參量放大完整版本

§3.4光學(xué)參量放大與振蕩效應(yīng)

光學(xué)參量放大光學(xué)參量振蕩物理圖象光學(xué)參量放大和振蕩條件光學(xué)參量振蕩器的頻率調(diào)諧光學(xué)參量振蕩器實驗系統(tǒng)

考查當(dāng)一種頻率較低的弱信號光束與另一種頻率較高的強(qiáng)泵浦(激勵)光束同時入射到非線性介質(zhì)內(nèi)時將要產(chǎn)生的情況．理論分析與實驗研究均已表明，此情況下在通過介質(zhì)后，弱的入射信號將得到放大，強(qiáng)的泵浦光將有所減弱，與此同時，非線性介質(zhì)還將輻射出頻率等于上述兩入射光頻率之差的第三種相干光，一般稱之為閑頻光．以上這種非線性光學(xué)效應(yīng)，稱為光學(xué)參量放大效應(yīng)．1光學(xué)參量放大效應(yīng)定義作用過程wswpwswpwi(1)(2)(3)在相位匹配條件下,信號和閑頻光不斷被放大2光學(xué)參量振蕩

在光學(xué)參量放大器的基礎(chǔ)上，如果進(jìn)一步采用光學(xué)反饋裝置共振腔，則在參量放大作用大于腔內(nèi)各種損耗作用的條件下，可同時在和頻率處產(chǎn)生相干光振蕩，這就是我們下面討論的光學(xué)參量振蕩器(OPO,OpticalParametricOscillator)的工作原理．

單共振參量振蕩器---只有光振蕩輸出雙共振參量振蕩器---同時輸出參量振蕩器與激光振蕩器比較:相同點不同點1962年，金斯頓、克羅爾等人分別提出了光學(xué)參量振蕩器的建議；1965年，王氏和雷斯特爾首先觀察到三波非線性作用的參量增益；同年，喬特邁和米勒制成了第一臺光學(xué)參量振蕩器。OPO的歷史：OPO的作用提供從可見光一直到紅外光的可調(diào)諧相干輻射。應(yīng)用于大氣污染的遙測，化學(xué)及同位素分離等研究中。虛能級基能級圖

光學(xué)參量放大與振蕩效應(yīng)的量子躍遷過程圖解量子理論

基元過程理解為可分兩個步驟來完成：過程的第一步，涉及到一個能量為的泵浦光子的湮滅，而介質(zhì)的某一個分子離開初始能級躍遷到由虛能級表示的中間狀態(tài)；

過程的第二步，是處于中間狀態(tài)的分子立刻回到初始能級并同時輻射出二個能量分別為

的光子．3光學(xué)參量效應(yīng)的物理解釋

假設(shè)三種光為同方向,波矢的向量匹配條件簡化為:

4光學(xué)參量放大和振蕩的條件

為使推導(dǎo)簡明起見，進(jìn)一步假設(shè)三種波均為線偏振平面單色波，偏振狀態(tài)的選擇，使相位匹配條件有可能得到滿足，并且三波波矢方向相同(均沿z軸方向)．（1）（2）放大：非線性介質(zhì)入射表面處三種光波振幅滿足如下邊界條件：

方程的解為（3）（4）（5）參量放大器的放大倍數(shù)是多少？如果在所考慮的非線性介質(zhì)的空間作用范圍內(nèi)有下述條件成立：則表示式中的雙曲函數(shù)可分別用相應(yīng)的指數(shù)函數(shù)近似代替，亦即式中，參量放大作用的指數(shù)增益因子

參量放大過程的增益因子與有效二次非線性電極化系數(shù)因子成正比，此外與入射泵浦光的振幅(或光強(qiáng)的開方)成正比.（6）（7）對光學(xué)參量振蕩系統(tǒng)來說，設(shè)腔內(nèi)非線性介質(zhì)對信號光和閑頻光的損耗因子均為，而共振腔輸出反射鏡對上述兩種光的反射率均為R(另一端反射鏡為全反射)，此外設(shè)共振腔鏡對入射泵浦光有較高的透過率，則光學(xué)參量振蕩的閾值條件可表為振蕩閾值條件(8)還可改寫為閾值條件的最后表示公式的物理意義是，在非線性介質(zhì)及作用長度Z為給定的情況下，只有當(dāng)外界入射泵浦光超過一定閾值時，才有可能在共振腔內(nèi)形成持續(xù)的參量振蕩作用．放大與振蕩：（8）（9）（10）5參量振蕩器的頻率調(diào)諧

光參量振蕩器的最大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，可以得到不同的調(diào)諧范圍.當(dāng)泵浦光頻率固定時，參量振蕩器的振蕩頻率應(yīng)同時滿足頻率和相位匹配條件若三波波矢共線，則有(1)(2)(3)(4)將（1）代入（3）可見，信號光和空閑光的頻率依賴于泵浦光的折射率，因而可以通過改變泵浦光的折射率使

改變n3的方法，可以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（溫度調(diào)諧）等實現(xiàn).頻率作相應(yīng)的變化，以滿足相位匹配條件.5參量振蕩器的頻率調(diào)諧(4)（1）角度調(diào)諧在共線相位匹配的情況下，假定頻率為的泵浦光是非常光，光波是尋常光，

假使晶體光軸與諧振腔軸之間的夾角為某一角度(5)根據(jù)能量守恒條件（1）式，有現(xiàn)在要求新的一組頻率滿足(3)式，故應(yīng)有略去的二階小量，并利用(1)式，可得（6）（7）利用(7)式，連同，代入(6)式后，可以得到振蕩頻率相對于晶體取向的變化率為（8）（9）（10）圖

信號光頻率的變化曲線ADP晶體，信號光頻率隨角度變化的實驗和理論曲線（1）角度調(diào)諧（2）溫度調(diào)諧在非臨界相位匹配的情況下，可以通過改變溫度來改變光的折射率，從而使振蕩頻率發(fā)生變化.6光學(xué)參量振蕩器實驗系統(tǒng)（1）基本特性①不需外界輸入信號光而獨自產(chǎn)生雙頻參量振蕩；②可連續(xù)或脈沖運轉(zhuǎn)并具較高的效率；③通過改變晶體折射率參數(shù)而實現(xiàn)可調(diào)諧(可連續(xù)變頻)參量振蕩輸出。（2）系統(tǒng)組成

非線性晶體．要求它們具有較高的光學(xué)透過率.較大的有效二次非線性電極化系數(shù)，折射率隨外界工作條件的變化易于控制，以便實現(xiàn)可調(diào)諧高效率的參量振蕩；晶體一般制成幾毫米到幾厘米的平行片(塊)狀，通光表面有較高的光學(xué)加工精度．泵浦光源．為產(chǎn)生光學(xué)參量振蕩作用：必須有波長較短(相對于振蕩光而言)而功率(光強(qiáng))較強(qiáng)的激光輻射作泵浦光源．在脈沖運轉(zhuǎn)時，常選用玻璃脈沖(或加Q調(diào)制)激光器輸出1.06微米激光的二次諧波輻射(0.53微米)，或者紅寶石激光器輸出0.6943微米激光作為泵浦光入射，在連續(xù)運轉(zhuǎn)時，常采用摻釹石榴石激光器輸出之1.06微米激光(或它的二次諧波輻射)作泵浦光入射．此外，亦可采用各類氣體激光器和染料激光器輸出激光作泵浦光源．光學(xué)共振腔．可根據(jù)要求和實驗條件之不同，分別采用平行平面腔、干凹、雙凹或凹凸穩(wěn)定腔等形式，組成共振腔的兩個反射鏡應(yīng)該在參量振蕩頻率范圍內(nèi)有足夠高的反射率，而對入射泵浦光則具適當(dāng)?shù)耐高^率．（2）系統(tǒng)組成相位匹配和調(diào)諧裝置．當(dāng)采用諸如LINbO3、Ba2NaNb5O15、LiIO3這類晶體作工作物質(zhì)時，為實現(xiàn)相位匹配，可使泵浦光取非常光(e光)方式入射，而參振光束則為尋常光(o光)．

①溫度調(diào)諧．泵浦光垂直于晶體光軸方向入射改變晶體的溫度，可相應(yīng)地改變振蕩頻率，在此情況下，兩頻率的振蕩光束在空間上不分離開來.

②角度調(diào)諧．當(dāng)晶體溫度保持為一定時，改變晶體光軸相對于泵浦光的入射角度，同樣可改變振蕩頻率，在此情況下，由于晶體的雙折射效應(yīng)而使得、三種頻率的振蕩光束在空間上可能出現(xiàn)分離．

③外場調(diào)諧．對非線性晶體施加外界直流電場或磁場，利用晶體折射率的電-光效應(yīng)或磁-光效應(yīng)，同樣可達(dá)到可調(diào)諧振蕩的目的．實際光參量振蕩器裝置的原理簡圖

(a)是利用激光器輸出之二次諧波輻射作泵浦光而采用溫度調(diào)諧的例子；(b)是利用激光器本身的激光輸出作泵浦光而采用角度調(diào)諧的例子.表

光學(xué)參量振蕩器實際參數(shù)選例晶體名稱泵浦波長參量振蕩波長調(diào)諧方式輸出功率（W）效率LINbO31.064=1.95~2.13=2.13~2.35溫度調(diào)諧170（重復(fù)脈沖）8.5%LINbO30.6943=1.05~1.2=1.64~2.05角度調(diào)諧（脈沖）4.5%BaB2O40.532=0.68~2.4角度調(diào)