放大的意义上来说，称它为光学参量放大。于是Δｋ＝０，Ａ2（０）＝０时参量放大器的放大倍数为9§４.３光学参量产生和光学参量振荡单共振振荡器（ＳＲＯ）双共振振荡器（ＤＲＯ）与激光器不同，参量振荡器的增益是单向的，当ω1和ω2光经腔镜反射回来通过晶体时将得不到增强反而要受到损失。一、光学参量产生（ＯＰＧ）光学参量振荡是通过参量散射或荧光引起的噪声光子的放大产生的。参量散射或荧光是指频率为ω１和ω2的光子的初始数目为零的参量产生过程。量子力学能够预言这种现象的出现。这种在非线性晶体内噪声光子的单程参量放大通常称为参量超荧光或光学参量产生。10图４．３-１双共振参量振荡器11

二、光学参量振荡的阈值利用稳定振荡的自洽条件建立光学参量振荡的阈值方程。12图４．３-３信号和闲频光电场在腔内往返一周的传播图４．３２独立结构的晶体参量振荡器1314双谐参量振荡器只要求很低的泵浦光阈值，但对谐振腔的稳定性提出了较高的要求。三个光波还需同时满足以下频率和相位条件15

ω′1＝ω1－Δω；ω′2＝ω2＋Δω仍满足振荡的相位条件式。图４．３-４（ω1，ω2）和（ω1′，ω2′）同时满足振荡的相位条件时，ω1和ω2值沿相反方向变化。竖直线对应信号和闲频频率各个纵模共振16四、单谐振参量振荡的阈值ＳＲＯ的阈值公式17图４．３５非共线相位匹配的单共振光学参量振荡器18§４．４光学参量振荡器的输出特性光学参量振荡器运行时，泵浦光ω3的光电场Ｅ30达到阈值Ｅ3t。此时参量转换的增益与损耗相抵，产生振荡。当泵浦光功率大于阈值功率时，由于能量守恒，任何超出阈值的功率都将转换成信号光和闲频光的输出。参量振荡器的输出功率和转换效率。双谐振荡器，在建立稳定振荡后，信号场和闲频场的振幅在整个腔内是不变的，即和等于０，超过阈值的泵浦功率应消耗在腔内损耗和通过腔镜输出的信号和闲频光中。前向传播的泵浦光电场为频率为ω1和ω2的光电场也能反射回去通过和频过程产生一个频率为ω3的后行波，19图４．４-１（ａ）通过振荡器的泵浦光功率Ｐ3的波形：虚线代表未振荡时的波形，实线代表发生振荡时的波形（ｂ）信号光的功率波形20直接积分，当Δｋ＝０时在腔内因转换成信号、闲频光波而减少的泵浦光强为在Ｎ＝４时，效率达到极大值，ηmax＝５０％。21在最理想的情况下，双谐参量振荡器的理论转换效率才达到５０％，其主要原因是信号波与闲频波逆向传播时非线性晶体的和频作用产生了一个逆向的泵浦波，降低了信号光的功率。同时它还会反馈回激光器，造成泵浦光功率和频率的不稳定。因此就提出了用环形谐振腔来消除后行波的影响。单谐振参量振荡器（ＳＲＯ）的转换效率。ＳＲＯ的谐振腔对泵浦光和闲频波是完全透明的。只有信号光在腔内建立稳定的振荡，故其振幅可视为常数，于是2223二、参量振荡器的频率调谐参量振荡器的输出频率由能量和动量守恒，ω3=ω1＋ω2和ｋ3＝ｋ1＋ｋ2所确定。它们一起给出关系式以负单轴Ⅰ型相位匹配的参量振荡器为例，讨论怎样通过晶体的角度转动和温度变化实现输出频率的调谐。24在给定ｎi（ωi）的色散后，就能从（４．４-２８）和（４.４-２９）二式计算出ω1（或ω2）对θ的角度调谐曲线。25温度调谐可按同样的方式来处理，假设在温度Ｔ0时，符合相位匹配条件26一、连续波参量振荡器的研究进展以下几个方面的研究进展使连续波ＤＲＯ器件达到了实际应用的水平。（１）新的非线性光学晶体ＫＴＰ，β-ＢＢＯ和ＬＢＯ等的发明，它们不但具有高的光损伤阈值和大的非线性系数而且具有非常优良的透光性和热稳定性。（２）用于ＯＰＯ泵浦的激光器的频率稳定性大大提高。特别是半导体激光泵浦的固体激光器已能提供单纵模的泵浦光源。（３）各种新颖的谐振腔结构和伺服技术的采用０］降低了腔损耗，保证了连续波ＤＲＯ器件的低阈值运行以及谐振腔的机械稳定性。

（４）由于采用Ⅱ型相位匹配技术，信号光和闲频光的偏振态相互垂直，使得在频率简并的情况下信号场与闲频场也是非简并的，从而压缩了参量增益的带宽，获得了较之Ⅰ型匹配远为稳定的光谱特性。27图４．５-１单块ＭｇＯ∶ＬｉＮｂＯ3晶体的ＤＲＯ器件。ｍ1在１０６４ｎｍ处高反，在５３２ｎｍ处的透射率为８５％，ｍ２在１０６４ｎｍ处高透28图４．５-２半固定腔结构的ＤＲＯ器件示意图29图４．５-３连续波输出的ＫＴＰ晶体ＳＲＯ实验装置。通过在腔内插入一个ＬｉＮｂＯ3的布儒斯特棱镜（ＢＰ）保证了ＳＲＯ的运行状态30二、脉冲波光参量振荡器的研究进展Ｍ，反射镜；ＤＭ，双反镜；ＴＳ，望远镜；ＰＢ，定向棱镜

图４．５-４ＢＢＯ晶体的光学参量发生实验装置图。通过ＡｇＧａＳ2晶体的差频把相干辐射输出扩展到中远红外31锁模激光器输出的超短脉冲串由于每个单脉冲只有ｐｓ～ｆｓ的宽度，因此具有很高的峰值功率（可大大高于ＯＰＯ的阈值）和较低的平均功率（可大大地低于ＯＰＯ晶体的光损伤阈值）。显然它是高效、宽调谐超短脉冲ＯＰＯ器件最理想的泵浦源。由于超短脉冲的持续时间已远小于光在ＯＰＯ谐振腔来回一周的渡越时间，所以与连续波和一般脉冲条件下工作的ＯＰＯ的稳态振荡动力学情况完全不同，无法建立振荡，必须采取同步泵浦技术.ＯＰＯ同步泵浦技术的基本原理是使光在谐振腔中来回一周的渡越时间与锁模脉冲的间隔时间相匹配。这样在第一个产生的参量荧光脉冲（信号或闲频）