光學參量振蕩器（OPO）類似于光源激光器，還使用一種激光諧振器，但基于光學增益從參量放大中的非線性晶體，而不是從受激發射。像激光器一樣，這樣的設備表現出泵浦功率的閾值，低于該閾值的輸出功率可以忽略不計（只有一些參量熒光）。

光學參量振蕩器的示意圖

OPO 的一個主要吸引力在于，由相位匹配條件決定的信號和閑散波長可以在很寬的范圍內變化。因此，可以訪問任何激光器難以或不可能獲得的波長（例如在中紅外、遠紅外或太赫茲光譜區域），并且還具有寬波長可調性（通常通過影響相位匹配條件）通常可能。這使得OPO非常有價值，例如，對于激光光譜。

一個限制是任何OPO都需要具有高光強和相對高空間相干性的泵浦源。因此，泵浦OPO基本上總是需要激光器，并且由于在大多數情況下無法直接使用激光二極管，因此系統變得相對復雜，例如由激光二極管、二極管泵浦 固態激光器、和實際的OPO。

帶有環形諧振器的典型光學參量振蕩器的設置。泵浦光束通過分色鏡注入。信號光束是諧振的，而惰輪通常至少被諧振器反射鏡射出

與激光的比較

盡管參量振蕩器在許多方面與激光器相似，但也有一些重要的區別：

• 盡管許多激光器可以使用空間非相干泵浦源操作，但參量振蕩器要求其泵浦具有相對較高的空間相干性。在大多數情況下，使用二極管泵浦 固態激光器。

• 盡管大多數激光器的發射波長只能在很窄的范圍內調諧，但許多參量振蕩器提供了具有極寬調諧范圍的波長調諧潛力。這些可能跨越電磁波譜的可見、近或中紅外部分的區域。特別是在中紅外區域，OPO 非常常用，因為中紅外激光器幾乎沒有競爭。

• 參數放大過程需要有效的相位匹配。相位匹配細節也決定了振蕩波長。波長調諧是通過改變晶體溫度，晶體的角度取向（用于影響相位匹配條件，例如實現多數情況下臨界相位匹配），或極化反轉周期（對于準相位匹配在周期性極化晶體） . 在相位匹配帶寬內，也可以使用腔內光學濾波器進行調諧。調諧范圍可能受相位匹配限制（見下文）或非線性材料的透明區域的限制 或通過諧振腔反射鏡的高反射率光譜區域。

• 參量放大僅發生在泵浦光束的方向（相位匹配的另一個后果），這意味著，在一個單向操作環形諧振器是自動獲得。（實際上，由于各種優點，經常使用環形諧振器。）

• 非線性晶體中不會沉積熱量，除非在泵浦波長、信號波長或閑散波長處存在一些寄生吸收。由于OPO主要在所有波長都處于透明區域內運行，因此通常不會產生太多熱量。只有在相當高的功率水平下才會出現相位匹配條件的干擾。 熱透鏡效應通常不顯著。

• 產生閑散波，它帶走產生的信號功率和吸收的泵浦功率之間的差異。（只有在很少使用的情況下，簡并參量振蕩，有沒有閑散波。）更精確地，光子閑散波的能量是在所述泵和信號的光子能量的差。閑散波在非線性轉換過程中起著至關重要的作用；當OPO工作在晶體中具有強閑散吸收的光譜區域時，閾值泵浦功率會高得多，效率會降低。

• 非線性晶體中不存儲能量。因此，增益僅在泵浦波存在時才存在，而泵浦波動直接影響信號功率。因此，動力學不同于激光動力學。

• 比其他熒光一個的激光增益介質，參數熒光只發生在泵浦光束的方向。更準確地說，它是在那些經歷參數增益的模式中觀察到的。

單諧振與雙諧振OPO

大多數OPO是單諧振的，即它們有一個諧振器，該諧振器在信號或閑頻波長處諧振，但不能同時用于兩者。（對于非諧振波，二向色諧振腔鏡或一些偏振光學器件會導致諧振腔損耗高，因此光反饋很少。）但是，也有雙諧振OPO，其中信號和閑散光都諧振。后者僅適用于單頻泵浦激光器。

雙諧振OPO的優點是閾值泵浦功率可以低得多。這對于連續波操作尤其有趣。然而，調諧行為是復雜的：當晶體溫度或泵浦波長改變時，信號和閑散波長會發生跳躍，并且調諧通常是非單調的。這是因為工作波長主要取決于信號和閑散光（模式簇）同時諧振的要求，而不僅僅是相位匹配條件。

另一種可能性是泵浦波的共振增強，當泵浦激光器是單頻設備時，有時會應用這種方法。在三重諧振OPO中，泵浦波、信號波和閑散波同時諧振。然而，這樣的設備操作起來很微妙。一個更簡單的選擇是制作腔內泵浦OPO，其中非線性晶體放置在泵浦激光器的諧振腔內，利用高腔內功率。

泵浦光學參量振蕩器OPO

泵浦光學參量振蕩器基本上有三種不同的選擇：

• 對于連續波操作，可以用（可能是倍頻）連續波激光器泵浦OPO。單諧振 OPO的閾值泵浦功率相對較高——通常至少為幾瓦，有時低于 1 W。一些雙諧振OPO只需幾十毫瓦就可以連續泵浦。

• 大多數OPO是用來自Q 開關激光器的納秒脈沖泵浦的。在這種模式下，即使是單諧振OPO也很容易克服閾值。輸出脈沖通常比泵浦脈沖略短，因為參數振蕩開始時有一些延遲。輸出線寬通常相對較大，并且脈沖到脈沖的波動很大，因為脈沖OPO在脈沖期間通常沒有足夠的時間穩定到穩態，因此受噪聲的影響相對較大。

• 為了產生超短脈沖，可以用鎖模激光器同步泵浦OPO。對于同步泵浦，通常調整OPO諧振器的長度，使諧振器往返頻率與泵的脈沖重復率相匹配。（在極少數情況下，諧振器頻率是泵浦重復頻率的倍數或幾分之一。）在多次諧振器往返過程中，產生的脈沖達到穩定狀態，噪聲可能相對較弱。的脈沖持續時間通常是可比的泵脈沖持續時間，但在某些條件下可以（顯著群速度失配) 明顯短于 [22]。由于典型鎖模激光器的低占空比，所需的平均泵浦功率可遠低于 1 W。

在大多數情況下，OPO 的泵浦光要么直接來自一些近紅外激光器，要么來自倍頻器，產生例如綠光。在不太常見的情況下，OPO 是用紫外光或中紅外光泵浦的。

OPO 的類型

以下列表顯示有各種各樣的OPO：

• 連續波OPO通常基于高度非線性的晶體材料，例如周期性極化的LiNbO 3 或 KTP，例如使用 1-μm摻鐿激光器或倍頻固態激光器泵浦。 在單諧振OPO的情況下，即使泵浦源不是單頻，也可以進行關于OPO輸出的單頻操作。

• 其他連續波OPO，尤其是那些用于非常高輸出功率的OPO，是腔內泵浦的。然后將非線性晶體放置在通常基于釹的高功率激光器的激光諧振腔內。

• 最典型的OPO是單諧振的，并由主動調Q Nd:YAG 激光器泵浦。它們在近紅外或中紅外區域發射具有微焦耳或毫焦耳脈沖能量的納秒脈沖。為了在相對較長的波長下工作，有時會使用串聯OPO，其中第一個OPO將波長從 1-μm 轉換為 2-μm 區域，其輸出用于泵浦中紅外OPO（例如基于 ZGP ）。

• 典型的同步泵浦OPO使用皮秒或飛秒鎖模激光器作為泵浦源，例如 1 μm摻釹激光器或鈦藍寶石激光器。它們的平均泵浦功率在幾百毫瓦到幾瓦之間，脈沖重復頻率在 100 MHz 到 1 GHz 之間，功率轉換效率在 30% 到 50% 之間。

• 強超短脈沖可實現的高參數增益允許構建光纖反饋OPO，其中OPO諧振器包含單模光纖。此類設備具有一些實際優勢，例如對諧振器長度變化非常不敏感。

• 已經證明了具有高于 80 GHz 的極高脈沖重復率的同步泵浦OPO。在這里，挑戰在于平均泵浦閾值功率與脈沖重復率呈線性關系，而當還需要高重復率時，從被動鎖模激光器中最難獲得高平均功率。因此，對于極高的重復率，需要一個MOPA泵浦源。

• 不太常見的是纖維OPO的基礎上，χ^（3）的光的非線性光纖而不是χ^（2）晶體。早期的光纖OPO通常具有接近信號和閑散波長的泵浦波長，主要用于電信應用。使用具有特殊色散特性的光子晶體光纖，可以在非常寬的波長范圍內獲得輸出。

OPO的應用

OPO 的潛在應用領域非常多樣化。一些例子是：

• 激光光譜和許多其他科學應用可以從OPO覆蓋非常寬的光譜區域的能力中受益，并提供窄線寬和高功率的輸出。

• 一個常見的軍事應用是在 3-5 微米區域產生寬帶高功率光，用于在熱尋導彈攻擊飛機時致盲。

• OPO 可以是高功率RGB 源的一部分，例如用于數字投影顯示。

商業實現的問題

盡管它們具有驚人的能力，正如多年來有趣的研究所證明的那樣，但迄今為止，光學參量振蕩器尚未在商業產品中得到廣泛應用。下面簡要討論其中的一些原因：

• 參數振蕩器系統至少包含一些泵浦激光器和一個OPO，可能還有一個溫度穩定的晶體爐，比純激光系統更復雜。

• 相位匹配的要求使得非線性轉換級的操作比例如激光增益介質更精細，激光增益介質通常更寬容，例如在晶體溫度方面。由于復雜性、開啟時間、散熱等原因，需要用于晶體的溫度穩定爐的OPO對于許多應用來說肯定不太有吸引力。

• 一些非線性晶體材料是吸濕的，其他的會受到灰度跟蹤（即增加寄生損耗），而有些則難以通過堅固的抗反射涂層獲得（例如由于非各向同性的熱膨脹）。

• 最后，對非線性光學，尤其是參量放大物理學的詳細了解在激光行業中并不普遍。

Chromacity OPO光學參量振蕩器-寬帶近紅外光源

Chromacity Lasers公司是一家從事超快激光器的企業，位于英國愛丁堡。由英國在光子學技術領域處于領先地位的Heriot-Watt大學分拆而出，其科研團隊有著超過40年的超快和光纖激光器經驗，已開發出從UV（400nm）到MIR（>6um）的波長可調諧飛秒激光器，廣泛應用于熒光顯微、氣體光譜學、激光材料加工和半導體工程等科研和工業領域。

Chromacity OPO光學參量振蕩器

Chromacity OPO光學參量振蕩器采用了新一代的非線性晶體，可以在5μm–12μm區域（2000  cm-1–1000 cm-1）產生光。這兩個系統都由FSC系列1040  HP進行光學泵浦，FSC系列1040 HP完全集成到光學頭中，以最大限度地提高穩定性并減少總體占地面積。近紅外OPO產生的皮秒脈沖持續時間很少，不需要長時間的建立。我們的激光源不需要水冷，并配有簡單的用戶界面，使其成為最容易操作的激光源之一。對于光譜學應用和CARS顯微鏡，往往需要調整到幾個特定的波長。在這些較長的紅外波長上產生光的能力是探測各種固體、液體和氣體的關鍵。能夠在3–4μm波長區域產生瞬時寬帶光有助于使用FTIR光譜等技術識別和量化大量碳氫化合物。在5–12μm指紋區域也同樣如此，在該區域可以很容易地識別出更復雜的化學特征。可調諧性和高平均功率使光譜和傳感應用范圍廣泛。

應用

• 振動光譜學

• FTIR/隔離技術

• 多組分氣體分析

• 電信/量子研究

• 材料特性

• 爆炸物探測

• 拉曼光譜

特點和優點

• 緊湊型激光器外殼，帶有集成泵源

• 寬帶相干光束

• 直觀的web瀏覽器界面

Chromacity的產品已經在世界各地幫助擴展研究和工業環境的應用能力。該公司已經推出了一些市場上最具創新性的激光光源，有助于推動區域應用如基礎研究，量子技術和環境傳感。在中國，武漢新特光電提供Chromacity產品的售前售中和售后全流程服務。憑借豐富的OPO，非線性光學和光纖傳輸專業知識，Chromacity能夠實現廣泛的選擇，以幫助其在中國的客戶與不同行業合作伙伴的需求。