光学参量振荡 光学参量振荡是一种非线性光学过程，涉及在一种非线性光学晶体中，将一束高强度的 泵浦光 转换为两束较低频率的 信号光 和 空闲光 ，并且这个转换过程在光学谐振腔内通过光学反馈得到增强和持续。其核心原理是 参量放大 。 第一步：基础概念——非线性极化与三波混频 线性光学 ：在普通的光学现象（如反射、折射）中，介质对光的响应（即电极化强度）与入射光的电场强度成正比。折射率是常数，出射光的频率不变。 非线性光学 ：当光强极高（如激光）时，介质的响应会与电场的更高次幂（平方、立方等）相关，产生非线性效应。其中，二阶非线性效应（与电场平方相关）尤为重要。 三波混频 ：二阶非线性过程的一种，三个光波（其频率分别为 ω₁, ω₂, ω₃）通过介质的非线性极化发生相互作用。能量和动量必须守恒。 光学参量振荡 是基于 差频产生 （ω₃ = ω₁ - ω₂， 其中 ω₃ 为最低频率）的逆过程，即 参量下转换 ：一个高频光子（泵浦光子，ωₚ）在晶体中“分裂”成两个低频光子（信号光子ωₛ 和空闲光子ω\_i），满足 ωₚ = ωₛ + ω\_i。 第二步：从参量放大到光学参量振荡 光学参量放大 ：当一束强的泵浦光（ωₚ）和一束弱的信号光（ωₛ）同时入射到非线性晶体时，通过三波混频过程，能量会从泵浦光转移到信号光，同时产生空闲光（ω\_i = ωₚ - ωₛ）。结果是信号光被放大，空闲光被产生。这是一个 单次通过 晶体的增益过程。 引入谐振腔 ： 光学参量振荡器 是在光学参量放大器的基础上，将非线性晶体置于一个光学谐振腔内构成的。这个谐振腔通常对信号光、或空闲光、或两者同时（称为 双谐振 ）是共振的。其核心作用是提供 光学正反馈 。 振荡阈值 ：被微弱放大的信号光（可能源自量子噪声）在谐振腔内往返传播。每次通过晶体，只要由泵浦光提供的 单程参量增益 能够克服光在腔内往返一次的 总损耗 （包括透射、吸收、散射等），光强就会在往返中不断增长，直至达到一个稳定的振荡状态。使增益等于损耗所需的最小泵浦光功率或强度，即为 振荡阈值 。超过阈值后，系统就能输出相干的信号光和空闲光。 第三步：相位匹配条件及其调谐性 能量守恒 ：已表述为 ωₚ = ωₛ + ω\_i。这决定了输出光的频率之和。 动量守恒 ：在量子力学中对应光子动量守恒，在波动光学中表现为 相位匹配 条件：kₚ = kₛ + k\_i。其中k是波矢，其大小为 (nω)/c，n是介质对特定频率和偏振光的折射率。相位匹配确保了在晶体整个长度上，信号光和空闲光能持续、相干地获得能量，否则不同位置产生的光会相互抵消。 调谐原理 ：这是OPO最关键的特性之一。通过改变相位匹配条件，可以连续改变输出的信号光和空闲光的频率。常用方法有： 角度调谐 ：旋转非线性晶体的方向，改变其各向异性折射率，从而满足不同频率组合的相位匹配。 温度调谐 ：改变晶体温度，利用折射率的热致变化来满足相位匹配。 泵浦波长调谐 ：直接改变输入泵浦激光的波长。 由于ωₛ和ω\_i在满足ωₚ固定的前提下可以有许多组合，因此OPO能产生在很宽范围内连续调谐的相干光输出，这是其最重要的应用优势。 第四步：OPO的类型与关键应用 类型 ：根据谐振腔共振的模式可分为 信号光谐振 、 空闲光谐振 和 双谐振 。双谐振OPO阈值最低，但稳定性差；单谐振（通常对信号光谐振）最为常用和稳定。 工作方式 ：可分为 连续波OPO 和 脉冲OPO （同步泵浦或纳秒/皮秒脉冲泵浦）。 关键应用 ： 可调谐相干光源 ：将固定波长的激光（如Nd:YAG的1064nm）通过OPO转换到难以用普通激光器直接产生的波段，特别是 中红外 （3-20 μm）和 远红外/太赫兹 区域，广泛应用于分子光谱、化学传感、环境监测。 产生量子关联光子对 ：在低泵浦功率下，OPO运行在阈值以下时，其自发参量下转换过程是产生具有量子纠缠特性的信号-空闲光子对的典型方法，应用于量子光学和量子信息科学。 总结来说， 光学参量振荡器 是一个基于非线性光学三波混频和光学谐振反馈的激光频率转换器件，其核心是通过相位匹配实现输出波长在宽范围内的连续调谐，从而填补了许多激光技术无法直接覆盖的光谱空白。