光学参量振荡器如何工作？
发布时间：2025-07-21 17:27:11 阅读数： 338
光参量振荡器 (OPO) 是一种多功能器件，利用非线性频率转换产生可调谐相干辐射。它们能够覆盖直接激光发射无法充分覆盖的光谱范围。
OPO 的功能类似于激光器，充当光源，但它们利用的是非线性晶体中参量放大的光增益，而非受激发射。与激光器类似，OPO 的泵浦功率存在阈值，低于该阈值时输出功率可忽略不计。
参数化过程简介
参量相互作用是一种三波混频现象，发生在非中心对称介质（例如晶体）中，Photoniques的专家对此进行了解释。泵浦光的角频率为最高，为 ω p ，其光束强度最高。当频率为 ω s的信号光与泵浦光并排入射到非线性晶体上时，信号光会被放大，而泵浦光会被耗尽。同时，会产生一个差频为 ω i = ω p – ω s的闲散光。
光学参量过程是发生在非线性介质中的多波相互作用。在这些过程中，多个光波激发一个介质，该介质的非线性响应产生新的辐射，其频率是入射频率的简单组合，例如和或差。与用于激光器的方程相比，控制这些相互作用的演化方程通常需要更少的近似值。
光学参量振荡器的工作原理
与激光振荡器类似，可以通过将非线性晶体置于光腔内来创建光参量振荡器 (OPO)。在 OPO 中，参量产生发生在量子噪声之上，信号波和闲散波在光腔中的每次往返过程中都会被放大。由于同时存在三种相互作用的波，OPO 的光学谐振腔配置比激光振荡器更加多样化。
在光参量振荡器(OPO) 中，泵浦光的电场驱动晶体中的部分电子发生振荡。通过精心的设计，晶体中的电子不仅能够以泵浦光的频率振荡，还能在信号光和闲频光频率下表现出振荡分量。
这会导致信号光和闲散光的发射和放大。随着信号光和闲散光的放大，泵浦光会减弱。当在晶体周围放置镜子以增强晶体内部的光场时，这一过程会非常有效。镜子的存在迫使反射光反复穿过晶体，使系统变成一个振荡器。如果没有镜子，它将充当光参量放大器 (OPA)。
什么是光子晶体 OPO？
长期以来，器件小型化一直是微电子学和光子学领域的一个关键目标，其驱动力在于对更高集成度、更强大的功能以及显著降低功耗的追求。半导体光子晶体 (PhC) 在各种纳米结构中占据着举足轻重的地位，能够构建准极限光学腔。
研究人员报告了在称为光学参量振荡器（OPO）的重要光源类别中应用光子晶体（PhCs）的研究成果，旨在开发出一种具有增强功能的新型 OPO，正如《自然光子学》所解释的那样。
该OPO采用20μm长的半导体光子晶体腔体开发，工作在电信波长范围内。通过将高品质因数模式热调谐至三重谐振配置，实现参量振荡，同时有效抑制其他参量相互作用。
该光源的最低泵浦功率阈值估计在50–70 μW范围内。该OPO展现出理想简并光参量振荡器的特性，使其适用于量子光路应用，并有助于开发用于压缩光或纠缠光子对的高集成度、高效非线性光源。
倍频程旋转可调谐红外参量振荡器的应用
一组研究人员在《科学进展》上发表的文章中成功展示了铌酸锂纳米光子学中的超宽可调谐双谐振OPO ，并将其适用范围扩展到近红外和可见光范围。
这些纳米光子OPO具有立方和二次非线性特性，可提供广泛可调的相干光源，这对于包括多通道光通信和激光雷达（LiDAR）在内的各种应用至关重要。铌酸锂纳米光子学的进步为实现跨不同光谱范围的高度可调且紧凑的OPO器件开辟了新的可能性。
研究团队在色散调控的周期性极化铌酸锂纳米光子学领域取得了显著进展，展示了超宽可调谐光参量振荡器（OPO）。该团队利用接近1微米的100纳秒脉冲，在单个芯片内实现了1.53微米至3.25微米可调的输出波长，输出功率达到数十毫瓦。
这一突破性的成就标志着纳米光子学中跨倍频程可调光源首次出现并延伸至中红外，为众多集成光子应用开辟了可能性。
一种新型后向波OPO
背向波光参量振荡器 (BWOPO)标志着光参量振荡范式的转变。与传统的光参量振荡器不同，传统的光参量振荡器产生的信号波和闲频光沿泵浦光方向传播，而 BWOPO 产生的信号波和闲频光则反向传播。
这种独特的反平行相互作用无需腔体即可实现分布式反馈，从而使 BWOPO 成为坚固、易于对准且高效的单通设备。
在该方法中，首先在KTiOPO 4 (KTP)中创建离子交换光栅，既充当波导，又充当矫顽场光栅。通过矫顽场工程解决了制造过程中的挑战。之后，波导经历周期性极化，无需进一步热处理。振荡阈值在泵浦能量为325 nJ时达到，与最近使用相同激光器进行泵浦的体相BWOPO实验相比，显著降低了19倍。
芯片上的集成激光器，尤其是可见光和近红外光谱中的激光器，在推进各种量子技术（例如量子传感器、时钟以及单光子和纠缠光子对源）方面发挥着至关重要的作用。
片上微谐振器光参量振荡 (OPO) 已成为一种产生宽波长范围激光的有前景的方法。3D 打印和制造技术的最新进展促进了高效纳米级 OPO 的制造，进一步提升了其在现代光学和量子技术中的重要性。
