非線非線性光學(xué)原理與進展錢世雄04D

第４章

光學(xué)混頻和光學(xué)參量振蕩圖４.１-１三光波非線性相互作用過程（ａ）相互作用光的頻譜（ｂ）（↓表示入射光頻率，↑表示出射光頻率）1§４.１光學(xué)和頻和頻率上轉(zhuǎn)換普遍情況下的三光波相互作用的耦合波方程組,Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ等人用雅可畢橢圓函數(shù)精確求解了這一組方程?！邦l率上轉(zhuǎn)換”就是利用和頻過程借助強的可見或近紅外的泵浦激光ω2把入射的紅外弱信號ω1轉(zhuǎn)換成可見范圍內(nèi)的光信號ω3.一、和頻（參量上轉(zhuǎn)換）的產(chǎn)生泵浦光束ω2的強度足夠大，以至由于ω3的光功率增大引起的ω2光的強度減小可忽略不計，即認為2圖４．１-２光學(xué)和頻的產(chǎn)生3圖４．１-３完全相位匹配和頻過程中光強的變化45二、頻率上轉(zhuǎn)換的相位匹配圖４．１４負單軸晶體和頻的切線相位匹配6§４．２光學(xué)差頻和光學(xué)參量放大一、光學(xué)差頻的耦合波方程及可調(diào)諧紅外輸出假設(shè)是泵浦光ω3無損耗的小信號相互作用,ｄＡ3（ｚ）／ｄｚ≈０，在相位匹配，Δｋ＝０時，78二、光學(xué)參量放大（ＯＰＡ）

三個光波相互作用是以能量從兩個低頻場流向高頻場，或從高頻場流向兩個低頻場的形式表現(xiàn)出來。從ω2光電場產(chǎn)生的意義上來說它是差頻產(chǎn)生過程。但對于ω1的信號場被放大的意義上來說，稱它為光學(xué)參量放大。于是Δｋ＝０，Ａ2（０）＝０時參量放大器的放大倍數(shù)為9§４.３光學(xué)參量產(chǎn)生和光學(xué)參量振蕩單共振振蕩器（ＳＲＯ）雙共振振蕩器（ＤＲＯ）與激光器不同，參量振蕩器的增益是單向的，當(dāng)ω1和ω2光經(jīng)腔鏡反射回來通過晶體時將得不到增強反而要受到損失。一、光學(xué)參量產(chǎn)生（ＯＰＧ）光學(xué)參量振蕩是通過參量散射或熒光引起的噪聲光子的放大產(chǎn)生的。參量散射或熒光是指頻率為ω１和ω2的光子的初始數(shù)目為零的參量產(chǎn)生過程。量子力學(xué)能夠預(yù)言這種現(xiàn)象的出現(xiàn)。這種在非線性晶體內(nèi)噪聲光子的單程參量放大通常稱為參量超熒光或光學(xué)參量產(chǎn)生。10圖４．３-１雙共振參量振蕩器11

二、光學(xué)參量振蕩的閾值利用穩(wěn)定振蕩的自洽條件建立光學(xué)參量振蕩的閾值方程。12圖４．３-３信號和閑頻光電場在腔內(nèi)往返一周的傳播圖４．３２獨立結(jié)構(gòu)的晶體參量振蕩器1314雙諧參量振蕩器只要求很低的泵浦光閾值，但對諧振腔的穩(wěn)定性提出了較高的要求。三個光波還需同時滿足以下頻率和相位條件15

ω′1＝ω1－Δω；ω′2＝ω2＋Δω仍滿足振蕩的相位條件式。圖４．３-４（ω1，ω2）和（ω1′，ω2′）同時滿足振蕩的相位條件時，ω1和ω2值沿相反方向變化。豎直線對應(yīng)信號和閑頻頻率各個縱模共振16四、單諧振參量振蕩的閾值ＳＲＯ的閾值公式17圖４．３５非共線相位匹配的單共振光學(xué)參量振蕩器18§４．４光學(xué)參量振蕩器的輸出特性光學(xué)參量振蕩器運行時，泵浦光ω3的光電場Ｅ30達到閾值Ｅ3t。此時參量轉(zhuǎn)換的增益與損耗相抵，產(chǎn)生振蕩。當(dāng)泵浦光功率大于閾值功率時，由于能量守恒，任何超出閾值的功率都將轉(zhuǎn)換成信號光和閑頻光的輸出。參量振蕩器的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。雙諧振蕩器，在建立穩(wěn)定振蕩后，信號場和閑頻場的振幅在整個腔內(nèi)是不變的，即和等于０，超過閾值的泵浦功率應(yīng)消耗在腔內(nèi)損耗和通過腔鏡輸出的信號和閑頻光中。前向傳播的泵浦光電場為頻率為ω1和ω2的光電場也能反射回去通過和頻過程產(chǎn)生一個頻率為ω3的后行波，19圖４．４-１（ａ）通過振蕩器的泵浦光功率Ｐ3的波形：虛線代表未振蕩時的波形，實線代表發(fā)生振蕩時的波形（ｂ）信號光的功率波形20直接積分，當(dāng)Δｋ＝０時在腔內(nèi)因轉(zhuǎn)換成信號、閑頻光波而減少的泵浦光強為在Ｎ＝４時，效率達到極大值，ηmax＝５０％。21在最理想的情況下，雙諧參量振蕩器的理論轉(zhuǎn)換效率才達到５０％，其主要原因是信號波與閑頻波逆向傳播時非線性晶體的和頻作用產(chǎn)生了一個逆向的泵浦波，降低了信號光的功率。同時它還會反饋回激光器，造成泵浦光功率和頻率的不穩(wěn)定。因此就提出了用環(huán)形諧振腔來消除后行波的影響。單諧振參量振蕩器（ＳＲＯ）的轉(zhuǎn)換效率。ＳＲＯ的諧振腔對泵浦光和閑頻波是完全透明的。只有信號光在腔內(nèi)建立穩(wěn)定的振蕩，故其振幅可視為常數(shù)，于是2223二、參量振蕩器的頻率調(diào)諧參量振蕩器的輸出頻率由能量和動量守恒，ω3=ω1＋ω2和ｋ3＝ｋ1＋ｋ2所確定。它們一起給出關(guān)系式以負單軸Ⅰ型相位匹配的參量振蕩器為例，討論怎樣通過晶體的角度轉(zhuǎn)動和溫度變化實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)諧。24在給定ｎi（ωi）的色散后，就能從（４．４-２８）和（４.４-２９）二式計算出ω1（或ω2）對θ的角度調(diào)諧曲線。25溫度調(diào)諧可按同樣的方式來處理，假設(shè)在溫度Ｔ0時，符合相位匹配條件26一、連續(xù)波參量振蕩器的研究進展以下幾個方面的研究進展使連續(xù)波ＤＲＯ器件達到了實際應(yīng)用的水平。（１）新的非線性光學(xué)晶體ＫＴＰ，β-ＢＢＯ和ＬＢＯ等的發(fā)明，它們不但具有高的光損傷閾值和大的非線性系數(shù)而且具有非常優(yōu)良的透光性和熱穩(wěn)定性。（２）用于ＯＰＯ泵浦的激光器的頻率穩(wěn)定性大大提高。特別是半導(dǎo)體激光泵浦的固體激光器已能提供單縱模的泵浦光源。（３）各種新穎的諧振腔結(jié)構(gòu)和伺服技術(shù)的采用０］降低了腔損耗，保證了連續(xù)波ＤＲＯ器件的低閾值運行以及諧振腔的機械穩(wěn)定性。

（４）由于采用Ⅱ型相位匹配技術(shù)，信號光和閑頻光的偏振態(tài)相互垂直，使得在頻率簡并的情況下信號場與閑頻場也是非簡并的，從而壓縮了參量增益的帶寬，獲得了較之Ⅰ型匹配遠為穩(wěn)定的光譜特性。27圖４．５-１單塊ＭｇＯ∶ＬｉＮｂＯ3晶體的ＤＲＯ器件。ｍ1在１０６４ｎｍ處高反，在５３２ｎｍ處的透射率為８５％，ｍ２在１０６４ｎｍ處高透28圖４．５-２半固定腔結(jié)構(gòu)的ＤＲＯ器件示意圖29圖４．５-３連續(xù)波輸出的ＫＴＰ晶體ＳＲＯ實驗裝置。通過在腔內(nèi)插入一個ＬｉＮｂＯ3的布儒斯特棱鏡（ＢＰ）保證了ＳＲＯ的運行狀態(tài)30二、脈沖波光參量振蕩器的研究進展Ｍ，反射鏡；ＤＭ，雙反鏡；ＴＳ，望遠鏡；ＰＢ，定向棱鏡

圖４．５-４ＢＢＯ晶體的光學(xué)參量發(fā)生實驗裝置圖。通過ＡｇＧａＳ2晶體的差頻把相干輻射輸出擴展到中遠紅外31鎖模激光器輸出的超短脈沖串由于每個單脈沖只有ｐｓ～ｆｓ的寬度，因此具有很高的峰值功率（可大大高于ＯＰＯ的閾值）和較低的平均功率（可大大地低于ＯＰＯ晶體的光損傷閾值）。顯然它是高效、寬調(diào)諧超短脈沖ＯＰＯ器件最理想的泵浦源。由于超短脈沖的持續(xù)時間已遠小于光在ＯＰＯ諧振腔來回一周的渡越時間，所以與連續(xù)波和一般脈沖條件下工作的ＯＰＯ的穩(wěn)態(tài)振蕩動力學(xué)情況完全不同，無法建立振蕩，必須采取同步泵浦技術(shù).ＯＰＯ同步泵浦技術(shù)的基本原理是使光在諧振腔中來回一周的渡越時間與鎖模脈沖的間隔時間相匹配。這樣在第一個產(chǎn)生的參量熒光脈沖（信號或閑頻）