光學(xué)參量振蕩

1、光學(xué)參量振蕩,,,,,,,,01,光學(xué)參量振蕩器的發(fā)展,,02,光學(xué)參量振蕩器的原理,,03,光學(xué)參量振蕩的互作用方式,,04,光學(xué)參量振蕩器的應(yīng)用,,05,展望,目錄,1961年 Franken在光波段觀察到二次諧波，實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著對(duì)非線性光學(xué)領(lǐng)域深入研究的開始。,A,1968年Smith及Byer研制成功了連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的光參量振蕩器。,C,1965 年Wang和Racette首次在實(shí)驗(yàn)上觀察到了三波非線性過程中的參量增益，同年 Giordm

2、aine 和Miller成功實(shí)現(xiàn)了參量振蕩，他們所用的非線性材料是鈮酸鋰，由調(diào)Q激光器的倍頻530nm光泵浦。之后不久，俄羅斯莫斯科國(guó)立大學(xué)的Akhmanov演示了KDP光參量振蕩器由調(diào)Q釹玻璃激光器泵浦，調(diào)諧范圍 957.5nm 到 1177.5nm。,B,1970年Smith和Parker及Ammann等人將光學(xué)參量振蕩器置于激光器諧振腔內(nèi)，分別研制成功了連續(xù)和脈沖的內(nèi)腔式光學(xué)參量振蕩器；1971年Yarboraugh和Massey

3、研制了無共振腔的光學(xué)參量振蕩器。,D,在70年代中期由Chromatix公司生產(chǎn)了第一臺(tái)商品化的光學(xué)參量振蕩器。,E,,光學(xué)參量振蕩器的發(fā)展,把非線性介質(zhì)放在光學(xué)共振腔內(nèi)，讓泵浦光波、信號(hào)光波及空閑光波多次往返通過非線性介質(zhì)，當(dāng)信號(hào)光波和空閑光波由于參量放大得到的增益大于它們?cè)诠舱袂粌?nèi)的損耗時(shí)，便在共振腔內(nèi)形成激光振蕩，這就是光學(xué)參量振蕩器。,光學(xué)參量振蕩器基本原理,對(duì)BBO晶體采用Ⅰ類相位匹配，晶體尺寸為7.5x9.5xl4mm，切割

4、角為θ=28o。,,M2、M3：諧振腔；M1：耦合鏡；M4、M5：雙色鏡。,光學(xué)參量振蕩器種類,,光學(xué)參量放大器與光參量振蕩器的比較,光學(xué)參量振蕩的互作用方式,單共振光學(xué)參量振蕩器：光學(xué)參量振蕩器對(duì)信號(hào)頻率或空閑頻率其中一個(gè)頻率共振。,圖5.1 單諧振光學(xué)參量振蕩器,單諧振光學(xué)參量振蕩器的反射鏡與腔體的設(shè)計(jì)容易、轉(zhuǎn)換效率較好，泵浦光通過非線性晶體，所產(chǎn)生的信號(hào)光與空閑光就會(huì)在泵浦光的方向得到增強(qiáng)，輸出比較穩(wěn)定，但是閾值較高，只能用脈

5、沖激光器做泵浦源。,單共振光學(xué)參量振蕩器,雙共振光學(xué)參量振蕩器：光學(xué)參量振蕩器同時(shí)對(duì)信號(hào)頻率和空閑頻率共振。,圖5.3 雙諧振光學(xué)參量振蕩器,,在雙諧振條件下，信號(hào)光和空閑光同時(shí)在光學(xué)腔內(nèi)諧振，因而明顯降低了閾值。但是此腔型受腔長(zhǎng)、溫度及機(jī)械原因的影響很大；而且輸出光的振幅和頻率不穩(wěn)定，使輸出激光的穩(wěn)定性很差?？捎眠B續(xù)和脈沖激光去作為泵浦源，雙諧振振蕩器結(jié)構(gòu)多用于連續(xù)光學(xué)參量振蕩器系統(tǒng)。,雙共振光學(xué)參量振蕩器,總結(jié)： 單

6、共振光參量振蕩器因?yàn)橹挥行盘?hào)波或者是空閑波腔內(nèi)振蕩，沒有不同波長(zhǎng)的激光模式競(jìng)爭(zhēng)，因而功率和輸出的穩(wěn)定性好于雙共振光參量振蕩，成為光學(xué)參量振蕩器普遍采用的工作方式，而且單共振光參量振蕩器閾值比雙共振光參量振蕩高。 泵浦光除了采用單程泵浦和雙程泵浦外，還可以采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)。環(huán)形腔光學(xué)參量振蕩器能更進(jìn)一步降低激光閾值，提高轉(zhuǎn)化效率。,,光學(xué)參量振蕩器的應(yīng)用,,其一，是控制激光器輸出的輻照量，對(duì)于任何波長(zhǎng)的激光器，只要其輸出不超過

7、最大允許照量，就可以保證人眼的安全,但必然要以犧牲激光器的作用距離為代價(jià)。 其二，就是選擇人眼安全波長(zhǎng)。上世紀(jì)80年代中期至今，1.54µm-1.57µm人眼安全激光技術(shù)得到了迅速地發(fā)展。,人眼安全問題的解決有兩個(gè)途徑：,實(shí)現(xiàn)人眼安全激光的途徑主要有三種：受激喇曼頻移、光參量振蕩、新材料固體激光技術(shù)。,實(shí)現(xiàn)人眼安全激光的途徑比較,M1：1.06µm全反射；M2：1.06µm增透，在1.57

8、µm全反；M3：1.06µm全反，1.57µm部分透過；Nd:YAG激光棒：兩通光面鍍1.06µm增透膜；KTP：兩通光面鍍1.06µm和1.57µm增透膜；調(diào)Q片：Cr：YAG晶體；能量計(jì)測(cè)得輸出光的能量。,1.57µm人眼安全激光,1.57µm人眼安全光學(xué)參量振蕩器是將Nd:YAG激光器對(duì)人眼不安全的1.06µm激光波長(zhǎng)通過參量變換轉(zhuǎn)換到1.5

9、7µm波長(zhǎng)。1.57µm激光對(duì)人眼的允許曝光量是1.06µmNd:YAG激光的40倍，也較其他人眼安全波長(zhǎng)激光更為安全。1.57µm人眼安全波長(zhǎng)閾值低、轉(zhuǎn)換效率高，高重復(fù)頻率等特點(diǎn),而且體積小，重量輕,可靠性高，容易獲得較大輸出能量，能滿足軍事上要求。,基態(tài)電子吸收一個(gè)光子后躍遷到最高虛能級(jí)。該電子通過雙光子輻射過程而回到基態(tài)。存在的 場(chǎng)增強(qiáng)了這一過程的發(fā)生。事實(shí)上，即使不存在 激光，

10、這一雙光子輻射過程還是能發(fā)生的（通過自發(fā)輻射過程），只不過此時(shí)產(chǎn)生的場(chǎng)要弱得多。將非線性晶體放在一個(gè)諧振腔中，利用差頻產(chǎn)生，就構(gòu)成了能將場(chǎng)放大的光學(xué)參量振蕩器。,光學(xué)參量振蕩器：將非線性晶體放在一個(gè)諧振腔中，利用差頻產(chǎn)生，就構(gòu)成了能將場(chǎng)放大的光學(xué)參量振蕩器。光學(xué)參量振蕩器主要用于產(chǎn)生紅外激光。由于對(duì)于任何小于泵浦光的頻率，總能滿足，因此光學(xué)參量振蕩器是可以調(diào)諧的。在實(shí)際應(yīng)用過程中，可通過調(diào)整位相匹配條件來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。,A、B、C代表輸出

11、鏡透過率分別為57%、78%、65%時(shí)在不同電壓下OPO輸出能量的曲線。在透過率為65%時(shí)激光輸出能量在三者中較高，所以輸出鏡透過率T=65%被確定為該0P0輸出鏡的透過率。,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,1.Nd:YAG激光棒：兩通光面鍍1.06µm增透膜；2.Cr：YAG：兩通光面鍍1.06µm增透膜3.四面體棱鏡4.KTP：入射通光面鍍1.06µm增透和1.57µm全反膜；5.耦合輸出鏡：內(nèi)表面鍍1.

12、06µm全反膜和1.57µm部分反射膜；外表面鍍1.57µm增透膜。,在跟蹤制導(dǎo)瞄準(zhǔn)鏡中的應(yīng)用,紅外干擾機(jī),澳大利亞軍方研制的一套紅外干擾系統(tǒng)，采用的紅外干擾光源為全固態(tài)激光器泵浦的光學(xué)參量振蕩器。,激光能很好地滿足光源效率高、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定、發(fā)射波長(zhǎng)與導(dǎo)彈紅外探測(cè)器的工作波長(zhǎng)相匹配等要求。絕大部分紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的探測(cè)器波段范圍1-3µm、3-5µm、8-14µ

13、;m。紅外干擾機(jī)：發(fā)出經(jīng)過調(diào)制的紅外脈沖，使來襲導(dǎo)彈產(chǎn)生虛假跟蹤信號(hào)，從而失控而脫靶。,,展望,光學(xué)參量振蕩器是一種具有極大潛力的寬帶調(diào)諧激光源，它的發(fā)展趨勢(shì)是拓寬波段；調(diào)諧范圍；改進(jìn)泵浦源的性能與泵浦方式，提高參量轉(zhuǎn)換效率；尋求新型非線性光學(xué)晶體材料提高光學(xué)參量振蕩器的性能，實(shí)現(xiàn)光學(xué)參量振蕩器的小型化和全固化，進(jìn)一步擴(kuò)大光學(xué)參量振蕩器的應(yīng)用范圍。 由于雙共振光學(xué)參量振蕩器存在著頻率不穩(wěn)定的限制，所以單共振光學(xué)參量振蕩器是實(shí)用