高功率連續(xù)光光學參量振蕩器覆蓋更寬譜段

1、高功率連續(xù)光光學參量振蕩器覆蓋更寬譜段    作者：AngusHenderson、RyanStafford、PaulHoffman高功率的連續(xù)光可調諧激光光源在近40年來一直是物理和化學研究實驗室中的關鍵工具。染料激光器和Ti:sapphire激光器在可見光和近紅外區(qū)域可以提供瓦級的超高分辨率激光，并且在光譜和原子物理學中有著廣泛應用。連續(xù)光（CW）光學參量振蕩器（OPO），早在1968年就被首次報道，很久以來人們一直期望CWOPO能像染料激光器和Ti:sapphire激光器一樣，輸出高功率單頻光源，波長不僅覆蓋現(xiàn)作者：Angus Henderson、R

2、yan Stafford、Paul Hoffman        高功率的連續(xù)光可調諧激光光源在近40年來一直是物理和化學研究實驗室中的關鍵工具。染料激光器和Ti:sapphire激光器在可見光和近紅外區(qū)域可以提供瓦級的超高分辨率激光，并且在光譜和原子物理學中有著廣泛應用。連續(xù)光（CW）光學參量振蕩器（OPO），早在1968年就被首次報道，很久以來人們一直期望CW OPO能像染料激光器和Ti:sapphire激光器一樣，輸出高功率單頻光源，波長不僅覆蓋現(xiàn)有的波段而且還能拓展到中紅外波段分子光譜領域一直期待著這個波段的激光光源

3、。1隨著近年來使用光纖激光器作為CW OPO的泵浦源，市場上出現(xiàn)了第一臺商用化瓦級、單頻輸出的光源。近年來光纖激光器技術的發(fā)展，使業(yè)界研制出了真正的連續(xù)單頻振蕩器，因此使CW OPO更加實用。現(xiàn)有的CW OPO可以提供較寬的調諧范圍，能更完整地提供可見光、近紅外光以及長波紅外波段，許多常見的分子在這個波段有一些基本的吸收特性。        CW OPO的發(fā)展        盡管很早就有CW OPO的報道，但是OPO技術在19701990年間的發(fā)展比較緩慢

4、，這是因為受限于可以獲取的泵浦光源、非線性材料，以及安裝它們的OPO結構。理想的單頻CW OPO泵浦源應該具有單頻光譜輸出、優(yōu)異的光束質量、高功率（數(shù)瓦）和連續(xù)調諧等特性。直到現(xiàn)在，同時獲得所有這些特性也絕非易事。        同時，傳統(tǒng)的雙折射相位匹配非線性材料一般具有較小的非線性系數(shù)，這意味著早期報道的CW OPO都是使用笨重的氬離子激光器。一般情況下，非線性驅動的限制還在于要求OPO腔在兩個OPO輸出波長共振（稱為信號光和閑頻光）。盡管有報道使用腔伺服鎖定技術來達到穩(wěn)定工作和調諧，但是雙共振的諧振腔對震動仍然很靈敏，

5、調諧仍然是個挑戰(zhàn)。2        準相位匹配材料        準相位匹配非線性材料的出現(xiàn)，尤其是周期極化的鈮酸鋰晶體（PPLN）提高了CW OPO的能力。與傳統(tǒng)的雙折射相位匹配非線性材料相比，高非線性系數(shù)的非線性材料，可以把達到振蕩閾值所需的泵浦激光功率降低一個數(shù)量級。此外，準相位匹配材料可以控制輸出波長，一般情況下是用一個特定的周期極化材料來實現(xiàn)，而不是利用晶體特性來定義相位匹配條件和輸出波長。因此，幾乎所有的這種晶體透光波長都可以實現(xiàn)振蕩輸出。&#

6、160;       由于這些技術的發(fā)展，2000年市場上出現(xiàn)了第一臺商用CW OPO。這種基于PPLN的裝置使用1.2W的二極管泵浦Nd:YAG激光器作為其泵浦源，并且可以產(chǎn)生最高達100mW的單頻閑頻光輸出。盡管受到泵浦功率的限制，振蕩閾值的降低可以通過使用電伺服鎖定OPO腔長的辦法，使泵浦光和信號光在OPO腔內同時振蕩來實現(xiàn)（這種結構稱之為泵浦增強單共振振蕩器）。        光纖激光器泵浦源     

7、60;  這種單共振振蕩器（SRO）結構（其中只有信號光或閑頻光在光學諧振腔中振蕩）提供了最簡單的工作和調諧特性。洛克希德馬丁公司下屬的 Aculight公司生產(chǎn)的Argos產(chǎn)品，由一臺單頻摻鐿主振功率放大（MOPA）結構的光纖激光器泵浦，該激光器是一種緊湊型機架固定模塊，輸出 15W具有優(yōu)異光束質量的超窄線寬激光。不需要二極管泵浦晶體激光器所需的水冷，而且不用考慮光學元件的準直問題，這使OPO系統(tǒng)更加實用。        OPO有效地把泵浦光轉換成信號光和閑頻光，這兩個波長分支都有數(shù)瓦的功率輸出（見圖1）。光纖激

8、光器的輸出準直鏡是鍵控的，這可以方便地在三個模塊之間轉換，以實現(xiàn)在1.463.90μm范圍內的調諧（在波長重疊區(qū)域大約有100nm的較小間隙）。光纖振蕩器的可調諧性使閑頻光可以實現(xiàn) 60GHz無跳模調諧，這只需要調諧泵浦激光（通過壓電轉換器或者改變溫度）。這種無跳模調諧特性使該系統(tǒng)特別適用于利用24m閑頻光進行光譜測量，對于碳氫鍵（C-H）這是一個重要的波段，在這個波段有很多重要的碳氫化合物分子的強振動躍遷。        應用ArgosCW OPO系統(tǒng)已經(jīng)應用在美國、英國、加拿大、德國和瑞士的大學與政府實驗室

9、。由于系統(tǒng)是把泵浦激光輸出光纖插在OPO模塊上傳輸?shù)?，因此不需要專業(yè)人員安裝和準直（而染料激光器和Ti:sapphire激光器則需要專業(yè)人員進行安裝）。        加拿大阿爾伯塔大學的Wolfgang Jaeger教授正在使用Argos進行氦納米液滴研究。超流氦液滴提供了一個超冷的環(huán)境，用以研究新型化學種類。氦液滴儀器用來測量內置分子的微波和紅外譜（見圖2）。Jaeger和他的同事利用高功率OPO輸出的3006nm波長的光測量丙炔腈的光譜。Jaeger說：“該OPO系統(tǒng)的高功率輸出和頻率穩(wěn)定性可以對摻雜的液滴進行快速研究

10、，其密度大約僅為1010cm-3。而其他高功率紅外激光缺乏我們應用中所必需的寬帶和快調諧特性?！?#160;       在一定波長范圍內，從CW OPO中輸出的可調諧、窄線寬和高功率激光，使其非常適合于多種研究領域，這包括激光冷卻原子、量子計算、表面科學、腔衰減振蕩光譜和原子超音速噴射光譜。此外對于“藍色天空”研究領域，OPO輸出的大功率和紅外波長激光正在被應用于直接聯(lián)系現(xiàn)實世界的工業(yè)和軍事問題，比如在大氣和工業(yè)過程中，在高靈敏度污染物檢測中利用聲光技術的示蹤氣體傳感。對于諸如導彈防御應用，具有把工作紅外波長調諧到大氣的“透射窗”（

11、這樣功率就不會被大氣組分吸收損耗掉，包括水蒸氣和二氧化碳）就顯得尤為重要。        可見光波段        目前僅有近紅外和中紅外波段的商用CW OPO產(chǎn)品，這是由于可以獲得的泵浦光源大概在1m處，以及受到PPLN非線性材料的限制。然而，世界各地不同的研究機構都在努力研究能在其他波長范圍內輸出相似性能激光的裝置。        CW OPO中產(chǎn)生的可見光輸出可以從可見光泵浦（典型

12、的是綠光固體激光器）直接獲得，或者從綠光或紅外泵浦OPO中的頻率轉換輸出中獲得。        綠光泵浦OPO因其具有從單一裝置中輸出從可見光到紅外光的能力而尤其引人注意（見圖3）。然而，綠光泵浦的非線性材料受限于對可見光波長的吸收及其產(chǎn)生的熱透鏡效應。另一個辦法是在OPO腔內進行泵浦光、信號光和閑頻光的腔內混頻。1998年，利用泵浦光和共振光的合頻產(chǎn)生器（SFG）獲得了高達2.5W的629nm紅光。3 盡管這個裝置受限于對PPLN材料的光折變損傷，近來利用周期極化超晶格鉭酸鋰（PPLST）CW OPO工作的腔內頻率轉換，可

13、以得到功率水平在0.5W的藍光穩(wěn)定輸出，以及共振波腔內二次諧波產(chǎn)生（SHG）獲得的紅光。4 5        法國國家科學研究中心（CNRS）的Fabien Bretenaker、Cyril Drag和Thu-Hien My研制了一套綠光泵浦CW OPO，它利用紅外閑頻光的腔內SHG產(chǎn)生穩(wěn)定的單頻紅光輻射。“可見光CW OPO是高分辨光譜中一種非常有前景的光源，其可應用于光致電離顯微鏡、在量子存儲中相干控制稀土離子，或作為全固態(tài)光源用于捕獲冷鈉原子。我們的測量顯示，如果工作在相同的波長，它比染料激光器更加安靜。這開辟了一種新

14、方法用于穩(wěn)定這種光源的頻率，使其達到輸出這種波長的最高水平。 ”Bretenaker和Drag介紹說。        未來展望：長波紅外        此外，在利用PPLN產(chǎn)生光譜方面，由斯坦福大學和法國Thales公司倡導的定向圖案砷化鎵（OP-GaAs）技術的發(fā)展，將有望拓展OPO技術寬泛的調諧范圍，以覆蓋長波紅外“指紋區(qū)域”，在這個波段許多常見的分子具有其基本的吸收特性。砷化鎵的寬透光區(qū)域（117m）和高非線性系數(shù)，使其成為覆蓋這個光譜范圍的最有希望

15、的候選材料。在這種材料中已經(jīng)報道了脈沖OPO，其結果顯示，從單一裝置中調諧波長可以覆蓋211m（見圖 4）。6這項工作的參與者之一、斯坦福大學的Konstantin Vodopyanov教授表示，目前有多個小組正在致力于未來的發(fā)展。Vodopyanov說：“斯坦福、BAE系統(tǒng)、空軍研究實驗室和Thales公司共同致力于這項技術的持續(xù)發(fā)展和圖案化砷化鎵結構診斷，并且已經(jīng)獲得OP-GaAs的穩(wěn)定改善。尤其值得一提的是，研究人員已經(jīng)生長出具有更短周期的較厚樣品，而且衰減損耗已經(jīng)降到0.005cm-1。這項顯著的進步使其有望在不久的將來獲得連續(xù)光振蕩。”參考文獻：1. R.G. Smith et al., AppliedPhysics Lett.12, 308 (1968).2. A.J. Henderson et al., Optics Lett. 25, 1264 (2000).3. W.R. Bos