田金榮，劉京徽，宋晏蓉，張新平

（北京工業(yè)大學應(yīng)用數(shù)理學院，北京100124）

雙波長光參量振蕩器的研究進展及應(yīng)用

田金榮*，劉京徽，宋晏蓉，張新平

（北京工業(yè)大學應(yīng)用數(shù)理學院，北京100124）

雙波長光參量振蕩器是一類非常新穎的激光器件。本文闡述了雙波長光參量振蕩器的工作原理,并總結(jié)了雙波長光參量振蕩器的研究進展,探討了雙波長光參量振蕩器發(fā)展中存在的技術(shù)問題,介紹了雙波長光參量振蕩器的應(yīng)用。

光參量振蕩器；雙波長

1 引言

超短脈沖激光在物理、材料、化學、生物信息等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。由于其極短的時間特性,成為人們在極短時間范圍“時間”范疇上取得新發(fā)現(xiàn)的重要手段。但是對于很多領(lǐng)域來說,單波長超短脈沖激光的作用具有局限性,如某些超快泵浦-探測實驗［1］就需要雙波長超短脈沖來完成,一束激光用來激發(fā)研究對象,另一束波長不同的激光用來探測研究對象被激發(fā)后的行為。雙波長超短脈沖擁有超短脈沖所有的優(yōu)勢,并且有兩個不同波長,使其成為眾多研究領(lǐng)域的重要工具。例如利用雙波長超短脈沖的差頻,可以產(chǎn)生中紅外［2］乃至THz波段的電磁輻射［3］；利用雙波長超短脈沖的相干合成有望合成周期直至阿秒量級的超短脈沖［4］；利用兩束超短脈沖激光的共同作用,可以實現(xiàn)對原子、分子的相干控制［5］；在量子密碼通訊中需要的糾纏態(tài)也可以由雙波長的超短脈沖激光獲得［6］。由此可見,對雙波長超短脈沖激光進行研究,不僅是激光技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點,并能夠持續(xù)不斷地推動多個領(lǐng)域的發(fā)展。

雙波長超短脈沖激光已經(jīng)在多個固體激光系統(tǒng)中實現(xiàn),如鈦藍寶石［7-8］,鈦藍寶石/鎂橄欖石系統(tǒng)［9］等。但受到固體激光材料增益區(qū)間的限制,所產(chǎn)生的激光波段有限,因此大范圍可調(diào)諧的光參量振蕩器（OPO）［10-11］引人矚目。OPO天然具有兩個波長的輸出,即信號光和閑頻光,可稱為廣義上的雙波長輸出。但信號光和閑頻光的波長和功率往往相差很大,不利于應(yīng)用。一些研究者在進行可調(diào)諧光參量振蕩器實驗中,觀察到OPO出現(xiàn)了兩個信號光振蕩的現(xiàn)象（與之對應(yīng)也會有兩個閑頻光振蕩）,即雙信號光輸出的OPO,可稱為狹義的雙波長OPO。

OPO輸出的雙波長激光與固體激光器所產(chǎn)生雙波長激光是不同的。固體激光所產(chǎn)生的雙波長激光盡管同步精度很高,但其相位并未鎖定。在光頻標、相干合成等領(lǐng)域應(yīng)用時,尚需利用復(fù)雜的光路對其相位進行鎖定。OPO所產(chǎn)生的雙波長激光由于來自同一束泵浦光,相位是同步的。又由于兩束光都滿足相位匹配關(guān)系,因此相位是一致的。由此可見雙波長的OPO具有天然的優(yōu)勢,已成為非線性光學中一類非常新穎的激光器件。本文將介紹雙波長OPO的工作原理、研究進展和相關(guān)應(yīng)用。

2 雙波長光參量振蕩器的工作原理及研究進展

實現(xiàn)OPO的雙波長輸出需要兩個條件：（1）兩個信號光都要滿足相位匹配關(guān)系；（2）兩個信號光在OPO內(nèi)的參量增益要大于損耗。而根據(jù)相位匹配理論,采用雙折射相位匹配的非線性晶體難以同時滿足這兩個條件。因此,人們通常采用兩塊晶體來實現(xiàn)。如2003年,Gunnar Rustad等人在ZGP-OPO實驗中觀察到了雙波長現(xiàn)象,并進行了8～11μm范圍的調(diào)諧操作［12］。2004年,日本東北大學T.Taniuchi等人通過在OPO腔內(nèi)泵浦兩個KTP晶體獲得了可調(diào)諧雙波長輸出。該OPO輸出波長依賴于調(diào)節(jié)KTP角度,但由于高反射損失和非線性系數(shù)小,從而預(yù)期閾值高,使OPO運行限制在低重復(fù)頻率［13］。2006年,日本東北大學K.Suizu等人組建了腔內(nèi)具有兩塊KTP晶體的光參量振蕩器［14］,實現(xiàn)了雙波長輸出。2010年,中國山東大學J.F.Yang等人［15］首次實現(xiàn)了在腔內(nèi)泵浦一塊KTA晶體,輸出雙波長的實驗,其輸出信號光波長分別為1.7μm和1.9μm。2012年,日本Takashi Notake等人腔內(nèi)放置兩塊切割角不同的BBO晶體組成OPO（圖1）［3］,使兩個信號光分別滿足BBO1和BBO2的相位匹配,實現(xiàn)了雙波長輸出。

周期極化晶體的出現(xiàn)改變了雙波長OPO采用兩個晶體的狀況。人們可以在一塊晶體上制作不同的周期,或者使相位在一定長度反轉(zhuǎn),使兩個信號光滿足不同的相位匹配關(guān)系。2010年,天津大學姚建銓院士研究組采用相位反轉(zhuǎn)PPMgLN晶體實現(xiàn)了雙波長OPO輸出［16］,如圖2所示。兩信號光滿足的相位匹配關(guān)系為：

對鎖模的光參量振蕩器來說,由于其泵浦光為鎖模激光,因此參量光需要與泵浦光實現(xiàn)同步,稱之為同步泵浦光參量振蕩器（SPOPO）。在同步泵浦光參量振蕩器中,同步與相位匹配的共同作用會產(chǎn)生雙波長輸出。2006年,英國赫瑞瓦特大學孫敬華等人在同步泵浦MgO∶PPLN-OPO中觀察到了雙波長的現(xiàn)象［17］。圖3（a）為其激光裝置,其中GTI為提供負色散的啁啾鏡,圖3（b）為光譜。輸出光譜的波長集中在1.22和1.33μm左右,波長調(diào)諧范圍不到10 nm。他們認為在色散的作用下,1.22和1.33μm的信號光在腔內(nèi)延時相等,因此出現(xiàn)雙波長現(xiàn)象。2007年,意大利帕維亞大學Luca Tartara在皮秒激光泵浦的環(huán)形腔同步泵浦PPLN-OPO中也觀察到了雙波長現(xiàn)象［18］,兩個波長間距大約40 nm,通過PPLN溫度調(diào)諧范圍從1500～1700 nm。同年,天津大學姚建銓研究組采用同一個OPO腔內(nèi)泵浦多光柵PPLN晶體和單光柵MgO∶PPLN晶體,首次實現(xiàn)了在準相位匹配條件下的高重復(fù)頻率50 kHz雙波長輸出,產(chǎn)生1.5μm輸出波段的雙信號波長。通過調(diào)整溫度和晶體的光柵周期,波長的間隔可從2.5 nm調(diào)節(jié)到69.1 nm［19］,如圖4所示。

2011年,西班牙光子科學研究所G.K.Samanta等人通過在一個四鏡環(huán)形腔泵浦兩個30 mm長的MgO∶PPLT晶體,得到雙波長輸出［20］。圖5（a）為其激光裝置；圖5（b）為不同溫度下的雙波長輸出功率歸一化曲線。

該裝置優(yōu)勢在于降低閾值,提高信號光輸出功率,同時減少源于泵浦源吸收的熱效應(yīng)。通過調(diào)節(jié)晶體溫度,可得到在850～1 430 nm范圍內(nèi)的雙波長輸出。

2011年,德國斯圖加特大學Robin Hegenbarth等人通過設(shè)計啁啾鏡,對腔內(nèi)的色散進行控制,可以使兩個波長的延時相等,從而獲得雙波長輸出［21］。圖6顯示了其實驗結(jié)果。兩個波長的中心位于1 566和1 809 nm附近,可調(diào)諧范圍很小。

2012年,中國科學院物理研究所魏志義研究組在未特別進行色散控制的同步泵浦PPLN-OPO內(nèi)觀察到了雙波長現(xiàn)象［22］,波長調(diào)諧范圍約為50 nm,兩個波長的平均值在1 100 nm左右（如圖7所示）。他們認為雙波長振蕩不完全決定于凈零色散,兩個信號光之間相位匹配與群速失配的平衡更為重要。

從雙波長的OPO發(fā)展來看,雖然在多個同步泵浦OPO中觀察到了雙波長振蕩現(xiàn)象并在某種程度上實現(xiàn)了調(diào)諧,但調(diào)諧范圍都較為有限。Luca Tartara等人的調(diào)諧范圍雖然大,但是兩個波長之間的間距是固定的,如果進行差頻所獲得的波段有限。Robin Hegenbarth等人對色散設(shè)計實現(xiàn)雙波長輸出是一個有效的控制方案,但啁啾鏡的設(shè)計與加工是一個比較復(fù)雜的技術(shù)問題,并且理想的色散曲線在實際啁啾鏡制作中不一定能完全實現(xiàn),所以對實驗效果有一定的影響。另外還有一個重要的物理問題尚未解決,即在雙波長輸出過程中到底是零色散還是相位匹配的群速失配平衡起了主要作用,尚不明確。因此還有一些物理及技術(shù)問題有待在雙波長OPO的發(fā)展過程中解決。

3 雙波長光參量振蕩器的應(yīng)用

目前,雙波長光參量振蕩器已經(jīng)獲得了長足發(fā)展,并在一些重要領(lǐng)域開始展現(xiàn)其應(yīng)用價值。雙波長光參量振蕩器在紅外區(qū)域輸出的可調(diào)諧雙波長激光,可用于物質(zhì)或組分的差分吸收激光雷達測量。1997年,英國國家物理實驗室M.J.T. Milton等人利用鈮酸鋰晶體實現(xiàn)雙波長光參量振蕩輸出,兩個波長的間距為90 nm。他們利用此光源對空氣中的甲烷進行了遠程差分吸收激光雷達測量［23］,成功獲取了甲烷的濃度。1998年,A. R.Geiger等人以MgO∶LiNbO3與KTA晶體組成OPO,在2～5μm實現(xiàn)了多波長輸出,該系統(tǒng)可用于空氣中甲烷的檢測［24］。2000年,E V Degtiarev等人利用兩塊傾斜放置的KTA晶體組成體積小巧的OPO,在3.30～3.47μm實現(xiàn)了雙波長輸出,并利用該激光器對汽油和甲醇溶劑進行了近程差分吸收激光雷達測量［25］?？梢哉J為,由于雙波長光參量振蕩器的波段及波長間距可調(diào),對更多的物質(zhì)或組分進行差分吸收激光雷達測量是很有可能的。

雙波長光參量振蕩器最主要的應(yīng)用在于差頻。目前中遠紅外及太赫茲波段是激光波段很難覆蓋的,差頻方法恰好彌補了這個不足。雙波長參量振蕩光的波段和波長間距靈活可調(diào),因此在多種非線性晶體內(nèi)實現(xiàn)差頻可獲得大范圍可調(diào)諧的中遠紅外及太赫茲［26］輸出。2000年,日本光動力學研究中心Kodo Kawase等人以雙周期PPLN（29.3μm及29.5μm）為非線性晶體組建光參量振蕩器,獲得了波長分別為1.529和1.546μm的雙波長輸出。將兩束激光聚焦至DAST晶體進行差頻,獲得了波長為139μm的太赫茲波輸出。通過溫度調(diào)諧可以使光參量振蕩器的信號光波長間隔在15～20 nm之間變化,通過DAST晶體差頻可以獲得調(diào)諧范圍在120～160μm的太赫茲輻射［27］。如再對晶體的周期進行改進,則可望將太赫茲輻射的調(diào)諧范圍擴展至100～700μm。2004年,T Taniuchi等人通過泵浦兩塊KTP晶體的雙波長光參量振蕩器作為產(chǎn)生THz波的光源［13］,實現(xiàn)了可調(diào)諧THz波的輸出。由于KTP晶體的損傷閾值高,并且波長調(diào)諧范圍大、轉(zhuǎn)換效率高,因此腔內(nèi)放置兩塊KTP晶體的雙波長光參量振蕩器,已經(jīng)成為產(chǎn)生太赫茲輻射的重要光源。2006年,天津大學姚建銓研究組在利用兩塊不同周期的PPLN晶體組成OPO,在1.5μm左右獲得雙波長輸出,波長間距在2.5～69.1 nm,可產(chǎn)生0.3～8.9 THz的太赫茲輸出［28］；并在理論上研究了采用PPKTP晶體獲得雙波長OPO輸出,并差頻獲得THz輸出的可行性［29］；2010年,該組利用兩個KTP晶體組成OPO,在2.128μm實現(xiàn)了雙波長輸出,在GaSe晶體中通過差頻產(chǎn)生在0.186～3.7 THz波段獲得了高功率輸出［30］；2013年,該組利用類似的雙波長OPO光源在準相位匹配GaAs晶體中差頻獲得了范圍在0.06～3.34 THz的可調(diào)諧相干太赫茲輻射［31］。2007年,美國斯坦福大學Fejer課題組以PPLN為非線性晶體組建同步泵浦光參量振蕩器,采用雙諧振方式獲得2 107 nm及2 150 nm的脈沖激光,并采用準相位匹配GaAs晶體在腔內(nèi)差頻獲得2.8 THz的脈沖輸出［32］。2012年, Takashi Notake等人利用BBO晶體取代KTP晶體組建了雙波長光參量振蕩器。以調(diào)Q激光器為泵浦,獲得了波長調(diào)諧分別為0.8～1.3μm和1.2～1.6μm的雙波長輸出。并利用這兩個波長在有機非線性晶體DAST及BNA內(nèi)進行差頻獲得了1～30 THz的脈沖輸出［3］。采用OPO輸出的激光進行差頻也可以獲得寬波段調(diào)諧的中紅外激光［33］。1998年,K SAbedin等人采用基于LiN-bO3晶體的光參量振蕩器輸出的信號光和閑頻光在AgGaSe2晶體內(nèi)進行差頻,獲得了調(diào)諧范圍在5～18μm的中紅外激光輸出［34］。1999年,Sajjad Haidar等人利用基于LiNbO3的光參量振蕩器輸出的信號光和閑頻光在AgGaS2晶體內(nèi)進行差頻,獲得了調(diào)諧范圍為5～12μm的中紅外激光輸出［35］。2012年,Robin Hegenbarth以MgO∶PPLN為非線性晶體組建同步泵浦光參量振蕩器,分別在1 563～1 621 nm,1 795～1 859 nm波段獲得了雙波長輸出,并利用此光源在GaSe內(nèi)進行差頻獲得了10.5～16.5μm的中紅外飛秒激光輸出［36］。

鎖模的雙波長光參量振蕩器在光頻標及光學合成方面也有一定的應(yīng)用。由于鎖模的光參量振蕩器輸出的兩個波長來自于同一個泵浦光,因此是同步的。同時由于獲得光參量振蕩需要與同一個泵浦光滿足相位匹配關(guān)系,因此兩個波長相位一致,省略了相位控制的調(diào)節(jié)。文獻［17］已在實驗上證實了雙波長光參量振蕩器的這種優(yōu)勢。通過這兩個波長之間的差頻可以獲得相位穩(wěn)定的頻率梳。同時這兩個波長可以實現(xiàn)光學合成,從而為合成更短的脈沖創(chuàng)造條件。文獻［4］已在實驗上對光參量放大器產(chǎn)生的雙波長激光進行光學合成,最終合成0.8個振蕩周期的超短脈沖。光參量振蕩器在相位關(guān)系上與光參量放大器是一致的,因此最終進行光學合成也是可能的。

4 結(jié)束語

本文介紹了雙波長光參量振蕩器的工作原理及光參量振蕩器在技術(shù)上實現(xiàn)雙波長輸出的手段,包括采用雙非線性晶體,或者利用色散控制,溫度控制實現(xiàn)雙波長輸出,同時分析了各種方法的優(yōu)勢與不足。對雙波長光參量振蕩器發(fā)展中存在的技術(shù)問題進行了討論。并介紹了雙波長光參量振蕩器在差分吸收測量、中紅外激光及太赫茲輻射的產(chǎn)生、光頻標及光學合成方面的應(yīng)用。說明雙波長光參量振蕩器是一種具有重要研究價值的新型非線性光學器件。

縱觀近十幾年的發(fā)展,雙波長光參量振蕩器無論是在波長調(diào)諧、脈沖寬度及其應(yīng)用方面都有顯著的進步。這不僅得益于優(yōu)良的非線性晶體的出現(xiàn),也得益于啁啾鏡等光學元件性能的提高。但是在發(fā)展過程中,光參量振蕩器的調(diào)諧范圍、調(diào)節(jié)方式及其應(yīng)用方面都還有很大的發(fā)展空間,雙波長輸出的物理機制也有待深入的研究。我們相信隨著非線性晶體和光學元器件性能的提高,雙波長光參量振蕩器也會在波長調(diào)諧范圍、光譜寬度、脈沖寬度、平均功率、峰值功率等方面得到提高,并在光學差頻、光頻標、光學合成等方面得到更為廣泛的應(yīng)用。

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田金榮（1975-）,男,山東德州人,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師。2005年于中國科學院物理研究所獲博士學位,主要從事飛秒激光技術(shù)方面的研究。E-mail：jrtian@bjut.edu.cn

劉京徽（1991-）,女,北京人,碩士研究生,2013年于北京工業(yè)大學獲學士學位,主要從事固體鎖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,博士生導(dǎo)師,2000年于山西大學獲得博士學位,主要從事新型光泵半導(dǎo)體激光器、超短脈沖激光器及CPA激光放大器、超快過程及光譜展寬方面的研究。E-mail：yrsong@bjut.edu.cn

張新平（1968-）,男,河北唐山人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,2002年于德國馬爾堡大學獲得博士學位,主要從事納米光學與技術(shù)、超快激光技術(shù)與時間分辨光譜學方面的研究。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

國家自然科學基金資助項目（No.61177047）；北京市自然科學基金資助項目（No.1102005）