光學參量放大與振蕩

 

　　均是二階非線性光學混頻過程。其中光學參量放大是指：在非線性晶體中入射一束圓頻率為ω_p的較強激光（稱泵浦光，簡稱泵光），同時又入射一束圓頻率為ω_s(ω_s﹤ω_p)的較弱激光(稱信號光),則在一定條件下信號光會得到放大，此即光學參量放大。同時會產生頻率為ω_i=ω_p-ω_s的光 (稱閑置光)。這時, 若設置一種對信號光（或同時對閑置光）反饋的裝置，則和普通放大器經過反饋裝置轉化為振蕩器一樣，不需入射信號光，這個只受到泵光作用的晶體也會自激振蕩而發出頻率分別為ω_s和ω_i的信號光和閑置光。此即光學參量振蕩。通常,泵光的功率密度必須大於一定值時振蕩才會產生。此值稱為泵浦閾值。
　　圖1是光學參量振蕩器實驗裝置的原理圖。圖中，頻率為ω_p的泵光經過非線性晶體后，部分地轉變為頻率分別為ω_s和ω_i的信號光與閑置光。因此,輸出的激光含有ω_p、ω_s和ω_i三個成分。對信號光的反饋裝置就是由腔鏡 M₁和M₂構成的對ω_s諧振的光學諧振腔。

　　光學參量放大與振蕩可看作是泵光與信號光及閑置光反覆差頻的結果。即由於非線性晶體的作用，泵光與信號光差頻得到頻率為ω_i=ω_p-ω_s的閑置光。一旦閑置光產生,泵光與閑置光差頻又得到頻率為ω_s=ω_p-ω_i的信號光。結果,泵光不斷轉化為信號光與閑置光(見光學混頻)。既然這類光學差頻過程必須滿足所謂位相匹配條件，因此上面提到的產生光學參量放大或振蕩的一定條件，也就是上述反覆差頻過程所要滿足的位相匹配條件k(ω_p)=k(ω_i)+k(ω_s), 其中k(ω_p)、k(ω_s)、k(ω_i)分別為泵光、信號光和閑置光的波矢。當這三束光如圖1那樣共線傳播時，此條件轉化為要求泵光、信號光和閑置光在晶體中的折射率n(ω_p)、n(ω_s)和n(ω_i)之間滿足關係

。

　　和光學倍頻類似，通常利用非線性晶體本身的雙折射性質實現光學參量放大或振蕩的位相匹配。例如，對於非線性晶體是負單軸晶的情形，當三束光共線傳播時，可選擇光的偏振方向使泵光為非常光，信號光和閑置光為尋常光。當晶體光軸相對光束傳播方向的夾角θ改變時，三束光的折射率都會發生不同的變化。因此當ω_p、ω_s和ω_i均一定時便會有一恰當的角度θ使上述位相匹配條件得以滿足。另一方面，對於任意一個θ角，當泵頻ω_p一定時,必有相應數值的信號光頻率ω_s及閑置光頻率ω_i滿足位相匹配條件，從而使這些頻率的激光得以產生。於是,連續改變θ 角,便會發出頻率連續改變的激光。這樣，利用參量振蕩器就可實現激光頻率的連續調諧。這種調諧方式稱為角調諧。圖2是ADP晶體的角調諧曲線 (橫軸是信號光波長)。泵光波長為 λ_p＝1.06μm。θ₀是信號光頻率等於泵頻一半時的匹配角。

 

　　此外，當θ一定時，由於溫度的改變，三束光的折射率也會有不同的改變，因而可起到改變θ同樣的作用。用改變溫度來實現激光頻率調諧,稱為溫度調諧。圖3是上述晶體在同樣泵頻下的溫度調諧曲線。常用的參量振蕩晶體還有碘酸鋰、鈮酸鋰等等。
　　參考書目
　C. C. Wang and G. W. Racette, Measurement of Parametric Gain Accompanying Optical Difference Frequency Generation, Appl. Phys. Lett.,Vol.6,p. 169,1965.
　J.A.Giordinaine and R.C.Miller,Tunable OpticalParametric Oscillation in LiNbO₃ at Optical Frequencies,Phys.Rev.Lett.,Vol.14,p.973,1965.
　F.T. Areechi and E.O. Schuly-Dubsis,ed., LaserHandbook,Vol.1, North-Holland, Amsterdam, 1972.

 

光學參量放大與振蕩 -配圖

 

光學參量放大與振蕩 -相關連接