基本研究通常需要窄帶光來準(zhǔn)確標(biāo)出化學(xué)、生物和物理系統(tǒng)的熒光光譜、反應(yīng)能量學(xué)或其他關(guān)鍵問題。可調(diào)窄帶光源通常是實現(xiàn)此目標(biāo)的關(guān)鍵。無論是脈沖波還是連續(xù)波，光學(xué)參量振蕩器（OPO）已經(jīng)取得了長足的進步，在價格下降的同時，性能也在提高。我們探索光譜學(xué)工作者必備工具和一些常見用途。
談到光譜學(xué)、窄帶光源與寬帶檢測器（或用寬帶光源的窄帶檢測）的組合相當(dāng)于外科醫(yī)生的手術(shù)刀。它們使我們能夠深入了解光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)，為模型提供實驗數(shù)據(jù)，探測原子和分子結(jié)構(gòu)，并推動光譜學(xué)科向前發(fā)展。
近一個世紀(jì)以來，在激光出現(xiàn)之前，光譜學(xué)家只有窄帶檢測器。Kirchhoff 和 Bunsen 使用 ” 光譜學(xué) ” 發(fā)現(xiàn)了紅寶石和銫，并繪制了原子光譜學(xué)中許多基本的發(fā)射線，因為這對夫婦狂熱地將一個又一個元素送入他們的“本生燈”并記錄光譜。當(dāng)然，Kirchhoff 還將使用光譜儀研究輻射平衡（促成 ” 基爾霍夫定律 “），并對物理學(xué)的格局作出貢獻，包括熱力學(xué)和流體力學(xué)。
即使如此，Kirchhoff 和 Bunsen 仍可以在檢測器上獲得合理的分辨率和靈敏度 – 例如，Kirchhoff 會將來自太陽的光線分散到近三米，至少在火焰中進行穩(wěn)態(tài)實驗或研究太陽發(fā)射，照相板可能長時間暴露 – 很難獲得足夠強度的單色光來進行反向?qū)嶒?。換句話說，雖然很容易獲得熒光或吸收光譜，但很難獲得激發(fā)光譜。
隨著激光的出現(xiàn)，這種情況發(fā)生了變化。早期固態(tài)和氣體激光器發(fā)射出一條或多條窄帶光，這條窄帶光具有一些光譜可用性。正是 1966 年有機染料激光器的發(fā)展為可見光和近紅外窄帶光提供了革命性的途徑。這導(dǎo)致了科學(xué)和光譜學(xué)工作的激增，正如 Frank Duarte 于 2003 年總結(jié)的那樣。[1] 然而，正如 Duarte 所指出的那樣，” 多年來，染料激光器在某些方面贏得了 ” 用戶體驗差 ” 的聲譽?！?nbsp;
Duarte 很好地保護了染料激光器的許多貢獻和獨特屬性，包括可用的高脈沖能量、飛秒和窄線寬等。然而，染料激光器的聲譽問題幾乎沒有得到解決，除非技術(shù)進步，并且您的作者的觀點和經(jīng)驗是，雖然染料激光器具有一定的“樂趣”并是解決某些問題的出色工具，但它們的維護和操作也比最佳情況更困難。
OPO 是 1965 年由貝爾實驗室的 Giordmaine 和 Miller 發(fā)明的，它早于染料激光器。[2] 他們的工作利用了鈮酸鋰，該鋰一直是當(dāng)今市場上許多 OPO 的重要晶體。它們可以通過改變振蕩器晶體的溫度，將來自 CaWO4:Nd3+ 激光器的 529nm 入射光轉(zhuǎn)換為 970-1150nm 范圍內(nèi)的可調(diào)光。兩人還觀察到僅部分泵浦脈沖的轉(zhuǎn)換，并表示轉(zhuǎn)換似乎高度依賴于泵浦光束的模式結(jié)構(gòu)。這些觀察結(jié)果是有預(yù)見性的；雖然研究仍在繼續(xù)，但 OPO 在實際設(shè)備中的發(fā)展很大程度上取決于高質(zhì)量晶體和適當(dāng)激光源以及涂層的可用性，直到二十世紀(jì)八十年代末和九十年代后期才出現(xiàn)。
20 世紀(jì) 90年代末，作為 Sandia National Labs（桑迪亞國家實驗室）的博士后和工作人員，我有幸見證了 OPO 研究的一些巨大進展。燃燒研究機構(gòu)的同事 Tom Kulp、Scott Bisson 和已故的 Peter Powers 都是走在發(fā)展前沿的人，而我僅有一席之地。此次競賽旨在擴大波長覆蓋范圍，并設(shè)定新的功率和脈沖長度里程碑。OPO 的許多應(yīng)用都集中在光譜學(xué)上，OPO 開啟了光學(xué)感應(yīng)的新視野。
晶體頻率轉(zhuǎn)換的諧波過程（包括二次諧波產(chǎn)生、總和和頻率差產(chǎn)生）和非線性過程（如 OPO 運行）具有兩個基本限制。
首先，自然是節(jié)能 — 產(chǎn)生的光子能量之和必須等于輸入光子的能量。第二個要求是相位匹配要求；簡而言之，晶體結(jié)構(gòu)必須支持同相光子的產(chǎn)生，或光子具有破壞性干擾，晶體中不會積聚增益。改變角度或晶體溫度會改變晶體的有效周期性，從而改變產(chǎn)生的波長。
相位要求的難度在于，很少有自然晶體適應(yīng)某些激光波長，當(dāng)然，這些晶體只能適應(yīng)單一波長或其諧波。最佳條件（從開發(fā)者的角度來看）將是可以適應(yīng)多個波長或?qū)嶋H上任何 輸入波長的晶體。
這就是周期性極化的鈮酸鋰（PPLN）重新出現(xiàn)的地方。對于入射波 E， 產(chǎn)生的波 P 將變成異相，并在經(jīng)過一定數(shù)量的周期之后具有破壞性干擾。準(zhǔn)相位匹配方法由 Armstrong 等人 [3] 以及 Franken 和 Ward[4] 于 1962 年和 1963 年（在發(fā)明 OPO 之前）獨立開發(fā)，可以糾正這種破壞性干擾。如果產(chǎn)生波的相位周期性地反轉(zhuǎn)，當(dāng) E 和 P 開始異相時，在設(shè)定的 ” 相互作用長度 ” L 之后，相位關(guān)系被有效地重置：如果兩個波在反相點處為 φ 異相，則在反相之后它們將為 – φ 異相。如果 φ 相對較小，則在每個交互長度期間都會產(chǎn)生增益，并將破壞性干擾降至最低。
實際上，準(zhǔn)相匹配是通過在晶體中定期極化來實現(xiàn)的。在 PPLN 中，這是通過定期（在空間中）在晶體上施加非常強的電場來完成的，這會永久切換電偶極子（取決于晶體中鋰離子和 Nb 離子的位置）。這種周期性極化允許某些波長匹配，事實上，可在晶體的不同點采用不同的極化間距。這使得單晶可用于不同的波長區(qū)域。 圖 1 提供了產(chǎn)生波上的周期性極化的概念圖示，在這種情況下，產(chǎn)生波的周期略長于入射波。圖 2 給出了在有極化和不帶極化情況下生成波的增益產(chǎn)生圖。 在不帶極化的情況下，破壞性干擾可消除增益。
插圖 1. 周期性極化對入射波和生成波之間相位的影響。
插圖 2. 在極化和不極化的情況下在生成波中產(chǎn)生增益。
典型的 PPLN 與氧化鎂摻雜在一起，以增大其光學(xué)損壞閾值。有效的抗反射（AR）涂層也是關(guān)鍵的，因為 PPLN 具有高折射率（>2），并且沒有 AR 涂層，OPO 損耗將是非常嚴(yán)重的。其他幾種晶體也用于 OPO，例如 BBO（硼酸鋇）、KTP（磷酸鈦鉀）和 ZGP（磷化鋅鍺）。不同的晶體用于不同的波長區(qū)域，一些更適合紅外光產(chǎn)生，一些則適合可見光和紫外光。
利用節(jié)能和準(zhǔn)相匹配的原理，不僅可以理解直線諧波的產(chǎn)生，而且可以理解非線性和頻和差頻的產(chǎn)生。在和頻的產(chǎn)生中，兩個輸入光子被晶體轉(zhuǎn)化成具有兩個輸入光子的組合能量的單個光子。二次諧波的產(chǎn)生是產(chǎn)生和頻的特殊情況，其中兩個入射光子的波長相同。
不同頻率的產(chǎn)生可視為具有若干形式：1）兩個輸入頻率可進入晶體以產(chǎn)生不同頻率的多個輸出光子 ; 2）一個輸入頻率可產(chǎn)生兩個低頻光束（其中較高的頻率稱為 ” 信號 “，較低的頻率稱為 ” 閑頻 “）; 3）兩個輸入頻率可輸入晶體中，其中一個輸入頻率可以放大，在光參量放大器（OPA）上以輸入頻率之一放大輸出并以較低頻率輸出。
有了這些選擇，OSO 及其相似物呈現(xiàn)許多形式就不足為奇了。在早期，OPO 性能非常不穩(wěn)定，調(diào)節(jié)范圍有限，并且功率較低。當(dāng)今市場上可用的 OPO 在范圍和易用性方面都有了顯著的提高，同時由于晶體和涂層的成本也有所下降。在多種材料中產(chǎn)生精確極化晶體能力，加上精確的移動，在很大程度上促進了這一改進，同時還提高了穩(wěn)定泵浦激光器（脈沖和連續(xù)）在多種波長下的可用性。為了實現(xiàn)可靠的調(diào)節(jié)，現(xiàn)代 OPO 都是計算機控制的。
在 Spectra-Physics 的大量 OPO 和 OPA 產(chǎn)品中可以看出一系列產(chǎn)品。Spirit-OPA? 是一種超快速放大器，用于以高達 30W 的功率泵送 350 fs，信號輸出 630-1020 nm，閑頻光束輸出 1040-2600 nm?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)來更改，進一步擴展范圍。用于以低于 150 fs 的光束從 770-830nm 泵送，并且具有更寬的范圍。Spectra-Physics Inspire? 的范圍較小，但僅使用一組光學(xué)器件和晶體。在其眾多激光產(chǎn)品中，Spectra-Physics 還提供連續(xù)波 MixTrain 激光總和和差頻混合器。
還有一些公司專門從事 OPO，其中最重要的是 Opotek ，總部位于加利福尼亞卡爾斯巴德。他們專注于納秒市場，OPO 范圍為 210-3100nm，通常為 10-20Hz 的重復(fù)率和相對較高的能量。其 Radiant 和 Opolette 型號是其主要產(chǎn)品之一；在每個設(shè)備的整個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)具有 4-7 cm -1 的線寬。InnoLas Laser來自奧地利，具有相似的納秒級 OPO 產(chǎn)品，工作范圍約為 400 至 2100 nm，適合二極管泵浦或閃光燈泵浦的 Nd:YAG，脈沖能量達到 150 mJ。
其他公司有小眾產(chǎn)品，如 APE，如果要求深紫外覆蓋的話， 可以提供小于 200 nm 的 OPO 解決方案。APE 還提供皮秒和飛秒 OPO，可使用約 1 μm 的近紅外激光器或鈦藍寶石泵送。后一種產(chǎn)品包括 GHz 的重復(fù)頻率。 Coherent 營銷和銷售由 APE 生產(chǎn)的 Chameleon MPX 和緊湊型 OPO 系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用鈦藍寶石泵送，涵蓋波長范圍達 340-4000 nm。Toptica 為 NIR 和 MIR 應(yīng)用提供 TOTOO CW OPO 激光器；該系統(tǒng)覆蓋 1450-4000 納米。
最后，Eksplsa 在其位于立陶宛維爾紐斯的工廠內(nèi)建造了一系列非常著名的皮秒級和納秒級 OPO，在他們?nèi)蜾N售的 15 種 OPO 型號中，重復(fù)率和能量的范圍可能最為廣泛。Ekspla 系統(tǒng)包括帶有集成泵浦激光器和 OPO 的型號，以及諸如 PhotoSonus 的專用系統(tǒng)，其脈沖能量為 150 mJ，用于光聲學(xué)成像。Ekspla 還具有線寬非常窄、可變極限的系統(tǒng)。
正如人們所期望的，POO 以多種方式用于促進科學(xué)發(fā)現(xiàn)。 由于其方便性和近期可靠性的提高，它們已在很大程度上取代了染料激光器作為可調(diào)源。
例如，在生物光子學(xué)中，OPO 是熒光顯微鏡的常用工具。組織通常在可見光激發(fā)下強烈散射，因此可見光穿透限制在約 100 微米，除非組織通過 ” 清除 ” 技術(shù)進行特別處理以使散射最小化。避免此問題的一種方法是使用近紅外（NIR）光線，這種光線穿透得更深（通常為毫米）。強烈的近紅外光超快脈沖可在熒光標(biāo)記和納米微粒中產(chǎn)生多光子吸光度和激發(fā)，如《光譜學(xué)雜志》 2020 年 1 月的 ” 激光和光學(xué)界面 ” 列所討論的 。[5]
同樣，OPO 是物理化學(xué)中不可或缺的工具，其中可調(diào)源可用于探測分子和原子的旋轉(zhuǎn)、振動和電子狀態(tài)。例如，這可用于探測分子束實驗中的能量傳遞，或精確地了解能量水平和轉(zhuǎn)變。
在我自己的燃燒科學(xué)領(lǐng)域，平面激光誘導(dǎo)熒光用于確定自由基物種（如 OH 和 CH）以及污染物（如在原型實驗室火焰和實際裝置中形成的 NO）的分布。OPO 在此類研究中必不可少；它們的高重復(fù)率使得火焰動力學(xué)能夠捕捉到保真度，并且可以輕松形成統(tǒng)計 / 空間分布。
OPO 已從過去的臨時性生物工具演變成如今可靠的多功能工具。當(dāng)今市場上可用的各種泵浦激光器、重復(fù)率和波長范圍使 得 OPO 成為可調(diào)節(jié)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).