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窄带可见光:光学参数振荡器(OPO)占主导地位

  • Laser & Photonics
radiometric emitting diodes

在首次出现在光谱学杂志中的这篇文章中,我们的同事 Steve Buckley 博士分享了他对光学参数振荡器(OPO)演变和应用的见解。

摘要

基本研究通常需要窄带光来准确标出化学、生物和物理系统的荧光光谱、反应能量学或其他关键问题。可调窄带光源通常是实现此目标的关键。无论是脉冲波还是连续波,光学参量振荡器(OPO)已经取得了长足的进步,在价格下降的同时,性能也在提高。我们探索光谱学工作者必备工具和一些常见用途。

导言

谈到光谱学、窄带光源与宽带检测器(或用宽带光源的窄带检测)的组合相当于外科医生的手术刀。它们使我们能够深入了解光谱精细结构,为模型提供实验数据,探测原子和分子结构,并推动光谱学科向前发展。

近一个世纪以来,在激光出现之前,光谱学家只有窄带检测器。Kirchhoff 和 Bunsen 使用 " 光谱学 " 发现了红宝石和铯,并绘制了原子光谱学中许多基本的发射线,因为这对夫妇狂热地将一个又一个元素送入他们的“本生灯”并记录光谱。当然,Kirchhoff 还将使用光谱仪研究辐射平衡(促成 " 基尔霍夫定律 "),并对物理学的格局作出贡献,包括热力学和流体力学。

即使如此,Kirchhoff 和 Bunsen 仍可以在检测器上获得合理的分辨率和灵敏度 - 例如,Kirchhoff 会将来自太阳的光线分散到近三米,至少在火焰中进行稳态实验或研究太阳发射,照相板可能长时间暴露 - 很难获得足够强度的单色光来进行反向实验。换句话说,虽然很容易获得荧光或吸收光谱,但很难获得激发光谱。

随着激光的出现,这种情况发生了变化。早期固态和气体激光器发射出一条或多条窄带光,这条窄带光具有一些光谱可用性。正是 1966 年有机染料激光器的发展为可见光和近红外窄带光提供了革命性的途径。这导致了科学和光谱学工作的激增,正如 Frank Duarte 于 2003 年总结的那样。[1] 然而,正如 Duarte 所指出的那样," 多年来,染料激光器在某些方面赢得了 " 用户体验差 " 的声誉。" 

Duarte 很好地保护了染料激光器的许多贡献和独特属性,包括可用的高脉冲能量、飞秒和窄线宽等。然而,染料激光器的声誉问题几乎没有得到解决,除非技术进步,并且您的作者的观点和经验是,虽然染料激光器具有一定的“乐趣”并是解决某些问题的出色工具,但它们的维护和操作也比最佳情况更困难。

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光学参数振荡器(OPO)的操作

OPO 是 1965 年由贝尔实验室的 Giordmaine 和 Miller 发明的,它早于染料激光器。[2] 他们的工作利用了铌酸锂,该锂一直是当今市场上许多 OPO 的重要晶体。它们可以通过改变振荡器晶体的温度,将来自 CaWO4:Nd3+ 激光器的 529nm 入射光转换为 970-1150nm 范围内的可调光。两人还观察到仅部分泵浦脉冲的转换,并表示转换似乎高度依赖于泵浦光束的模式结构。这些观察结果是有预见性的;虽然研究仍在继续,但 OPO 在实际设备中的发展很大程度上取决于高质量晶体和适当激光源以及涂层的可用性,直到二十世纪八十年代末和九十年代后期才出现。

20 世纪 90年代末,作为 Sandia National Labs(桑迪亚国家实验室)的博士后和工作人员,我有幸见证了 OPO 研究的一些巨大进展。燃烧研究机构的同事 Tom Kulp、Scott Bisson 和已故的 Peter Powers 都是走在发展前沿的人,而我仅有一席之地。此次竞赛旨在扩大波长覆盖范围,并设定新的功率和脉冲长度里程碑。OPO 的许多应用都集中在光谱学上,OPO 开启了光学感应的新视野。

晶体频率转换的谐波过程(包括二次谐波产生、总和和频率差产生)和非线性过程(如 OPO 运行)具有两个基本限制。

首先,自然是节能 -- 产生的光子能量之和必须等于输入光子的能量。第二个要求是相位匹配要求;简而言之,晶体结构必须支持同相光子的产生,或光子具有破坏性干扰,晶体中不会积聚增益。改变角度或晶体温度会改变晶体的有效周期性,从而改变产生的波长。

相位要求的难度在于,很少有自然晶体适应某些激光波长,当然,这些晶体只能适应单一波长或其谐波。最佳条件(从开发者的角度来看)将是可以适应多个波长或实际上任何 输入波长的晶体。

准相匹配

这就是周期性极化的铌酸锂(PPLN)重新出现的地方。对于入射波 E, 产生的波 P 将变成异相,并在经过一定数量的周期之后具有破坏性干扰。准相位匹配方法由 Armstrong 等人 [3] 以及 Franken 和 Ward[4] 于 1962 年和 1963 年(在发明 OPO 之前)独立开发,可以纠正这种破坏性干扰。如果产生波的相位周期性地反转,当 EP 开始异相时,在设定的 " 相互作用长度 " L 之后,相位关系被有效地重置:如果两个波在反相点处为 φ 异相,则在反相之后它们将为 - φ 异相。如果 φ 相对较小,则在每个交互长度期间都会产生增益,并将破坏性干扰降至最低。 

实际上,准相匹配是通过在晶体中定期极化来实现的。在 PPLN 中,这是通过定期(在空间中)在晶体上施加非常强的电场来完成的,这会永久切换电偶极子(取决于晶体中锂离子和 Nb 离子的位置)。这种周期性极化允许某些波长匹配,事实上,可在晶体的不同点采用不同的极化间距。这使得单晶可用于不同的波长区域。 图 1 提供了产生波上的周期性极化的概念图示,在这种情况下,产生波的周期略长于入射波。图 2 给出了在有极化和不带极化情况下生成波的增益产生图。  在不带极化的情况下,破坏性干扰可消除增益。

周期性极化对产生波的概念说明

插图 1. 周期性极化对入射波和生成波之间相位的影响。

 

在极化和不极化的情况下在生成波中产生增益。

插图 2. 在极化和不极化的情况下在生成波中产生增益。

典型的 PPLN 与氧化镁掺杂在一起,以增大其光学损坏阈值。有效的抗反射(AR)涂层也是关键的,因为 PPLN 具有高折射率(>2),并且没有 AR 涂层,OPO 损耗将是非常严重的。其他几种晶体也用于 OPO,例如 BBO(硼酸钡)、KTP(磷酸钛钾)和 ZGP(磷化锌锗)。不同的晶体用于不同的波长区域,一些更适合红外光产生,一些则适合可见光和紫外光。

OPO 实践

利用节能和准相匹配的原理,不仅可以理解直线谐波的产生,而且可以理解非线性和频和差频的产生。在和频的产生中,两个输入光子被晶体转化成具有两个输入光子的组合能量的单个光子。二次谐波的产生是产生和频的特殊情况,其中两个入射光子的波长相同。 

不同频率的产生可视为具有若干形式:1)两个输入频率可进入晶体以产生不同频率的多个输出光子 ; 2)一个输入频率可产生两个低频光束(其中较高的频率称为 " 信号 ",较低的频率称为 " 闲频 "); 3)两个输入频率可输入晶体中,其中一个输入频率可以放大,在光参量放大器(OPA)上以输入频率之一放大输出并以较低频率输出。

有了这些选择,OSO 及其相似物呈现许多形式就不足为奇了。在早期,OPO 性能非常不稳定,调节范围有限,并且功率较低。当今市场上可用的 OPO 在范围和易用性方面都有了显著的提高,同时由于晶体和涂层的成本也有所下降。在多种材料中产生精确极化晶体能力,加上精确的移动,在很大程度上促进了这一改进,同时还提高了稳定泵浦激光器(脉冲和连续)在多种波长下的可用性。为了实现可靠的调节,现代 OPO 都是计算机控制的。

在 Spectra-Physics 的大量 OPO 和 OPA 产品中可以看出一系列产品。Spirit-OPA® 是一种超快速放大器,用于以高达 30W 的功率泵送 350 fs,信号输出 630-1020 nm,闲频光束输出 1040-2600 nm。可以通过调节来更改,进一步扩展范围。用于以低于 150 fs 的光束从 770-830nm 泵送,并且具有更宽的范围。Spectra-Physics Inspire™ 的范围较小,但仅使用一组光学器件和晶体。在其众多激光产品中,Spectra-Physics 还提供连续波 MixTrain 激光总和和差频混合器。

还有一些公司专门从事 OPO,其中最重要的是 Opotek ,总部位于加利福尼亚卡尔斯巴德。他们专注于纳秒市场,OPO 范围为 210-3100nm,通常为 10-20Hz 的重复率和相对较高的能量。其 Radiant 和 Opolette 型号是其主要产品之一;在每个设备的整个调节范围内具有 4-7 cm -1 的线宽。InnoLas Laser来自奥地利,具有相似的纳秒级 OPO 产品,工作范围约为 400 至 2100 nm,适合二极管泵浦或闪光灯泵浦的 Nd:YAG,脉冲能量达到 150 mJ。 

其他公司有小众产品,如 APE,如果要求深紫外覆盖的话, 可以提供小于 200 nm 的 OPO 解决方案。APE 还提供皮秒和飞秒 OPO,可使用约 1 μm 的近红外激光器或钛蓝宝石泵送。后一种产品包括 GHz 的重复频率。   Coherent 营销和销售由 APE 生产的 Chameleon MPX 和紧凑型 OPO 系统,该系统采用钛蓝宝石泵送,涵盖波长范围达 340-4000 nm。Toptica 为 NIR 和 MIR 应用提供 TOTOO CW OPO 激光器;该系统覆盖 1450-4000 纳米。

最后,Eksplsa 在其位于立陶宛维尔纽斯的工厂内建造了一系列非常著名的皮秒级和纳秒级 OPO,在他们全球销售的 15 种 OPO 型号中,重复率和能量的范围可能最为广泛。Ekspla 系统包括带有集成泵浦激光器和 OPO 的型号,以及诸如 PhotoSonus 的专用系统,其脉冲能量为 150 mJ,用于光声学成像。Ekspla 还具有线宽非常窄、可变极限的系统。

实现科学的 OPO

正如人们所期望的,POO 以多种方式用于促进科学发现。  由于其方便性和近期可靠性的提高,它们已在很大程度上取代了染料激光器作为可调源。

例如,在生物光子学中,OPO 是荧光显微镜的常用工具。组织通常在可见光激发下强烈散射,因此可见光穿透限制在约 100 微米,除非组织通过 " 清除 " 技术进行特别处理以使散射最小化。避免此问题的一种方法是使用近红外(NIR)光线,这种光线穿透得更深(通常为毫米)。强烈的近红外光超快脉冲可在荧光标记和纳米微粒中产生多光子吸光度和激发,如《光谱学杂志》 2020 年 1 月的 " 激光和光学界面 " 列所讨论的 [5]

同样,OPO 是物理化学中不可或缺的工具,其中可调源可用于探测分子和原子的旋转、振动和电子状态。例如,这可用于探测分子束实验中的能量传递,或精确地了解能量水平和转变。

在我自己的燃烧科学领域,平面激光诱导荧光用于确定自由基物种(如 OH 和 CH)以及污染物(如在原型实验室火焰和实际装置中形成的 NO)的分布。OPO 在此类研究中必不可少;它们的高重复率使得火焰动力学能够捕捉到保真度,并且可以轻松形成统计 / 空间分布。

OPO 已从过去的临时性生物工具演变成如今可靠的多功能工具。当今市场上可用的各种泵浦激光器、重复率和波长范围使 得 OPO 成为可调节激光源的重中之重。   

[1] Frank J. Duarte, "Organic Dye Lasers: Brief History and Recent Developments," Optics & Photonics News 14(10), 20-25 (2003).

[2] Giordmaine, J. and Miller, R. “Tunable Coherent Parametric Oscillation in LiNbO3 at Optical Frequencies". Phys. Rev. Lett. 14 (24): 973 (1965).

[3] J.A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Ducuing, P.S. Pershan, “Interactions between light waves in a nonlinear dielectric,” Phys. Rev., 127 (1962), pp. 1918-1939.

[4] P.A. Franken, J.F. Ward, “Optical harmonics and nonlinear phenomena,” Rev. Mod. Phys., 35 (1963), pp. 23-39.

[5] S.G. Buckley, “The Rise of the Upconversion Materials,” Spectroscopy 35(1), pp16-21, (2020).

Tracey Jones Graphic designer

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