光参量技术可拓展激光波长？
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由于激光工作物质都具有某些特征频率的原因，通常情况下，一种激光器只能产生一个或者几个固定波长的激光输出，这个特性限制了激光在许多现代社会生产中的应用。随着现代光学技术的发展，对激光的要求也越来越高，尤其是希望激光器的输出波长可在一定波长范围内连续可调节，这种激光器可统称为可调谐激光器。
1991年，利用克尔透镜锁模，掺钛蓝宝石激光器第一次实现了60 fs的脉冲输出，为近红外光谱区域实现波长连续可调脉冲输出提供了可能性。自此，钛宝石激光器成为700-1000 nm范围内主要的超快脉冲相干光源。
近年来，随着宽带可调谐、高相干的超快皮秒和飞秒光源在激光测距[1]、生物医学成像[2]以及纳米技术[3]等领域越来越广泛的应用，科研和社会生产迫切需要在更多的光谱区域获得可调谐激光输出。
由于受到激光工作物质能级结构或发射机制的限制，大部分激光器产生的激光，要么可调谐范围较窄，要么就是可连续调谐激光的输出功率不够高。因此超短脉冲激光技术向新的光谱区域的拓展遇到了一个持久的瓶颈。长期的科学实践证明，基于非线性光学的频率变换技术是拓宽激光光谱输出的另一个非常有效的手段。
与激光器不同，非线性光学技术可以通过选择合适的激光泵浦源和非线性材料参数，提供所有时间尺度，从连续波 (CW) 到皮秒和飞秒的相干光源。图1展示了西班牙光子科学研究所（ICFO）光参量振荡器课题组研发的不同时域光参量振荡器已经实现的可调谐范围。
图1 西班牙光子科学研究所 OPO 课题组研发的不同时域光参量振荡器
特别是，同步泵浦光参量振荡器 (SPOPO) 结构为产生稳定的、高平均功率的近红外到中红外激光区域提供了最可行的方法。同时，随着光纤激光技术的快速进步，出现了高平均功率的皮秒和飞秒锁模光纤激光器，使其成为推进非线性频率变换技术发展的理想泵浦源。
虽然基于钛宝石激光器作为泵浦源的皮秒和飞秒SPOPO在过去得到了广泛开发，但泵浦激光器技术向锁模光纤激光器的过渡提供了重要的实际优势。其中包括更简化的设计、更紧凑的尺寸、更低的成本、以及更高的可靠性和稳定性，提高了光参量振荡器（OPOs）对环境的抗干扰性，以及实用性和便捷性，从而为实现高效紧凑可调谐OPOs的设计提供了可能。
图2所示为西班牙光子科学研究所光参量振荡器课题组在过去几年开发的可调谐激光器光谱覆盖范围，其泵浦源为1 μm光纤激光器，其中部分装置已经实现了工程化及产业化。
图2 西班牙光子科学研究所研究的各种基于 1 μm 光纤激光器频率变换光源原理图
该课题组基于1064 nm激光开发的高功率SPOPO，实现了高转换效率，瓦级平均功率输出，并且在1.4-8 μm近红外到中红外光谱范围内实现了广泛的波长可调性。通过部署基于谐波生成和混合额外非线性上转化方案，进一步将这种SPOPO的调谐范围扩展到可见光和紫外光谱区域。
使用这些技术，能够在近红外和中红外区域产生高达11.7 W的平均功率，3.5 W可见光和近红外光，5.4 W绿光，以及30 mW可调谐紫外光，脉冲重复频率为~81 MHz[4]，其具有出色的光学输出特性，兼具进一步功率提升的潜力，在许多应用中具有重要的实用价值。
光参量发生器的物理机制 图3 光参量发生器的物理机制示意图（a）、光参量产生器（b）、光参量放大器（c）光参量振荡及调谐器示意图 光参量产生器（OPG） 光参量放大器（OPA） 光参量振荡器（OPO） 实际设计考虑因素 OPOs技术非常适合产生可调任意波长的相干激光，但因为能量守恒，OPOs过程中产生的波长总是会比泵浦光波长要长。因此，在可见光谱范围内工作的OPOs器件要么需要用紫外光作为泵浦源，要么需要将长波长进行频率转换，比如腔内倍频。 目前为止，后一种方法在工业用系统中被证明是技术上和操作上都可行的方案。此外，所谓的OPOs对应的是锁模皮秒或者飞秒脉冲泵浦情况下的工作区域，其重复频率通常为70–100 MHz。因此，注入的超短脉冲通常能量比较低，此时非线性晶体对光学损伤的耐受性增加，从而使超短脉冲OPOs在使用高功率泵浦源的情况下依然可以保持高平均功率输出下的可靠运行。 此外，超短脉冲OPOs的运行非常适合高功率锁模光纤激光器作为泵浦源，这也提供了进一步提高功率的潜力。 与工作在连续或者纳秒泵浦情况下不同，超短脉冲OPOs只能在同步泵浦条件下才能实现。这是因为，泵浦脉冲的时间窗口太窄，如果不能与同样短的信号光或闲频光同时在非线性晶体中相遇，就不能发生能量交换。 OPOs谐振腔长度需要与泵浦激光器的腔长匹配，OPOs腔中的信号光传输往返时间正好等于泵浦脉冲列的重复周期。这样，信号光脉冲在经历一次往返周期后都会与下一泵浦脉冲重合，从而达到信号光在非线性晶体中经历连续放大的目的。在实际设计中，同步泵浦也使OPOs只能工作在相对较高的脉冲重复率（>50 MHz ）下。在较低的重频下，OPO的腔太长，会使用太多的反射镜而引入过多的损耗和潜在的不稳定，并不实用。 同步泵浦参量振荡器（SPOPO）相比传统锁模激光器具有许多优点，由于参量过程增益的瞬时特性，SPOPO输出脉冲相对于泵浦脉冲具有较低的时间抖动，具有较大的灵活性和宽的调谐范围，因此SPOPO非常适合于高分辨率时域光谱等应用。 除了高功率锁模泵浦激光器之外，实用化超短脉冲SPOPO的另一个关键因素是开发能够承受大平均功率的非线性材料，同时为最大非线性增益提供长相互作用长度，并扩展相位匹配到感兴趣的波长区域的能力。基于类型0(e → e+e) 非临界相位匹配(NCPM)下的准相位匹配晶体正好可以同时满足这些要求。 小结 光参量振荡器是产生大带宽连续可调谐激光的一种非常重要的手段，它能够将技术成熟的1 μm激光器通过频率转换而得到相干的其他波长的信号光和闲频光，且可以在很宽的范围内调谐。此外，光参量振荡器还具备效率高、结构简单、工作可靠等优点，并可以做成小型化和全固化。 近年来，随着新的优质非线性光学晶体的问世，尤其是取向图案化的磷化镓（OP-GaP) 晶体的出现，以及非线性频率变换和宽带连续可调谐激光技术的迅猛发展，光参量振荡器能够直接将1 μm波长的光转换至5-12 μm以内的中远红外光。 例如0.6-1 μm的近红外激光常应用于生物医学成像以及光谱学领域，3-5 μm的中波红外激光对应了大气窗口并覆盖了多种分子的特征吸收谱线，在光电对抗、激光雷达和生物医学检测方面有着重要应用。 参考文献
