基于准相位匹配技术的光参量放大过程研究

早在上世纪60年代激光出现以后, 人们就对包括二阶非线性过程在内的非线性光学现象产生了浓厚的兴趣。光参量放大过程是一种非常重要的二阶非线性光学效应, 光参量放大和光参量振荡是产生高功率、宽调谐激光的重要手段, 对其进行系统、深入的研究有着重要的意义。光参量放大的优点有:增益带宽很宽, 可达到100nm以上;噪声很低, 没有传统激光增益介质的放大自发辐射 (ASE) 噪声, 从而避免了脉冲前沿预脉冲的出现;单通增益很高, 避免了采用多通和再生放大结构对光束空间质量的影响;相比于传统的储能式放大过程, 光参量放大是一个即时的过程, 能量不在非线性晶体中储存, 没有低量子效率引起的热效应, 因而可以得到很高的能量和重复率;最后, 由于光参量放大中闲频光的补偿作用, 泵浦光的空间特性会转化到闲频光而不是信号光上, 即使泵浦光的M2因子很大, 只要泵浦光没有耗尽, 信号光的强度和空间位相分布都不会改变。所以, 光参量放大非常适合于啁啾脉冲放大, 具有替代传统的多通或再生放大器的潜力。自从上个世纪90年代初高压电场极化法出现以后, 基于准相位匹配 (QPM) 技术的周期极化晶体的制备变得越来越容易, 且制造出的晶体的性能也越来越稳定、成熟。自此, 准相位匹配技术在光参量放大领域的应用开始受到人们更多的关注。与双折射晶体相比, 在光参量过程中使用QPM晶体, 如周期极化铌酸锂 (P P L N) 晶体、周期极化K T P (PPKTP) 晶体等不仅可以克服由玻印亭矢量走离所引起的信号光质量的降低, 而且调谐范围几乎覆盖了晶体的整个通光波段, 最重要的是能够利用晶体的最大二阶非线性系数, 这样就可获得更高的增益和更大的转换效率。因此, 本文着重对准相位匹配技术在光参量放大过程中的应用作了说明, 分析了基于准相位匹配技术的光参量放大的基本原理, 对基于准相位匹配技术的光参量放大过程研究现状作了介绍, 指出了准相位匹配技术在此领域中应用的前景和意义。

1 准相位匹配光参量放大的基本原理

光学参量放大和光学参量振荡是产生高功率、宽波长范围可调谐激光的重要手段。光参量放大的增益来源与常规激光器的增益来源不同。常规激光器是基于受激辐射跃迁, 其增益由原子、分子或离子能级间的反转粒子数提供;而光参量过程的增益是由各光波在非线性晶体中的能量藕合来提供, 其中没有能级跃迁, 泵浦光直接转换为信号光和闲频光。正是由于这一本质区别, 与常规放大器相比, 光参量放大具有许多优越性, 如较高增益, 较宽的增益带宽, 以及宽调谐等特性。而常规固体激光器受到激光晶体荧光特性的限制, 只能够在特定的波长范围内实现激光运转, 其调谐范围十分有限。而且在常规固体激光器中, 由于使用的是利用粒子数反转产生增益的激光介质, 必然存在放大的自发辐射 (ASE) , 并且ASE在放大系统中往往先于信号脉冲而得到放大。因此, ASE不仅严重降低了信号光的放大系数, 而且给放大的激光脉冲带来很强的背景噪声, 此外放大了的预脉冲和脉冲时间上的边翼也大大降低了其信噪比。而采用准位相匹配技术的光参量放大过程不存在ASE的影响, 更具有非线性系数大、作用距离长、结构简单、易于调谐和晶格可设计等诸多优点。

光参量放大过程实质是一个差频产生的三波混频过程。频率为ωp的强泵浦光和频率为ωs的弱信号光同时输入到周期极化晶体中, 由于二阶非线性电极化强度P (2) (ωi=ωp-ωs) 的作用, 在晶体中产生频率为ωi=ωp-ωs的差频光辐射, 即闲频光波 (idler) , 其振幅正比于泵浦光与信号光振幅的乘积;闲频光波又进一步与泵浦光发生非线性藕合, 并通过二阶非线性电化强度P (2) (ωs=ωp-ωi) 的作用辐射出频率为ωs的信号光波, 其振幅正比于泵浦光与闲频光振幅的乘积。根据曼利伊罗关系可知, 在光参量放大过程中, 每湮灭一个高频光子, 同时要产生两个低频光子, 在此过程中这两个低频波获得增益, 因此可作为他们的放大器。如图1所示。

为进行有效的非线性频率变换, 必须使光参量放大过程中参与相互作用的光波在介质中传播时具有相同的相速度或相等的折射率, 即相位匹配。相位匹配是光参量放大中一个非常重要的概念。只有满足相位匹配, 才能使参量过程的转换效率达到最高。相位匹配条件也称为动量守恒条件。除此之外, 光参量放大过程还必须要满足能量守恒条件。在周期极化晶体中, 动量守恒条件和能量守恒条件分别为, 能量守恒:ωp=ωs+ωi (1) ;动量守恒:kp=ks+ki+km (2) ;式中下标p, s和i分别代表泵浦光、信号光和闲频光。kp, ks和km分别为泵浦光、信号光和闲频光的波矢, 它们的大小为kp, s, i=2πnp, s, i/λp, s, i=np, s, iωp, s, i/c (3) ;km为周期极化晶体的光栅矢量, 大小为可km=2mπ/Λ (4) , 其中Λ为周期极化晶体的极化周期, m通常取1。

由动量守恒条件和能量守恒条件可知, 在周期极化晶体中信号光和闲频光的频率变化与泵浦光的波长、三者在晶体中的折射率和极化晶体的极化周期有关。

基于准相位匹配技术的OPA系统中的相位匹配可分为共线相位匹配和非共线相位匹配两种方式。共线OPA系统结构简单, 调节简便, 由于三个光波在周期极化晶体内的相互作用的距离较长而有着较高的转化效率及较低的损伤阈值, 光束质量好, 在泵浦脉冲较长时 (如皮秒或纳秒量级) , 拥有强大的优越性。但是, 由于受相位匹配增益带宽窄的影响, 采用这种方式输出的参量光脉冲光谱宽度较窄, 因此不能获得脉冲宽度极窄 (<10fs) 的超短脉冲。而且在飞秒 (或亚皮秒) OPA中, 尤其是在紫外和可见光波段, 不仅要考虑三波的相位匹配, 同时还要考虑群速匹配, 而非共线相位匹配方式具有更多的选择余地。非共线相位匹配条件也可以用式 (2) 来表示, 与共线相位匹配相比, 此时 (2) 中的波矢的大小应为式 (3) 和式 (4) 中的值乘以与它们相对应的非共线角度的正弦值或余弦值。

2 基于准相位匹配技术的光参量放大

图2是典型的宽带可调谐光参量放大实验装置图。实验中使用了两块PPKTP晶体, 为了实现共线光参量发生 (OPG) 和非共线光参量放大 (OPA) , 两块晶体的极化周期分别选为28μm (OPG) 和26.3μm (OPA) 。光参量发生和光参量放大过程中的泵浦光都由钛宝石放大器产生, 波长为823nm, 频率为1kHz, 半波全宽为1nm。生成的泵浦光通过12:88的分波器分别对OPG (12%) 和OPA (88%) 进行泵浦。共线光参量发生器可以产生超宽的种子光, 展宽范围为1 0 8 0 n m~3800nm。生成的种子光与泵浦光非共线入射到另一块PPKTP晶体上, 通过光参量放大过程产生可调谐的信号光输出。其中泵浦光和晶体x轴的夹角为22°, 与种子光间的夹角为3.6°。产生的信号光中心波长同OPA泵浦光时延的关系如图3 (a) 所示, 输出光谱图如图3 (b) 所示。从结果中可以看出, 仅通过调节泵浦光时延就可以实现1616nm~1100nm波长范围内的信号光调谐输出。当入射泵浦光的能量为86μJ时, OPA的转换效率为18%。

为了增强光谱控制和减小种子光的光谱带宽, 他们又对实验装置进行了改进, 如图4所示。通过使用零色散装置 (即傅立叶光谱滤波装置M F P) , 信号光可以在1080nm~1650nm范围内连续可调。

a) 放大信号光中心波长与O P (b) 输出光谱 (A泵浦时延间的关系

与共线光参量放大相比, 利用此种非共线的实验装置可以很容易的得到可调谐的信号光输出, 并且对参量光波间的群速度失配也有一定的补偿效果, 这也使得非共线光参量放大受到了人们更多的关注。

3 准相位匹配光参量放大的研究意义和前景

利用Q P M晶体来实现光参量放大是QPM技术的一个重要的应用领域。在传统的光参量放大实现方案中, 人们是利用双折射晶体的双折射效应来进行相位匹配的, 通过三波相互作用过程来实现波长的调谐, 不过这种方案存在着坡印延矢量走离、有效二阶非线性系数低、改变抽运光入射角困难等弱点。与双折射晶体相比, 在光参量过程中使用QPM晶体, 如周期极化铌酸锂 (PPLN) 晶体、周期极化KTP (PPKTP) 晶体等不仅可以克服由玻印亭矢量走离所引起的信号光质量的降低, 而且调谐范围几乎覆盖了晶体的整个通光波段, 最重要的是能够利用晶体的最大二阶非线性系数, 这样就可获得更高的增益和更大的转换效率。利用基于QPM晶体的光参量放大器可以对W D M通信系统中的光信号进行放大;此外还可以利用QPM晶体制备宽带连续可调的激光光源, 特别是超短脉冲光源, 它能为研究物理、化学、生物等学科的超快现象和超快过程以及强场与物质相互作用提供飞秒量级时间分辨率和高强电磁场, 使其在军事、医学、光通信以及光谱学研究等诸多领域都有重要的应用价值。因此, 对基于准相位匹配技术的光参量放大过程进行全面、系统、深入的研究有着非常重要的意义。

摘要：回顾了光学参量放大的研究历程, 介绍了基于准相位匹配技术的光学参量放大技术研究的最新进展, 着重介绍了非共线光参量放大过程的基本原理和实现方法, 讨论了准相位匹配技术在光参量放大过程中应用的意义和前景。

关键词：光参量放大,准相位匹配,周期极化铌酸锂,周期极化磷酸氧钛钾

参考文献

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