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1、图图 1 三三波波相相互互作作用用过过程程，表表示示输输入入频频率率，表表示示产产生生的的频频率率Parametric generation 3 2 1光学参量振荡器光学参量振荡器(Optical Parametric Oscillator)参量放大器参量放大器：频率为频率为 1 1和和 3的光波差频出的光波差频出 2的光波，同时频的光波，同时频率为率为 1 1的光波得到放大，称为参量放大，功率放大倍数为：的光波得到放大，称为参量放大，功率放大倍数为：G G0 0 为相位匹配条件下的增益系数为相位匹配条件下的增益系数(1/cm),lc为表征参量放大过程的特征为表征参量放大过程的特征长度长度光学
2、参量振荡器光学参量振荡器（Optical Parametric OscillatorOptical Parametric Oscillator）：在相位匹配条件下，）：在相位匹配条件下，高频泵浦光与两个低频光相互作用，两个低频光都得到放大。如果将非线性介高频泵浦光与两个低频光相互作用，两个低频光都得到放大。如果将非线性介质放在谐振腔内，并使这个谐振腔对这两个低频光共振，在参量放大的增益超质放在谐振腔内，并使这个谐振腔对这两个低频光共振，在参量放大的增益超过损耗时，两个光波会同时产生振荡。过损耗时，两个光波会同时产生振荡。为方便起见，两个振荡光波分别叫信号波为方便起见，两个振荡光波分别叫信号波(
3、Signal)(Signal)和闲频波和闲频波(Idler)(Idler)。信号光和闲频光同时在腔内振荡，称为双共振光参量振荡器信号光和闲频光同时在腔内振荡，称为双共振光参量振荡器(Doubly(Doubly Resonant Oscillator)Resonant Oscillator)；只有信号光或闲频光在腔内振荡，称为单共振光参量振荡器只有信号光或闲频光在腔内振荡，称为单共振光参量振荡器(Singly(Singly Resonant Oscillator)Resonant Oscillator)。参量增益参量增益E(1)E(3)E(2)=0光参量振荡器基本结构光参量振荡器基本结构乔麦特和
4、米勒乔麦特和米勒19651965年研制的第一台光学参量振荡器年研制的第一台光学参量振荡器ls,li 参量增益：参量增益：设 k=0 Single pass gain is 47%E(1)E(3)E(2)=0差频产生和差频产生和参量放大参量放大图图 OPO三种工作方式三种工作方式HRlsHTliHTlpHRlsHRliHTlpHRlsHRliHRlpHRlsHRliHRlpPRlsPRliHTlpPRlsHTliHTlpPR,PR,高反；高反；HTHT，高，高透；透；PRPR，部分反射，部分反射Phase accumulationPhase accumulationReflection Refl
5、ection-Similar to amplifier problem but in this case the steady-state condition means that both the signal and idler beam are effectively input into the cavity.Solve problem with these two initial conditionsLAfter interacting in forward pass with pump beam inside cavity(2)Solve equations below for t
6、he above boundary conditions,i.e.计算入射端信号光和闲频光光电场都不为零情况下的参量放大计算入射端信号光和闲频光光电场都不为零情况下的参量放大参量增益（参量增益（Parametric Gain)Parametric Gain)化为二阶齐次微分方程组：通解为频率为频率为 3的泵浦光的泵浦光场不损耗，场不损耗，耦合波方耦合波方程：程：由边界由边界条件：条件：通解系数：通解系数：双共振双共振OPO产生的两个光电场解：产生的两个光电场解：信号光和闲频光在腔内往返传输及信号光和闲频光在腔内往返传输及自洽条件模型自洽条件模型如果如果 在谐振腔内往返一周不变，就表示信号光在谐
7、振腔内往返一周不变，就表示信号光和闲频光处在稳定的振荡条件。和闲频光处在稳定的振荡条件。r1,r2r1,r2图为图为OPOOPO基本模型。为简基本模型。为简单起见，假定非线性晶单起见，假定非线性晶体本身作为一个光学谐体本身作为一个光学谐振腔，其两端对信号光振腔，其两端对信号光和闲频光的反射率为和闲频光的反射率为 R1,2=|r1,2|2,r r 为对光电为对光电场振幅反射系数，场振幅反射系数，R R为光为光功率反射系数。腔镜对功率反射系数。腔镜对泵浦光是透明的。泵浦光是透明的。模型中模型中，镜面反射镜面反射矩阵：矩阵：信号波和闲频波反向传输矩阵信号波和闲频波反向传输矩阵：谐振腔内光场往返谐振腔
8、内光场往返振荡的振荡的自洽条件：自洽条件：往返一周往返一周后的行后的行“矢量矢量”方程组有解条件为：方程组有解条件为：bcdea经过非线性晶体的参量增益、相位累加经过非线性晶体的参量增益、相位累加输出镜镜输出镜镜面反射面反射反向再次经过非线性晶反向再次经过非线性晶体无增益、相位累加体无增益、相位累加输入镜镜输入镜镜面反射面反射双共振双共振OPO相位条件相位条件镜面上相位，令镜面上相位，令M矩矩阵阵det(M-I)=0Signal and idler are both standing waves in cavity双共振双共振OPO阈值条件阈值条件 根据泰勒级数展开式根据泰勒级数展开式由由满足
9、相位条件的自洽条件重写为：满足相位条件的自洽条件重写为：利用利用双共振双共振OPO阈值条件阈值条件单共振单共振OPO阈值条件阈值条件 单共振单共振OPO阈值阈值条件也可写成条件也可写成双共振OPO与单共振OPO阈值比较令令r2=0 相位条件相位条件振幅条件振幅条件用光强用光强 I 表示双共表示双共振振OPO阈值阈值 用光强用光强 I 表示单共表示单共振振OPO阈值阈值 例，例，I类匹配匹配 LiNbO3晶体晶体，d31=5.95pm/V,L=1cm c=0.53 m 1=2=1.06 m n1 n2 n3 2.24,R1=R2=0.98 举例：举例：相当于平均功率相当于平均功率10W10W的的
10、1.061.06微米连续波激光聚焦到直径微米连续波激光聚焦到直径0.5mm0.5mm形成的功率密度形成的功率密度BBO(BBO(b b-BaB-BaB2 2O O4 4，偏硼酸，偏硼酸钡钡)晶体由中科院福建晶体由中科院福建物构所首先生物构所首先生长长成功的，特点是成功的，特点是损伤阈值损伤阈值高，高，紫外透明范紫外透明范围宽围宽，非，非线线性系数中等性系数中等(大于大于KDP，小于，小于LiNbO3).BBO晶体属于三角晶系，晶体属于三角晶系，3(C3)3(C3)晶晶类类，负单负单轴晶体轴晶体。微潮解，透明波段。微潮解，透明波段0.193.3 m。BBO 晶体主轴折射率的晶体主轴折射率的Sel
11、lmeier色散公式色散公式:OPO应采用I类匹配 能量守恒能量守恒：波法线的菲涅尔方程 动量守恒动量守恒OPO带宽带宽由相位失配量由相位失配量决决定：定：;近简并点 带宽增大355nm 紫外激光泵浦的紫外激光泵浦的 I 类相类相位匹配位匹配BBO OPO调谐曲线调谐曲线BBO OPO示意图化学式：ZnGeP2结构 黄铜矿晶体对称和类型42m熔点1040C密度4.162/cm3显微硬度98080kg/mm2莫氏硬度5.5热导率180mW/(cm.K)热膨胀系数=510-6K-1,=7.810-6K-1光学对称正单轴（none）有用透明范围212mm非线性系数d36=758pm/V有效非线性系数
12、type I deeo=d36sin2cos2type II deoo=d36sinsin2ZnGeP2晶体物理及化学特性晶体物理及化学特性表2 ZnGeP2晶体主轴折射率Sellmeier公式系数Polarization A B C D FOrdinary 4.61511259 5.12797577 0.13623774 2.16936050 900Extraordinary 4.69874418 5.27924444 0.l4339365 2.09861247 900ZnGeP2晶体主轴折射率方程：I类匹配下，共线动量守恒公式 II类匹配下，共线动量守恒公式 ZnGeP2 OPO I类和II类相位匹配角度调谐曲线PPLNPPLN（周期性极化（周期性极化LiNbOLiNbO3 3)OPO)OPO 调谐波长与极化周期调谐波长与极化周期L L关系关系1阶准相位匹配阶准相位匹配ee+eMgO:PPLN OPO MgO:PPLN OPO 调谐波长调谐波长与晶体温度关系与晶体温度关系O.Paul,Appl.Phys.B 86,2007:111PPLN