双波长光参量振荡器的研究进展及应用

田金荣，刘京徽，宋晏蓉，张新平

（北京工业大学应用数理学院，北京100124）

双波长光参量振荡器的研究进展及应用

田金荣*，刘京徽，宋晏蓉，张新平

（北京工业大学应用数理学院，北京100124）

双波长光参量振荡器是一类非常新颖的激光器件。本文阐述了双波长光参量振荡器的工作原理,并总结了双波长光参量振荡器的研究进展,探讨了双波长光参量振荡器发展中存在的技术问题,介绍了双波长光参量振荡器的应用。

光参量振荡器；双波长

1 引言

超短脉冲激光在物理、材料、化学、生物信息等领域具有重要的应用价值。由于其极短的时间特性,成为人们在极短时间范围“时间”范畴上取得新发现的重要手段。但是对于很多领域来说,单波长超短脉冲激光的作用具有局限性,如某些超快泵浦-探测实验［1］就需要双波长超短脉冲来完成,一束激光用来激发研究对象,另一束波长不同的激光用来探测研究对象被激发后的行为。双波长超短脉冲拥有超短脉冲所有的优势,并且有两个不同波长,使其成为众多研究领域的重要工具。例如利用双波长超短脉冲的差频,可以产生中红外［2］乃至THz波段的电磁辐射［3］；利用双波长超短脉冲的相干合成有望合成周期直至阿秒量级的超短脉冲［4］；利用两束超短脉冲激光的共同作用,可以实现对原子、分子的相干控制［5］；在量子密码通讯中需要的纠缠态也可以由双波长的超短脉冲激光获得［6］。由此可见,对双波长超短脉冲激光进行研究,不仅是激光技术领域的研究热点,并能够持续不断地推动多个领域的发展。

双波长超短脉冲激光已经在多个固体激光系统中实现,如钛蓝宝石［7-8］,钛蓝宝石/镁橄榄石系统［9］等。但受到固体激光材料增益区间的限制,所产生的激光波段有限,因此大范围可调谐的光参量振荡器（OPO）［10-11］引人瞩目。OPO天然具有两个波长的输出,即信号光和闲频光,可称为广义上的双波长输出。但信号光和闲频光的波长和功率往往相差很大,不利于应用。一些研究者在进行可调谐光参量振荡器实验中,观察到OPO出现了两个信号光振荡的现象（与之对应也会有两个闲频光振荡）,即双信号光输出的OPO,可称为狭义的双波长OPO。

OPO输出的双波长激光与固体激光器所产生双波长激光是不同的。固体激光所产生的双波长激光尽管同步精度很高,但其相位并未锁定。在光频标、相干合成等领域应用时,尚需利用复杂的光路对其相位进行锁定。OPO所产生的双波长激光由于来自同一束泵浦光,相位是同步的。又由于两束光都满足相位匹配关系,因此相位是一致的。由此可见双波长的OPO具有天然的优势,已成为非线性光学中一类非常新颖的激光器件。本文将介绍双波长OPO的工作原理、研究进展和相关应用。

2 双波长光参量振荡器的工作原理及研究进展

实现OPO的双波长输出需要两个条件：（1）两个信号光都要满足相位匹配关系；（2）两个信号光在OPO内的参量增益要大于损耗。而根据相位匹配理论,采用双折射相位匹配的非线性晶体难以同时满足这两个条件。因此,人们通常采用两块晶体来实现。如2003年,Gunnar Rustad等人在ZGP-OPO实验中观察到了双波长现象,并进行了8～11μm范围的调谐操作［12］。2004年,日本东北大学T.Taniuchi等人通过在OPO腔内泵浦两个KTP晶体获得了可调谐双波长输出。该OPO输出波长依赖于调节KTP角度,但由于高反射损失和非线性系数小,从而预期阈值高,使OPO运行限制在低重复频率［13］。2006年,日本东北大学K.Suizu等人组建了腔内具有两块KTP晶体的光参量振荡器［14］,实现了双波长输出。2010年,中国山东大学J.F.Yang等人［15］首次实现了在腔内泵浦一块KTA晶体,输出双波长的实验,其输出信号光波长分别为1.7μm和1.9μm。2012年,日本Takashi Notake等人腔内放置两块切割角不同的BBO晶体组成OPO（图1）［3］,使两个信号光分别满足BBO1和BBO2的相位匹配,实现了双波长输出。

周期极化晶体的出现改变了双波长OPO采用两个晶体的状况。人们可以在一块晶体上制作不同的周期,或者使相位在一定长度反转,使两个信号光满足不同的相位匹配关系。2010年,天津大学姚建铨院士研究组采用相位反转PPMgLN晶体实现了双波长OPO输出［16］,如图2所示。两信号光满足的相位匹配关系为：

对锁模的光参量振荡器来说,由于其泵浦光为锁模激光,因此参量光需要与泵浦光实现同步,称之为同步泵浦光参量振荡器（SPOPO）。在同步泵浦光参量振荡器中,同步与相位匹配的共同作用会产生双波长输出。2006年,英国赫瑞瓦特大学孙敬华等人在同步泵浦MgO∶PPLN-OPO中观察到了双波长的现象［17］。图3（a）为其激光装置,其中GTI为提供负色散的啁啾镜,图3（b）为光谱。输出光谱的波长集中在1.22和1.33μm左右,波长调谐范围不到10 nm。他们认为在色散的作用下,1.22和1.33μm的信号光在腔内延时相等,因此出现双波长现象。2007年,意大利帕维亚大学Luca Tartara在皮秒激光泵浦的环形腔同步泵浦PPLN-OPO中也观察到了双波长现象［18］,两个波长间距大约40 nm,通过PPLN温度调谐范围从1500～1700 nm。同年,天津大学姚建铨研究组采用同一个OPO腔内泵浦多光栅PPLN晶体和单光栅MgO∶PPLN晶体,首次实现了在准相位匹配条件下的高重复频率50 kHz双波长输出,产生1.5μm输出波段的双信号波长。通过调整温度和晶体的光栅周期,波长的间隔可从2.5 nm调节到69.1 nm［19］,如图4所示。

2011年,西班牙光子科学研究所G.K.Samanta等人通过在一个四镜环形腔泵浦两个30 mm长的MgO∶PPLT晶体,得到双波长输出［20］。图5（a）为其激光装置；图5（b）为不同温度下的双波长输出功率归一化曲线。

该装置优势在于降低阈值,提高信号光输出功率,同时减少源于泵浦源吸收的热效应。通过调节晶体温度,可得到在850～1 430 nm范围内的双波长输出。

2011年,德国斯图加特大学Robin Hegenbarth等人通过设计啁啾镜,对腔内的色散进行控制,可以使两个波长的延时相等,从而获得双波长输出［21］。图6显示了其实验结果。两个波长的中心位于1 566和1 809 nm附近,可调谐范围很小。

2012年,中国科学院物理研究所魏志义研究组在未特别进行色散控制的同步泵浦PPLN-OPO内观察到了双波长现象［22］,波长调谐范围约为50 nm,两个波长的平均值在1 100 nm左右（如图7所示）。他们认为双波长振荡不完全决定于净零色散,两个信号光之间相位匹配与群速失配的平衡更为重要。

从双波长的OPO发展来看,虽然在多个同步泵浦OPO中观察到了双波长振荡现象并在某种程度上实现了调谐,但调谐范围都较为有限。Luca Tartara等人的调谐范围虽然大,但是两个波长之间的间距是固定的,如果进行差频所获得的波段有限。Robin Hegenbarth等人对色散设计实现双波长输出是一个有效的控制方案,但啁啾镜的设计与加工是一个比较复杂的技术问题,并且理想的色散曲线在实际啁啾镜制作中不一定能完全实现,所以对实验效果有一定的影响。另外还有一个重要的物理问题尚未解决,即在双波长输出过程中到底是零色散还是相位匹配的群速失配平衡起了主要作用,尚不明确。因此还有一些物理及技术问题有待在双波长OPO的发展过程中解决。

3 双波长光参量振荡器的应用

目前,双波长光参量振荡器已经获得了长足发展,并在一些重要领域开始展现其应用价值。双波长光参量振荡器在红外区域输出的可调谐双波长激光,可用于物质或组分的差分吸收激光雷达测量。1997年,英国国家物理实验室M.J.T. Milton等人利用铌酸锂晶体实现双波长光参量振荡输出,两个波长的间距为90 nm。他们利用此光源对空气中的甲烷进行了远程差分吸收激光雷达测量［23］,成功获取了甲烷的浓度。1998年,A. R.Geiger等人以MgO∶LiNbO3与KTA晶体组成OPO,在2～5μm实现了多波长输出,该系统可用于空气中甲烷的检测［24］。2000年,E V Degtiarev等人利用两块倾斜放置的KTA晶体组成体积小巧的OPO,在3.30～3.47μm实现了双波长输出,并利用该激光器对汽油和甲醇溶剂进行了近程差分吸收激光雷达测量［25］。可以认为,由于双波长光参量振荡器的波段及波长间距可调,对更多的物质或组分进行差分吸收激光雷达测量是很有可能的。

双波长光参量振荡器最主要的应用在于差频。目前中远红外及太赫兹波段是激光波段很难覆盖的,差频方法恰好弥补了这个不足。双波长参量振荡光的波段和波长间距灵活可调,因此在多种非线性晶体内实现差频可获得大范围可调谐的中远红外及太赫兹［26］输出。2000年,日本光动力学研究中心Kodo Kawase等人以双周期PPLN（29.3μm及29.5μm）为非线性晶体组建光参量振荡器,获得了波长分别为1.529和1.546μm的双波长输出。将两束激光聚焦至DAST晶体进行差频,获得了波长为139μm的太赫兹波输出。通过温度调谐可以使光参量振荡器的信号光波长间隔在15～20 nm之间变化,通过DAST晶体差频可以获得调谐范围在120～160μm的太赫兹辐射［27］。如再对晶体的周期进行改进,则可望将太赫兹辐射的调谐范围扩展至100～700μm。2004年,T Taniuchi等人通过泵浦两块KTP晶体的双波长光参量振荡器作为产生THz波的光源［13］,实现了可调谐THz波的输出。由于KTP晶体的损伤阈值高,并且波长调谐范围大、转换效率高,因此腔内放置两块KTP晶体的双波长光参量振荡器,已经成为产生太赫兹辐射的重要光源。2006年,天津大学姚建铨研究组在利用两块不同周期的PPLN晶体组成OPO,在1.5μm左右获得双波长输出,波长间距在2.5～69.1 nm,可产生0.3～8.9 THz的太赫兹输出［28］；并在理论上研究了采用PPKTP晶体获得双波长OPO输出,并差频获得THz输出的可行性［29］；2010年,该组利用两个KTP晶体组成OPO,在2.128μm实现了双波长输出,在GaSe晶体中通过差频产生在0.186～3.7 THz波段获得了高功率输出［30］；2013年,该组利用类似的双波长OPO光源在准相位匹配GaAs晶体中差频获得了范围在0.06～3.34 THz的可调谐相干太赫兹辐射［31］。2007年,美国斯坦福大学Fejer课题组以PPLN为非线性晶体组建同步泵浦光参量振荡器,采用双谐振方式获得2 107 nm及2 150 nm的脉冲激光,并采用准相位匹配GaAs晶体在腔内差频获得2.8 THz的脉冲输出［32］。2012年, Takashi Notake等人利用BBO晶体取代KTP晶体组建了双波长光参量振荡器。以调Q激光器为泵浦,获得了波长调谐分别为0.8～1.3μm和1.2～1.6μm的双波长输出。并利用这两个波长在有机非线性晶体DAST及BNA内进行差频获得了1～30 THz的脉冲输出［3］。采用OPO输出的激光进行差频也可以获得宽波段调谐的中红外激光［33］。1998年,K SAbedin等人采用基于LiN-bO3晶体的光参量振荡器输出的信号光和闲频光在AgGaSe2晶体内进行差频,获得了调谐范围在5～18μm的中红外激光输出［34］。1999年,Sajjad Haidar等人利用基于LiNbO3的光参量振荡器输出的信号光和闲频光在AgGaS2晶体内进行差频,获得了调谐范围为5～12μm的中红外激光输出［35］。2012年,Robin Hegenbarth以MgO∶PPLN为非线性晶体组建同步泵浦光参量振荡器,分别在1 563～1 621 nm,1 795～1 859 nm波段获得了双波长输出,并利用此光源在GaSe内进行差频获得了10.5～16.5μm的中红外飞秒激光输出［36］。

锁模的双波长光参量振荡器在光频标及光学合成方面也有一定的应用。由于锁模的光参量振荡器输出的两个波长来自于同一个泵浦光,因此是同步的。同时由于获得光参量振荡需要与同一个泵浦光满足相位匹配关系,因此两个波长相位一致,省略了相位控制的调节。文献［17］已在实验上证实了双波长光参量振荡器的这种优势。通过这两个波长之间的差频可以获得相位稳定的频率梳。同时这两个波长可以实现光学合成,从而为合成更短的脉冲创造条件。文献［4］已在实验上对光参量放大器产生的双波长激光进行光学合成,最终合成0.8个振荡周期的超短脉冲。光参量振荡器在相位关系上与光参量放大器是一致的,因此最终进行光学合成也是可能的。

4 结束语

本文介绍了双波长光参量振荡器的工作原理及光参量振荡器在技术上实现双波长输出的手段,包括采用双非线性晶体,或者利用色散控制,温度控制实现双波长输出,同时分析了各种方法的优势与不足。对双波长光参量振荡器发展中存在的技术问题进行了讨论。并介绍了双波长光参量振荡器在差分吸收测量、中红外激光及太赫兹辐射的产生、光频标及光学合成方面的应用。说明双波长光参量振荡器是一种具有重要研究价值的新型非线性光学器件。

纵观近十几年的发展,双波长光参量振荡器无论是在波长调谐、脉冲宽度及其应用方面都有显著的进步。这不仅得益于优良的非线性晶体的出现,也得益于啁啾镜等光学元件性能的提高。但是在发展过程中,光参量振荡器的调谐范围、调节方式及其应用方面都还有很大的发展空间,双波长输出的物理机制也有待深入的研究。我们相信随着非线性晶体和光学元器件性能的提高,双波长光参量振荡器也会在波长调谐范围、光谱宽度、脉冲宽度、平均功率、峰值功率等方面得到提高,并在光学差频、光频标、光学合成等方面得到更为广泛的应用。

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田金荣（1975-）,男,山东德州人,博士,副教授,硕士生导师。2005年于中国科学院物理研究所获博士学位,主要从事飞秒激光技术方面的研究。E-mail：jrtian@bjut.edu.cn

刘京徽（1991-）,女,北京人,硕士研究生,2013年于北京工业大学获学士学位,主要从事固体锁模激光器方面的研究。E-mail：liujinghui@emails.bjut.edu. cn

宋晏蓉（1964-）,女,山西太原人,博士,教授,博士生导师,2000年于山西大学获得博士学位,主要从事新型光泵半导体激光器、超短脉冲激光器及CPA激光放大器、超快过程及光谱展宽方面的研究。E-mail：yrsong@bjut.edu.cn

张新平（1968-）,男,河北唐山人,博士,教授,博士生导师,2002年于德国马尔堡大学获得博士学位,主要从事纳米光学与技术、超快激光技术与时间分辨光谱学方面的研究。E-mail：zhangxinping@bjut.edu.cn

Advances and applications of dual-wavelength optical parametric oscillators

TIAN Jin-rong*,LIU Jing-hui,SONG Yan-rong,ZHANG Xin-ping
（College of Applied Sciences,Beijing Uniυersity of Technology,Beijing 100124）
*Corresponding author,E-mail：jrtian@bjut.edu.cn

Dual-wavelength optical parametric oscillator is a new-type of nonlinear laser devices.In this paper,the principle of dual-wavelength optical parametric oscillators is introduced.The research advances in dual-wavelength optical parametric oscillators are reviewed.Scientific and technological problems that dualwavelength optical parametric oscillators encountered are discussed.Several applications of dual-wavelength optical parametric oscillators are presented.

optical parametric oscillator；dualwavelength

TN753.91

A

10.3788/CO.20140705.0723

2095-1531（2014）05-0723-08

2014-03-18；

2014-05-25

国家自然科学基金资助项目（No.61177047）；北京市自然科学基金资助项目（No.1102005）