文 / 韦俊雄,武汉华日精密激光股份有限公司

  由于激光工作物质都具有某些特征频率的原因,通常情况下,一种激光器只能产生一个或者几个固定波长的激光输出,这个特性限制了激光在许多现代社会生产中的应用。随着现代光学技术的发展,对激光的要求也越来越高,尤其是希望激光器的输出波长可在一定波长范围内连续可调节,这种激光器可统称为可调谐激光器。

  1991年,利用克尔透镜锁模,掺钛蓝宝石激光器第一次实现了60 fs的脉冲输出,为近红外光谱区域实现波长连续可调脉冲输出提供了可能性。自此,钛宝石激光器成为700-1000 nm范围内主要的超快脉冲相干光源。

  近年来,随着宽带可调谐、高相干的超快皮秒和飞秒光源在激光测距[1]、生物医学成像[2]以及纳米技术[3]等领域越来越广泛的应用,科研和社会生产迫切需要在更多的光谱区域获得可调谐激光输出。

       由于受到激光工作物质能级结构或发射机制的限制,大部分激光器产生的激光,要么可调谐范围较窄,要么就是可连续调谐激光的输出功率不够高。因此超短脉冲激光技术向新的光谱区域的拓展遇到了一个持久的瓶颈。长期的科学实践证明,基于非线性光学的频率变换技术是拓宽激光光谱输出的另一个非常有效的手段。

       与激光器不同,非线性光学技术可以通过选择合适的激光泵浦源和非线性材料参数,提供所有时间尺度,从连续波 (CW) 到皮秒和飞秒的相干光源。图1展示了西班牙光子科学研究所(ICFO)光参量振荡器课题组研发的不同时域光参量振荡器已经实现的可调谐范围。

图1 西班牙光子科学研究所 OPO 课题组研发的不同时域光参量振荡器

       特别是,同步泵浦光参量振荡器 (SPOPO) 结构为产生稳定的、高平均功率的近红外到中红外激光区域提供了最可行的方法。同时,随着光纤激光技术的快速进步,出现了高平均功率的皮秒和飞秒锁模光纤激光器,使其成为推进非线性频率变换技术发展的理想泵浦源。

       虽然基于钛宝石激光器作为泵浦源的皮秒和飞秒SPOPO在过去得到了广泛开发,但泵浦激光器技术向锁模光纤激光器的过渡提供了重要的实际优势。其中包括更简化的设计、更紧凑的尺寸、更低的成本、以及更高的可靠性和稳定性,提高了光参量振荡器(OPOs)对环境的抗干扰性,以及实用性和便捷性,从而为实现高效紧凑可调谐OPOs的设计提供了可能。

       图2所示为西班牙光子科学研究所光参量振荡器课题组在过去几年开发的可调谐激光器光谱覆盖范围,其泵浦源为1 μm光纤激光器,其中部分装置已经实现了工程化及产业化。

图2 西班牙光子科学研究所研究的各种基于 1 μm 光纤激光器频率变换光源原理图

       该课题组基于1064 nm激光开发的高功率SPOPO,实现了高转换效率,瓦级平均功率输出,并且在1.4-8 μm近红外到中红外光谱范围内实现了广泛的波长可调性。通过部署基于谐波生成和混合额外非线性上转化方案,进一步将这种SPOPO的调谐范围扩展到可见光和紫外光谱区域。

       使用这些技术,能够在近红外和中红外区域产生高达11.7 W的平均功率,3.5 W可见光和近红外光,5.4 W绿光,以及30 mW可调谐紫外光,脉冲重复频率为~81 MHz[4],其具有出色的光学输出特性,兼具进一步功率提升的潜力,在许多应用中具有重要的实用价值。

 

光参量发生器的物理机制

       光参量发生器的物理机制主要有三类(如图3),分别是光参量产生器、光参量放大器、以及光参量振荡器。

 

图3 光参量发生器的物理机制示意图(a)、光参量产生器(b)、光参量放大器(c)光参量振荡及调谐器示意图

光参量产生器(OPG)

       当泵浦光直接通过非线性晶体时,在非线性晶体内,满足能量守恒和动量守恒(又称相位匹配条件)的自发噪声辐射与泵浦光进行差频,从而产生闲频光,而此时闲频光又进一步与泵浦光耦合进行差频从而产生了更多信号光。如果此时增益大于损耗,该过程就会持续进行下去,因此泵浦光的能量会不断转换到信号光和闲频光中去,从而形成参量激光的输出,这称为光参量产生过程,其原理示意图如图 3(a)所示。

光参量放大器(OPA)

       光参量放大过程是使弱信号光通过非线性晶体,使其在频率转换时得到放大的过程。当泵浦光和信号光同时入射到非线性晶体后,就会产生二次极化波,在满足相位匹配情况下,此时泵浦光和信号光会进行差频,从而产生闲频光,此时该差频产生的闲频光又会进一步与泵浦光耦合,通过二次非线性极化波的作用,再次辐射出更多信号光。由于满足相位匹配条件,该非线性过程会一直持续进行下去,从而使泵浦光的能量不断转换到信号光和闲频光中去,最终形成信号光放大的作用。参量放大的示意图如图 3(b)所示。

光参量振荡器(OPO)

       光参量振荡器是将散射或荧光引起的噪声光子在泵浦光的作用下通过非线性晶体进行频率变换,在谐振腔中不断振荡放大。与激光类似,谐振腔通常由两个或者几个反射镜组成,当增益等于或大于腔内损耗加输出耦合损耗时,光参量的放大作用就可以在腔内往返过程中进行,因此信号光可以得到持续的放大直到达到阈值输出,这就是所谓的光参量振荡器,其原理示意图如图 3(c)所示。需要指出的是,光参量放大器,一般都是单次的,而且没有所谓“阈值”。而光参量振荡器,因为泵浦能量通常比较低,单次通过非线性晶体的增益小,因此是小增益过程,需要放入谐振腔中进行放大,需要克服腔损耗,因此参量振荡输出有阈值。
 

实际设计考虑因素

       OPOs技术非常适合产生可调任意波长的相干激光,但因为能量守恒,OPOs过程中产生的波长总是会比泵浦光波长要长。因此,在可见光谱范围内工作的OPOs器件要么需要用紫外光作为泵浦源,要么需要将长波长进行频率转换,比如腔内倍频。

 

       目前为止,后一种方法在工业用系统中被证明是技术上和操作上都可行的方案。此外,所谓的OPOs对应的是锁模皮秒或者飞秒脉冲泵浦情况下的工作区域,其重复频率通常为70–100 MHz。因此,注入的超短脉冲通常能量比较低,此时非线性晶体对光学损伤的耐受性增加,从而使超短脉冲OPOs在使用高功率泵浦源的情况下依然可以保持高平均功率输出下的可靠运行。

       此外,超短脉冲OPOs的运行非常适合高功率锁模光纤激光器作为泵浦源,这也提供了进一步提高功率的潜力。

       与工作在连续或者纳秒泵浦情况下不同,超短脉冲OPOs只能在同步泵浦条件下才能实现。这是因为,泵浦脉冲的时间窗口太窄,如果不能与同样短的信号光或闲频光同时在非线性晶体中相遇,就不能发生能量交换。

       OPOs谐振腔长度需要与泵浦激光器的腔长匹配,OPOs腔中的信号光传输往返时间正好等于泵浦脉冲列的重复周期。这样,信号光脉冲在经历一次往返周期后都会与下一泵浦脉冲重合,从而达到信号光在非线性晶体中经历连续放大的目的。在实际设计中,同步泵浦也使OPOs只能工作在相对较高的脉冲重复率(>50 MHz )下。在较低的重频下,OPO的腔太长,会使用太多的反射镜而引入过多的损耗和潜在的不稳定,并不实用。

       同步泵浦参量振荡器(SPOPO)相比传统锁模激光器具有许多优点,由于参量过程增益的瞬时特性,SPOPO输出脉冲相对于泵浦脉冲具有较低的时间抖动,具有较大的灵活性和宽的调谐范围,因此SPOPO非常适合于高分辨率时域光谱等应用。

       除了高功率锁模泵浦激光器之外,实用化超短脉冲SPOPO的另一个关键因素是开发能够承受大平均功率的非线性材料,同时为最大非线性增益提供长相互作用长度,并扩展相位匹配到感兴趣的波长区域的能力。基于类型0(e → e+e) 非临界相位匹配(NCPM)下的准相位匹配晶体正好可以同时满足这些要求。

       其中,MgO:PPLN 具有高非线性系数 (deff ~17 pm/V)、长相互作用长度 (50-80 mm) 和长达5 μm的透光范围,已被确认为近红外至中红外区域最适合的非线性材料。而对于可见光到近红外区域,MgO:sPPLT 具有相对较低的非线性系数 (deff ~9 pm/V)和较短的可用相互作用长度 (30-40 mm),但拥有相对较高的光折变损伤的抵抗力,因此也成为了该区域内最适合的候选晶体。
正如前面所提,为了将光谱范围扩展到可见光和紫外区域,设计上可以在参量振荡器光路的内部或外部部署倍频光路,例如使用BIBO和BBO晶体进行倍频,从而使波长进入短波区域。相比于腔外倍频,腔内混合过程中可以实现最高的单程转换效率。
 

小结

       光参量振荡器是产生大带宽连续可调谐激光的一种非常重要的手段,它能够将技术成熟的1 μm激光器通过频率转换而得到相干的其他波长的信号光和闲频光,且可以在很宽的范围内调谐。此外,光参量振荡器还具备效率高、结构简单、工作可靠等优点,并可以做成小型化和全固化。

       近年来,随着新的优质非线性光学晶体的问世,尤其是取向图案化的磷化镓(OP-GaP) 晶体的出现,以及非线性频率变换和宽带连续可调谐激光技术的迅猛发展,光参量振荡器能够直接将1 μm波长的光转换至5-12 μm以内的中远红外光。

       例如0.6-1 μm的近红外激光常应用于生物医学成像以及光谱学领域,3-5 μm的中波红外激光对应了大气窗口并覆盖了多种分子的特征吸收谱线,在光电对抗、激光雷达和生物医学检测方面有着重要应用。

       总之,光参量振荡器及其应用技术的研究和发展在现代科技发展中起着越来越重要的作用。
 
 

参考文献

1. W. Kim, J. Jang, et al .Absolute laser ranging by time-of-flight measurement of ultrashort light pulses [J]. Opt. Soc. Am. A 2020, Vol.37(9):B27-B35.
2. E. E. Hoover, J. A. Squier, et al . Advances in multiphoton microscopy technology [J]. NatPhotonics. 2013 Feb 1;7(2):93-101.
3. E. Daniel, S. Kaushik, et al . Femtosecond Plasmonic Laser Nanosurgery (fs-PLN) mediated by molecularly targeted gold nanospheres at ultra-low pulse fluences[J]. Scientific Reports, 2020, Vol.10(1):1-16.
4. M. E. Zadeh, S. C. Kumar. Yb-fiber-laserpumped Ultrafast Frequency Conversion Sources from the Mid-infrared to the Ultraviolet[J].Sel.Topics Quantum Electron , 2014,20(5):1-9
 
作者简介
韦俊雄,武汉华日精密激光股份有限公司高级光学工程师,西班牙光子科学研究所获博士学位,根特大学 / 布鲁塞尔自由大学联合培养博士后。目前主要从事全时域绿光 / 紫外激光器、光学参量振荡器 / 放大器以及高功率大能量碟片激光器的研发及产业化工作。