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52, 011402(2015)
激光与光电子学进展
Laser & Optoelectronics Progress
©2015《中国激光》杂志社
011402-1
单谐振光参变振荡器稳定性分析
林洪沂
1,2
许英朝
1,2
孟宪国
1,2
黄晓桦
1,2
檀慧明
3
1
厦门理工学院光电与通信工程学院, 福建 厦门 361024
2
福建省高校光电技术重点实验室, 福建 厦门 361024
3
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
摘要 性能稳定 可靠的宽调 谐光参变振 荡 器(OPO)是一种非常理 想的相干光 源,具有最佳 的相干性和 调谐范围,对
于光谱分析、激光干涉计量、遥感、差分吸收雷达等具有重要意义。谐振腔结构、聚焦参数、抽运阈值比、热效应、群速
度色散以及其他非线性效应都会影响光参变振荡器的稳定性。详细分析了影响光参变变换稳定性的各种因素,并指
出实现单频运转是减弱输出波长噪声最有效的办法。
关键词 激光器; 单谐振光参变振荡器; 可调谐激光; 稳定性; 热效应
中图分类号 TN 248.1 文献标识码 A
doi: 10.3788/LOP52.011402
Stability Analysis of Single-Resonant Optical Parametric Oscillator
Lin Hongyi
1,2
Xu Yingchao
1,2
Meng Xianguo
1,2
Huang Xiaohua
1,2
Tan Huiming
3
1
School of Optoelectronic and Communication Engineering, Xiamen University of Technology,
Xiamen, Fujian 361024, China
2
Fujian Key Laboratory of Optoelectronic Technology, Xiamen, Fujian 361024, China
3
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,
Changchun, Jilin 130033, China
Abstract A stable and reliable optical parametric oscillator (OPO) with the best coherence and tunable
spectral range is an ideal laser source. It is widely used in spectrum analysis, laser interference measurement,
remote sensing, laser differential absorption radar, etc. The structure of resonant cavity, focusing parameters,
pump threshold ratio, thermal effect, group velocity dispersion and other nonlinear effects affect the stability of
the OPO system. Various factors which influence the stability of optical parametric transformation are analyzed,
the most effective way to eliminate the noise of the OPO system is pointed out, which is the realization of single
frequency operation.
Key words lasers; single-resonant optical parametric oscillator; tunable laser; stability; thermal effect
OCIS codes 140.3580; 140.3600; 190.4360
1 引 言
宽光 谱激 光的产生途径有很多,最常 见最 突出的是激光器,如近 红外 波段 工作的钛蓝宝石激光器和可
见光波段 工 作的染料 激 光器。它 们 的增益是 通 过受激辐 射 来实现的 ,调谐范围 受 激光工作 介 质能级的 限
制。还有一种是可调谐激光光 源:光参变振荡器(OPO)
[1]
。它是一种利用非线性晶体[如周期性极化铌酸锂
(PPLN)、掺 氧 化 镁 周 期 性 极 化 铌 酸 锂 (PPMgLN)、周 期 性 极 化 钽 酸 锂 (PPLT)、周 期 性 极 化 钛 氧 磷 酸 钾
(PPKTP)等]的二阶非线性效应来实现频率变 换的器件,其增益来自于光抽运非线性效应,调谐范围 仅受非
线性晶体透明范围的限制。OPO 具有调谐范围宽、转换效率高、结构简单等 优点,广泛应 用于天文学、物理
学、激光分离同位素、痕量气体和蒸气检测、光电对抗、自由空间通信和生物医学等领域
[2-5]
。
收稿日期: 2014-07-23; 收到修改稿日期: 2014-08-14; 网络出版日期: 2014-12-23
基金项目: 国家自然科学基金(11304259)、福建省教育厅 A 类科技项目(JA12248,JA12255)
作者简介: 林洪沂(1982—),男,博士,副教授,主要从事全固态激光与非线性频率变换技术等方面的研究。
E-mail: linyi0714@163.com
52, 011402(2015)
激光与光电子学进展
www.opticsjournal.net
011402-
OPO 的 噪声 特性是衡量 OPO 性能 的重要指标 之一 。噪声低,意 味着输出功率稳 定性好,在遥 感、光谱
分析、差分吸收雷达以及科学实验等很多实际应用中都有严格的要求。同时,对 OPO 自身来说,噪声低意味
着参变光不会出现较大的功率波动,不会对腔内光学元件(如介质膜系、非线性晶体、调谐元件等)造成损伤,
从而延长了 OPO 的工作寿命
[1]
。提高 OPO 系统的稳定性,一直是科研人员努力的方向。
2 影响 OPO 稳定性的因素
影响 OPO 稳定性的因素有很多,如抽运阈值功率比、谐振腔结构、热效应、群速度色散以及其他的寄生
非线性效应。
2.1 抽运阈值比
尽管 OPO 已经实现了四十余年,其稳定性还没有得到很好的诠释。早在 1969 年,Kreuzer 认为,若抽运
源为完美单频光时,OPO 效率
η
完全由抽运阈值比 I
ratio
决定,抽运光的功率绝对值并不起决定作用。如图 1
所示,效率
η
开始随 I
ratio
增加而迅 速 增 大,在 I
ratio
=2.5 时 ,可以达到 100%。随 后
η
随着 I
ratio
增加而减 小 。 在
I
ratio
= 4.6
时,效率减为 80%,此时闲频光的输出功率最大,且为单频光,功率很稳定。但是当抽运光超过阈值
的 4.6 倍时,闲频光便开始多纵模运转,输出功率变得很不稳定
[6]
。
图 1 根据 Kreuzer 理论计算的转换效率(实线)、闲频光的输出功率(虚线)与抽运阈值比的关系
Fig.1 Relationship between calculated conversion efficiency based on kreuzer′s theroy (full line)、output power of idler
frequency (dash line) and pump threshold ratio
因此,对于确定功率的抽运源,为了获得最大功率的单频闲频光稳定输出,可以让振荡阈值调整到一个优
化值(阈值并不是越小越好)。如选择合适的输出耦合镜,调整非线性晶体的长度,或者选择适宜的非线性系数。
Sowade 等
[6]
将晶体长度减小一半,在同样抽运功率下,可以使稳定输出的单频闲频光功率增加两倍。
2.2 群速度色散
2010 年,Phillps 等
[7]
发展了 OPO 稳定性理论,提出当 I
ratio
达到一定值时,平面波单谐振 OPO 会表现出一
种时间调制的非稳定性
[7]
。考虑到抽运光、信号光和闲频 光三者完全自洽的相互作用,在 一些光谱区域,这
个稳定性抽运阈值比 I
ratio
要小于以前的预测值 4.6;在一些特殊的情况下,这个值甚 至接 近于 1,这就阻碍了
OPO 单频的高效运转。并 且,具体分析特定光谱区域的非稳定性,会发现群速度失配和群速 度色散对其有
重要的影响。
Phillps 认为所有相互作用的波都是变化的,这些场的包络面以群速度移动。计算谐振光的噪声在谐振
腔内一次往返过程中是否增减时,群速度色散起了决定性作用。因而,稳定性不但与输入的抽运功率有关,
还与 群速度有关 。1064 nm 抽运的 PPLN-OPO 非稳 态抽 运阈值比 I
ratio
与谐 振光波长的 关系 如图 2 所示 ,图
图 2 非稳态抽运阈值比与谐振光波长的关系
Fig.2 Relationship between instability pump threshold ratio and resonant wavelength
2
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