可调谐激光器中的 OPO 技术

在激光技术领域，对多功能性和精确度的追求常常导致对可调谐激光器的探索。这些专用光源具有独特的能力，可在很宽的波长范围内发射相干光。虽然传统激光器受限于其材料所决定的特定波长，但可调谐激光器（例如利用光学参量振荡器 (OPO) 的激光器）打破了这些障碍，实现了需要灵活性和性能优化的各种应用。

从历史上看，染料激光器诞生于 20 世纪 60 年代，是拓宽激光光谱的先驱。与传统的固态晶体或二极管激光器不同，染料激光器采用液体染料作为激光腔内的活性介质。通过更换染料，这些激光器可以覆盖广泛的光谱范围。

此外，以脉冲运行而闻名的钛蓝宝石激光器也展现了连续波运行的实力。这些激光器可作为波长范围为 700 nm 至 1,000 nm 的可行光源，为可调谐激光技术做出了贡献。

可调谐激光器设计中的 OPO 技术基础

在众多可调谐激光器设计中，光参量振荡器 (OPO) 以其独特的机制脱颖而出，即通过专用晶体中的非线性效应实现可调谐性。OPO 的基本原理是将单个泵浦光子的光子能量分裂成两个独立的光子，从而产生两束波长高于泵浦光的光束。

通常，OPO 可从可见光泵浦产生红外输出，从而为在宽光谱范围内产生可调光提供多功能平台。这种固有的灵活性使得基于 OPO 的可调谐激光器成为需要精确控制发射波长的众多应用中不可或缺的一部分。

尽管基于 OPO 的可调谐激光器潜力巨大，但实现和保持精确可靠的可调谐性仍面临持续挑战。解决与稳定性、效率和控制机制相关的问题对于提高这些激光器在各种科学和工业应用中的性能仍然至关重要。

光参量振荡器：灵活可调

光参量振荡器 (OPO) 可用作类似于激光器的相干光源，但有两个基本区别 [1]。首先，OPO 基于非线性光学材料内的参量放大运行，不同于激光增益介质中使用的受激发射机制。OPO 由强大的激光激发，将能量转换为其他的光波段，从而产生比泵浦光波长更长的发射光。鉴于各种可调谐激光应用对可见光谱源的需求，额外的二次谐波产生 (SHG) 使 OPO 能够用作跨多种应用的多功能可调谐光源。

尽管 OPO 的理论基础是在半个多世纪前通过实验演示建立起来的 [2]，但将其转化为实用的商用设备却遇到了重大的技术障碍 [3]。从历史上看，在脉冲设备的高峰值功率环境中克服这些障碍更为可行，从而导致可调谐 OPO 在脉冲模式下广泛使用。然而，最近在连续波 (cw) OPO 技术 [3] 方面的进展促进了商用系统的发展。

这一进步主要源于两个关键因素。首先，高性价比、高性能连续泵浦激光器的普及程度不断提高，满足了连续 OPO 运行的严格要求，包括优先单模运行、噪声特性、光束质量和光束指向稳定性。根据具体实验的功率规格，通常采用高性能二极管泵浦固体 (DPSS) 激光器（用于较低功率）或基于光纤激光器的解决方案（用于较高功率）作为泵浦激光器。其次，非线性材料的进步和创新的晶体设计技术发挥了关键作用。值得注意的是，准相位匹配非线性材料的出现，例如周期性极化的铌酸锂（其晶体结构经历周期性变化），大大增强了光学参量装置的实际设计和功能。

实际设计考虑

虽然 OPO 技术似乎非常适合在任意波长范围内生成可调谐连续激光，但必须记住，OPO 过程本身将始终生成波长比用于泵浦的波长更长的输出光束。因此，在可见光谱范围内工作的 OPO 设备要么需要 UV 泵浦源，要么需要采用额外的频率转换，如 SHG。由此产生的可见光范围内的广泛可调光使 OPO 在可调谐激光领域发挥重要作用，并使其可用于可见光范围内的许多应用。

为了说明这一点，图 1 显示了基于 OPO 预处理 [4] 的可调谐连续光源的基本构建块，该光源旨在覆盖可见光范围。本质上，其工作原理依赖于两个腔内非线性光学过程的级联序列。如上所述，泵浦激光光子转化为能量较低的光子对，称为信号光子和闲频光子。特定的输出波长由 PPLN 晶体的位置控制，其极化结构和温度会发生变化。

图 1：商用连续 OPO 系统内部的光束路径示意图 [4]。

在选择特定波长时，会自动选择具有合适极化的晶体层，并通过温度控制回路对其相位匹配进行微调。同时，有效 OPO 腔长主动稳定为所选工作波长的整数倍。OPO 腔内的 Etalon 滤波器确保单模操作。当在OPO腔内共振地循环一个生成的信号光或闲频光时，可以提取其对应物，通过二次谐波产生将其波长转换为可见光谱范围。

如图 1 所示，波长转换发生在单独的 SHG 腔中。在更大范围内调谐 OPO 输出波长需要控制晶体特性、波长滤波器和腔长。

商用 OPO的性能特征使其成为传统激光器和相关技术的有竞争力的替代品，用于产生染料激光器或钛蓝宝石激光器等可广泛调谐的连续波辐射。此类 OPO 技术的应用包括纳米光子学和量子光学，这些领域需要高性能、单频、可调谐的可见光（或 NIR）激光。

参考

[1] R. Paschotta, Optical Parametric Oscillators, Encyclopedia of Laser Physics and Technology Ed. 1, Wiley-VCH (2008)
[2] J. A. Giordmaine and R. C. Mills, Tunable coherent parametric oscillation in LiNbO¬3 at optical frequencies, Phys. Rev. Lett. 14, 973 (1965)
[3] M. Ebrahim-Zadeh, Optical Parametric Oscillators, in Handbook of Optics Ed. 2, McGraw-Hill, Ed. 2 (2001)
[4] J. Sperling and K. Hens, Made Easy: CW laser light widely tunable across the visible, Optik & Photonik 13, 22 (2018)