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高功率连续光光学参量振荡器覆盖更宽谱段

2009-03-23 11:10
flinay
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作者:Angus Henderson、Ryan Stafford、Paul Hoffman

        高功率的连续光可调谐激光光源在近40年来一直是物理和化学研究实验室中的关键工具。染料激光器和Ti:sapphire激光器在可见光和近红外区域可以提供瓦级的超高分辨率激光,并且在光谱和原子物理学中有着广泛应用。连续光(CW)光学参量振荡器(OPO),早在1968年就被首次报道,很久以来人们一直期望CW OPO能像染料激光器和Ti:sapphire激光器一样,输出高功率单频光源,波长不仅覆盖现有的波段而且还能拓展到中红外波段——分子光谱领域一直期待着这个波段的激光光源。[1]
随着近年来使用光纤激光器作为CW OPO的泵浦源,市场上出现了第一台商用化瓦级、单频输出的光源。近年来光纤激光器技术的发展,使业界研制出了真正的连续单频振荡器,因此使CW OPO更加实用。现有的CW OPO可以提供较宽的调谐范围,能更完整地提供可见光、近红外光以及长波红外波段,许多常见的分子在这个波段有一些基本的吸收特性。

        CW OPO的发展


        尽管很早就有CW OPO的报道,但是OPO技术在1970~1990年间的发展比较缓慢,这是因为受限于可以获取的泵浦光源、非线性材料,以及安装它们的OPO结构。理想的单频CW OPO泵浦源应该具有单频光谱输出、优异的光束质量、高功率(数瓦)和连续调谐等特性。直到现在,同时获得所有这些特性也绝非易事。


        同时,传统的双折射相位匹配非线性材料一般具有较小的非线性系数,这意味着早期报道的CW OPO都是使用笨重的氩离子激光器。一般情况下,非线性驱动的限制还在于要求OPO腔在两个OPO输出波长共振(称为信号光和闲频光)。尽管有报道使用腔伺服锁定技术来达到稳定工作和调谐,但是双共振的谐振腔对震动仍然很灵敏,调谐仍然是个挑战。[2]

        准相位匹配材料


        准相位匹配非线性材料的出现,尤其是周期极化的铌酸锂晶体(PPLN)提高了CW OPO的能力。与传统的双折射相位匹配非线性材料相比,高非线性系数的非线性材料,可以把达到振荡阈值所需的泵浦激光功率降低一个数量级。此外,准相位匹配材料可以控制输出波长,一般情况下是用一个特定的周期极化材料来实现,而不是利用晶体特性来定义相位匹配条件和输出波长。因此,几乎所有的这种晶体透光波长都可以实现振荡输出。


        由于这些技术的发展,2000年市场上出现了第一台商用CW OPO。这种基于PPLN的装置使用1.2W的二极管泵浦Nd: YAG激光器作为其泵浦源,并且可以产生最高达100mW的单频闲频光输出。尽管受到泵浦功率的限制,振荡阈值的降低可以通过使用电伺服锁定OPO腔长的办法,使泵浦光和信号光在OPO腔内同时振荡来实现(这种结构称之为泵浦增强单共振振荡器)。

        光纤激光器泵浦源


        这种单共振振荡器(SRO)结构(其中只有信号光或闲频光在光学谐振腔中振荡)提供了最简单的工作和调谐特性。洛克希德马丁公司下属的 Aculight公司生产的Argos产品,由一台单频掺镱主振功率放大(MOPA)结构的光纤激光器泵浦,该激光器是一种紧凑型机架固定模块,输出 15W具有优异光束质量的超窄线宽激光。不需要二极管泵浦晶体激光器所需的水冷,而且不用考虑光学元件的准直问题,这使OPO系统更加实用。


        OPO有效地把泵浦光转换成信号光和闲频光,这两个波长分支都有数瓦的功率输出(见图1)。光纤激光器的输出准直镜是键控的,这可以方便地在三个模块之间转换,以实现在1.46~3.90μm范围内的调谐(在波长重叠区域大约有100nm的较小间隙)。光纤振荡器的可调谐性使闲频光可以实现 60GHz无跳模调谐,这只需要调谐泵浦激光(通过压电转换器或者改变温度)。这种无跳模调谐特性使该系统特别适用于利用2~4μm闲频光进行光谱测量,对于碳氢键(C-H)这是一个重要的波段,在这个波段有很多重要的碳氢化合物分子的强振动跃迁。

        应用


ArgosCW OPO系统已经应用在美国、英国、加拿大、德国和瑞士的大学与政府实验室。由于系统是把泵浦激光输出光纤插在OPO模块上传输的,因此不需要专业人员安装和准直(而染料激光器和Ti:sapphire激光器则需要专业人员进行安装)。

        加拿大阿尔伯塔大学的Wolfgang Jaeger教授正在使用Argos进行氦纳米液滴研究。超流氦液滴提供了一个超冷的环境,用以研究新型化学种类。氦液滴仪器用来测量内置分子的微波和红外谱(见图2)。Jaeger和他的同事利用高功率OPO输出的3006nm波长的光测量丙炔腈的光谱。Jaeger说:“该OPO系统的高功率输出和频率稳定性可以对掺杂的液滴进行快速研究,其密度大约仅为1010cm-3。而其他高功率红外激光缺乏我们应用中所必需的宽带和快调谐特性。”


        在一定波长范围内,从CW OPO中输出的可调谐、窄线宽和高功率激光,使其非常适合于多种研究领域,这包括激光冷却原子、量子计算、表面科学、腔衰减振荡光谱和原子超音速喷射光谱。此外对于“蓝色天空”研究领域,OPO输出的大功率和红外波长激光正在被应用于直接联系现实世界的工业和军事问题,比如在大气和工业过程中,在高灵敏度污染物检测中利用声光技术的示踪气体传感。对于诸如导弹防御应用,具有把工作红外波长调谐到大气的“透射窗”(这样功率就不会被大气组分吸收损耗掉,包括水蒸气和二氧化碳)就显得尤为重要。

        可见光波段


        目前仅有近红外和中红外波段的商用CW OPO产品,这是由于可以获得的泵浦光源大概在1μm处,以及受到PPLN非线性材料的限制。然而,世界各地不同的研究机构都在努力研究能在其他波长范围内输出相似性能激光的装置。



        CW OPO中产生的可见光输出可以从可见光泵浦(典型的是绿光固体激光器)直接获得,或者从绿光或红外泵浦OPO中的频率转换输出中获得。


        绿光泵浦OPO因其具有从单一装置中输出从可见光到红外光的能力而尤其引人注意(见图3)。然而,绿光泵浦的非线性材料受限于对可见光波长的吸收及其产生的热透镜效应。另一个办法是在OPO腔内进行泵浦光、信号光和闲频光的腔内混频。1998年,利用泵浦光和共振光的合频产生器(SFG)获得了高达2.5W的629nm红光。[3] 尽管这个装置受限于对PPLN材料的光折变损伤,近来利用周期极化超晶格钽酸锂(PPLST)CW OPO工作的腔内频率转换,可以得到功率水平在0.5W的蓝光稳定输出,以及共振波腔内二次谐波产生(SHG)获得的红光。[4] [5]


        法国国家科学研究中心(CNRS)的Fabien Bretenaker、Cyril Drag和Thu-Hien My研制了一套绿光泵浦CW OPO,它利用红外闲频光的腔内SHG产生稳定的单频红光辐射。“可见光CW OPO是高分辨光谱中一种非常有前景的光源,其可应用于光致电离显微镜、在量子存储中相干控制稀土离子,或作为全固态光源用于捕获冷钠原子。我们的测量显示,如果工作在相同的波长,它比染料激光器更加安静。这开辟了一种新方法用于稳定这种光源的频率,使其达到输出这种波长的最高水平。 ”Bretenaker和Drag介绍说。

        未来展望:长波红外


        此外,在利用PPLN产生光谱方面,由斯坦福大学和法国Thales公司倡导的定向图案砷化镓(OP-GaAs)技术的发展,将有望拓展OPO技术宽泛的调谐范围,以覆盖长波红外“指纹区域”,在这个波段许多常见的分子具有其基本的吸收特性。砷化镓的宽透光区域(1~17μm)和高非线性系数,使其成为覆盖这个光谱范围的最有希望的候选材料。在这种材料中已经报道了脉冲OPO,其结果显示,从单一装置中调谐波长可以覆盖2~11μm(见图 4)。[6]
这项工作的参与者之一、斯坦福大学的Konstantin Vodopyanov教授表示,目前有多个小组正在致力于未来的发展。Vodopyanov说:“斯坦福、BAE系统、空军研究实验室和Thales公司共同致力于这项技术的持续发展和图案化砷化镓结构诊断,并且已经获得OP-GaAs的稳定改善。尤其值得一提的是,研究人员已经生长出具有更短周期的较厚样品,而且衰减损耗已经降到0.005cm-1。这项显著的进步使其有望在不久的将来获得连续光振荡。”

参考文献:


1. R.G. Smith et al., Applied Physics Lett. 12, 308 (1968).
2. A.J. Henderson et al., Optics Lett. 25, 1264 (2000).
3. W.R. Bosenberg et al., Optics Lett. 23, 207 (1998).
4. G.K. Samanta and M. Ebrahim-Zadeh, Optics Lett. 33, 1228-1230 (2008).
5. T. My, C. Drag, and F. Bretenaker, Optics Lett. 33, 1455 (2008).
6. K.L. Vodopyanov et al., Optics Lett. 29, 1912 (2004).
 

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