第四節(jié)光參量振蕩技術(shù)

1、7.4 光參量振蕩技術(shù)光參量振蕩技術(shù)頻率調(diào)諧技術(shù)的需求頻率調(diào)諧技術(shù)的需求某些領(lǐng)域需要從可見光到紅外光，甚至紫外光范圍某些領(lǐng)域需要從可見光到紅外光，甚至紫外光范圍的可調(diào)諧激光的可調(diào)諧激光 光譜學(xué)領(lǐng)域光譜學(xué)領(lǐng)域大氣污染遙測大氣污染遙測同位素分離同位素分離軍事領(lǐng)域軍事領(lǐng)域頻率調(diào)諧技術(shù)：頻率調(diào)諧技術(shù)： 光參量振蕩技術(shù)光參量振蕩技術(shù)、可調(diào)諧染料激光技可調(diào)諧染料激光技術(shù)術(shù)、可調(diào)諧摻鈦寶石激光技術(shù)可調(diào)諧摻鈦寶石激光技術(shù)等等。等等。近近40年來，光參量振蕩器被認(rèn)為是傳統(tǒng)激光所達不到的年來，光參量振蕩器被認(rèn)為是傳統(tǒng)激光所達不到的光譜范圍內(nèi)的相干光的理想光源。它在光譜范圍內(nèi)的相干光的理想光源。它在非常寬的光譜范非

2、常寬的光譜范圍內(nèi)可實現(xiàn)頻率調(diào)諧圍內(nèi)可實現(xiàn)頻率調(diào)諧。在弗蘭肯觀察到了二次諧波之后，金斯頓等人在弗蘭肯觀察到了二次諧波之后，金斯頓等人提出了光參量振蕩器的建議；提出了光參量振蕩器的建議；1965年王、雷斯托等人首次觀察到了三波互作年王、雷斯托等人首次觀察到了三波互作用過程中的光參量增益；用過程中的光參量增益；喬特曼和密勒制成勒一臺光參量振蕩器；喬特曼和密勒制成勒一臺光參量振蕩器；1968年史密斯等人研制成功了連續(xù)運轉(zhuǎn)的光參年史密斯等人研制成功了連續(xù)運轉(zhuǎn)的光參量振蕩器。量振蕩器。光參量振蕩器的發(fā)展光參量振蕩器的發(fā)展二十世紀(jì)二十世紀(jì)80年代后，真正從實驗室走向?qū)嵱没甏?，真正從實驗室走向?qū)嵱没?.3

3、.1光參量放大和振蕩原理光參量放大和振蕩原理光參量放大和振蕩技術(shù)是微波參量放大在光頻光參量放大和振蕩技術(shù)是微波參量放大在光頻波段上的一種延伸。波段上的一種延伸。 微波放大器的工作原理微波放大器的工作原理把需要放大的微弱信號和一個較高頻率的強泵浦信把需要放大的微弱信號和一個較高頻率的強泵浦信號同時輸出到參量耦合器件中，由于參量器件的非號同時輸出到參量耦合器件中，由于參量器件的非線性耦合作用，輸入的微弱信號得到放大增強，同線性耦合作用，輸入的微弱信號得到放大增強，同時產(chǎn)生另一個低頻率的閑置波。時產(chǎn)生另一個低頻率的閑置波。 三種微波信號必須滿足三種微波信號必須滿足頻率條件頻率條件和確定的和確定的相位

4、匹配相位匹配條件條件。 isp引申到光頻波段引申到光頻波段光參量放大光參量放大 非線性晶體作為參量耦合元件。將一個高頻的強激非線性晶體作為參量耦合元件。將一個高頻的強激光輻射（泵浦光）和一個低頻弱激光信號（信號光）光輻射（泵浦光）和一個低頻弱激光信號（信號光）同時入射到非線性晶體上，弱的信號光被放大，同同時入射到非線性晶體上，弱的信號光被放大，同時產(chǎn)生另一個較低頻率的空閑光。時產(chǎn)生另一個較低頻率的空閑光。 isp光參量放大過程實質(zhì)是產(chǎn)生差頻光波的混光參量放大過程實質(zhì)是產(chǎn)生差頻光波的混頻過程。頻過程。 spiips實現(xiàn)光參量放大的條件實現(xiàn)光參量放大的條件 能量守恒條件能量守恒條件 isp頻率條件

5、動量守恒條件動量守恒條件 波矢條件ispkkk相位匹配條件光參量振蕩器光參量振蕩器 把非線性晶體置于光學(xué)諧振腔內(nèi)，當(dāng)參量放大的增益把非線性晶體置于光學(xué)諧振腔內(nèi)，當(dāng)參量放大的增益等于或大于腔內(nèi)損耗加耦合損耗時，則可分別在信號等于或大于腔內(nèi)損耗加耦合損耗時，則可分別在信號光頻率和空閑光頻率處得到持續(xù)的相干光振蕩輸出，光頻率和空閑光頻率處得到持續(xù)的相干光振蕩輸出，這就是光參量振蕩器這就是光參量振蕩器。 u雙諧光參量振蕩器雙諧光參量振蕩器 信號光和空閑光共同提供反饋。信號光和空閑光共同提供反饋。 u單諧光參量振蕩器單諧光參量振蕩器 僅靠信號光或空閑光單獨提供反饋。僅靠信號光或空閑光單獨提供反饋。 7.

6、3.2 光參量振蕩器的增益光參量振蕩器的增益光參量振蕩器的運轉(zhuǎn)條件：光參量振蕩器的運轉(zhuǎn)條件：單程增益大于損耗單程增益大于損耗 在激光器中，增益是由原子或分子能級間粒子數(shù)在激光器中，增益是由原子或分子能級間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供的；而光參量振蕩的增益是由光波在非反轉(zhuǎn)提供的；而光參量振蕩的增益是由光波在非線性晶體中的能量耦合作用提供的。線性晶體中的能量耦合作用提供的。 假設(shè)互作用的三種頻率的光波都是均勻單色平面波：假設(shè)互作用的三種頻率的光波都是均勻單色平面波： expsspidEziN Ez Ezi kzdz expiipsdEziN Ez Ezi kzdz expppsidEziN Ez Ezi kzd

7、zpiskkkk222ckdNxxx設(shè)非線性晶體充滿整個諧振腔，對于小信號增益情況，設(shè)非線性晶體充滿整個諧振腔，對于小信號增益情況，泵浦光場隨傳播距離泵浦光場隨傳播距離Z的衰減可予以忽略的衰減可予以忽略 0dzzdEp初始條件：初始條件： 00 iE 2/expsinh2cosh0kLigLgkigLELEss 2/expsinh0*kLigLEgNiLEsii晶體的長度晶體的長度21222/kg22psiENN信號光通過晶體的單程增益信號光通過晶體的單程增益 10002222sssssELEEELEG22222/sinhLggLLGREMARKS：sinh( )2xxeexcosh( )2x

8、xeex雙曲函數(shù)雙曲函數(shù)：上式說明：上式說明：LkLkLG2221222222/2/sinh22222/sinhLggLLG21222/kg當(dāng)當(dāng) 時，即時，即 的低增益情況下的低增益情況下 22k0k222/2/sinkkG只有只有 時，才能有效產(chǎn)生光參量振蕩效應(yīng)，并時，才能有效產(chǎn)生光參量振蕩效應(yīng)，并獲得最高的增益，此時獲得最高的增益，此時 0kLLLLG2exp41sinh22222max上式說明：上式說明：在滿足相位匹配條件時，只要非線性晶在滿足相位匹配條件時，只要非線性晶體足夠長，泵浦光強度足夠強，就可在高增益下，體足夠長，泵浦光強度足夠強，就可在高增益下，由晶體中的自發(fā)噪聲，有效地產(chǎn)生

9、光參量振蕩效應(yīng)由晶體中的自發(fā)噪聲，有效地產(chǎn)生光參量振蕩效應(yīng)。 就泵浦光、信號光和空閑光的波矢共線情況，討就泵浦光、信號光和空閑光的波矢共線情況，討論一下相位匹配條件論一下相位匹配條件ispkkkcnkiissppnnn與與倍頻倍頻相同，可采用相同，可采用角度和溫度匹配角度和溫度匹配方法方法。晶類晶類匹配方式匹配方式泵浦光、信號光、空閑光泵浦光、信號光、空閑光負(fù)單軸晶負(fù)單軸晶I類類II類類eooeoe正單軸晶正單軸晶I類類II類類o eeooe7.3.3光參量振蕩器的閾值光參量振蕩器的閾值si信號光往返一周的損耗率信號光往返一周的損耗率 空閑光往返一周的損耗率空閑光往返一周的損耗率 LEEsss

10、 10 LEEiii 10相位匹配（相位匹配（ ）時的振蕩方程：）時的振蕩方程： 0k LENiLEEisssssinhcosh0011 LENiLEEssiiisinhcosh0011 00sinh011coshisssELNiEL 0011cosh0sinhiisiELELNi 和和 不等于零的條件是上述線性齊次方程組的不等于零的條件是上述線性齊次方程組的系數(shù)行列式為零。系數(shù)行列式為零。 0sE 0iE0sinh11cosh11cosh2LLLis1sinhcosh22LLissiL21coshsi 和和 一般很小一般很小 ，所以對上式平方后略去三，所以對上式平方后略去三次以上的項，可得次

11、以上的項，可得 isLG2sinh這說明在閾值情況下，光參量振蕩器得增益應(yīng)等于這說明在閾值情況下，光參量振蕩器得增益應(yīng)等于信號光和空閑光損耗系數(shù)的乘積，上式即為光參量信號光和空閑光損耗系數(shù)的乘積，上式即為光參量振蕩器的閾值條件。振蕩器的閾值條件。 u對于單諧振情況對于單諧振情況，可認(rèn)為 si1issL11coshs2單GiissGG22單若雙諧振的若雙諧振的 ，則，則 。說明。說明單諧振單諧振的閾值比雙諧振的閾值高得多。的閾值比雙諧振的閾值高得多。 %1iGG2102單閾值泵浦功率密度：閾值泵浦功率密度： 20202121LNNncEncIsippth7.3.4光參量振蕩器的頻率調(diào)諧光參量振蕩

12、器的頻率調(diào)諧光參量振蕩器最大的特點是其輸出頻率可以在一定范光參量振蕩器最大的特點是其輸出頻率可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變，不同的非線性介質(zhì)和不同的泵浦源，圍內(nèi)連續(xù)改變，不同的非線性介質(zhì)和不同的泵浦源，可得到不同的調(diào)諧范圍?？傻玫讲煌恼{(diào)諧范圍。 能量守恒條件能量守恒條件 isp頻率條件頻率條件動量守恒條件動量守恒條件 波矢條件波矢條件ispkkk相位匹配條件iissppnnn三波矢共線三波矢共線iissispnnn sppiisnnnn上式表明：上式表明：信號光和空閑光的頻率依賴于泵浦光信號光和空閑光的頻率依賴于泵浦光的折射率。的折射率。 改變改變 的方法是通過改變泵浦光與非線性晶體的方法是通過改變泵浦光與非線性晶體之間的夾角（角度調(diào)諧）或改變晶體的溫度（溫之間的夾角（角度調(diào)諧）或改變晶體的溫度（溫度調(diào)諧）等實現(xiàn)的。度調(diào)諧）等實現(xiàn)的。 pn現(xiàn)在考慮泵浦光為頻率現(xiàn)在考慮泵浦光為頻率 的非常光，信號光和的非常光，信號光和空閑光則為尋常光?？臻e光則為尋常光。 p假定三波波矢共線，且與非線性晶體光軸方向的假定三波波矢共線，且與非線性晶體光軸方向的夾角為夾角為 時，信號光和空間光的頻率為時，信號光和空間光的頻率為00s0i00000iissppnnn00pppnnn00sssnnn00iiinn