技术 | 非线性光学频率变换技术，你可真正了解？

mhealth9

飞秒激光器的问世极大地推动了非线性光学频率变换技术的进展

飞秒激光具有脉冲宽度极短，峰值功率极高和光谱范围极宽等特点。自1981年第一台飞秒激光器研制成功以来，飞秒激光技术不断蓬勃发展，满足了诸如激光精密测距、激光与物质相互作用、高分辨率光谱学以及激光雷达等应用对脉冲宽度和峰值功率的需求，同时飞秒激光技术也成为研究原子/分子体系、高阶非线性和多光子吸收等过程的重要技术途径。

虽然飞秒激光器研究发展十分迅速，但是由于受到增益介质发射谱线的限制，其输出激光波长往往被限定在几个离散的区域或仅仅能在某一光谱范围内进行小范围的调谐，而且常用的激光波长多在近红外光谱范围内，如掺钛蓝宝石飞秒激光器中心波长的调谐范围约为700 -900 nm，掺镱（Yb3+）介质激光器的输出波长在1040 nm 附近，掺钕（Nd3+ ）介质激光器在1064 nm或1319 nm附近。

非线性光学频率变换技术作为激光及非线性光学领域的一个重要分支，是获得多波长和可调谐飞秒激光最有效的技术手段。1961年， Franken等人用红宝石激光(694.3 nm)聚焦在石英晶体上，得到347.1 nm的倍频紫光。这是首次利用激光器与晶体相互作用产生非线性效应，标志着非线性光学的真正开始。1962年，Maker等人提出了相位匹配技术，大幅度提高非线性变换过程的转化效率。同年，Armstrong，Bloembergen，Ducuing和Pershan给出了完整的非线性光学理论，为非线性频率变换技术的发展奠定了理论基础。

近些年，随着新型激光器的研究以及非线性晶体制备技术的逐步成熟，非线性光学频率变换技术也得到了飞速发展。目前，利用非线性光学频率变换技术，激光波长已经可以覆盖从真空紫外到中红外光谱范围，甚至可以延伸到软x射线及太赫兹波段。

非线性频率变换的转换效率与激光峰值功率相关，因此飞秒激光器的问世和发展极大地推动了非线性频率变换技术的发展。通常，非线性频率变换过程的超短脉冲抽运源有固体飞秒激光器和光纤飞秒激光器两种。掺钛蓝宝石飞秒激光器是目前最为常用的固体飞秒激光器，但由于受固体激光器热效应的影响，需要水冷等控温装置，使得该类激光器体积庞大，光路复杂，而且该类激光器输出的平均功率较低，一般在2.5 W以下，这大大限制了其在非线性领域的发展。

相比于固体飞秒激光器，光纤飞秒激光器具有成本较低、结构紧凑、操作简单、散热性能良好等优势。而且大模场面积光子晶体光纤可以克服由激光功率密度过高引起的非线性效应对高功率运转的限制，因此大模场面积光子晶体光纤飞秒激光器是非线性频率变换的良好泵源。

非线性频率变换技术有哪些


基于块状晶体的光学参量振荡技术

基于块状晶体的光学参量振荡器( OPO)是利用非线性晶体的混频特性实现频率变换的器件,是输出波长连续可调谐的激光光源，具有调谐范围宽、转换效率高、结构简单及工作可靠等特点。

OPO 装置主要包括抽运源、谐振腔以及非线性晶体三个部分，在满足能量守恒和动量守恒的前提下，一个高频抽运光子转化为两个低频的光子和，一般将频率较高的称为信号光，频率较低的称为闲频光。抽运光的光谱、空间模式质量，谐振腔结构以及非线性晶体特性共同决定了OPO的运转方式以及输出特性。

截止目前，OPO在连续、准连续、纳秒脉冲至飞秒脉冲状态下均能实现连续稳定运转，在光谱学、生物医药学、遥感探测以及环境监控等领域都有广泛的应用。

1965年，J. A. Giordmaine和R. C. Millerz 报道了第一台OPO的诞生，他们利用纳秒级Nd3+:CaWO4激光器的倍频光抽运块状铌酸锂晶体，获得了0.97-1.15 μm的可调谐激光输出。在接下来的20多年间，OPO技术发展缓慢，直到80年代,非线性晶体研究取得重大突破，以及飞秒激光器的研制成功，使得OPO的相关研究，特别是在飞秒脉冲OPO方面开始了加速发展。

第一台同步抽运的飞秒脉冲OPO是由D. C. Edelstein等在1989年报道的，他们采用碰撞脉冲锁模的染料飞秒激光器抽运KTP晶体，实现了在 820-920 nm 和 1.90-2.54 μm的飞秒脉冲和连续可调谐。从抽运源的发展来看，相比于染料和块状的飞秒激光源，光纤飞秒激光器由于其输出功率高和脉冲宽度在百飞秒量级的特点，使其成为同步抽运飞秒OPO的优选抽运源；从非线性晶体材料的发展来看，新型非线性晶体（如：LBO、BBO等）和周期极化的准相位匹配晶体（如：周期极化铌酸锂PPLN、周期极化磷酸钛氧钾PPKTP等）的开发和应用使得OPO输出的效率和光谱范围得到了极大的提升和拓展，目前已经可以覆盖从紫外到中远红外乃至太赫兹波段。

近年来，将二者结合起来以实现高功率、高重频、高脉冲质量的OPO优势，已受到科研工作者的广泛关注和使用。例如：2017年，Cao等人利用掺Yb3+ 光纤飞秒激光器输出激光的倍频光抽运MgOPLN-OPO，输出波长覆盖757-797 nm，且输出激光具有高光束质量。


半导体纳米线的非线性频率上转换

半导体纳米线因其能级结构在纳米尺度上会展现出与宏观尺度不同的特殊变化，而产生独特的光学性质。自20世纪90年代以来，它作为一类重要的低维功能结构引起了人们的极大关注。

相比块状结构材料，半导体纳米线具有一维几何结构、无位错单晶特性、原子量级的光滑表面、发光带隙可控和强光子限制等突出优势。特别是当它与强场脉冲相互作用会产生场增强效应。这是由于纳米结构不仅引入表面偶极子作用，而且其本身具有场束缚作用。因此，半导体纳米线具有较高的光吸收效率，同时具备较高的非线性转换效率，是实现频率上转换的新型材料之一。飞秒激光具有极高的峰值功率，因此飞秒激光作为激发光源时，半导体纳米线材料的非线性效应会得到显著增强，进而产生丰富的频率变换信号；同时，飞秒激光热效应较小，可以最大限度地保护纳米结构不受损伤。

在飞秒激光抽运半导体纳米线实现非线性频率变换方面，近年来国内外相继报道了采用飞秒激光抽运氧化锌(ZnO)、磷化铟(InP)等半导体纳米线的双光子激发荧光和二次谐波产生的结果。该现象不仅可以用来研究纳米线激光器的基态载流子动力学过程，而且可以应用于纳米激光器、变频器、光学成像探针、回音壁模式的纳米光器件等领域。然而，大多数半导体材料纳米线仅对某些特定波段的飞秒脉冲光具有响应，光谱匹配宽度较窄。

而砷化镓（GaAs）属于非中心对称结构材料，各向同性，具有较高的电子迁移率、非线性系数和光损伤阈值，禁带宽度为1.42 eV，其光响应波段位于可见光和近红外区域，在光电器件、光通信等领域的应用十分广泛。

科研人员的研究证明GaAs纳米线具有宽带倍频与宽带和频特性，是纳米级光电子领域极具潜力的宽带光学非线性转换器。这方面的工作对于纳米线非线性光学性质的理论研究，以及纳米光电器件集成、数据传输、纳米传感器等众多领域的应用研究都具有重要意义。


高非线性光子晶体光纤中的非线性频率转换

高非线性光子晶体光纤(HNL-PCF)是由大空气填充比包层和小芯径纤芯（微米量级）组合构成。采用飞秒激光激发该类光纤是超连续谱和高次谐波产生的有效途径。常用的HNL-PCF包括全固带隙光子晶体光纤（AS-BPGF）和多芯光子晶体光纤（MC-PCF）。下图分别为这两种PCF的电子扫描显微端面图。

图 全固带隙光子晶体光纤和七芯光子晶体光纤电子扫描显微镜端面图


结论

目前，非线性频率变换技术是获得多波长和可调谐飞秒激光的最简捷有效的途径。而PCF飞秒激光系统因具有高重复频率，窄脉冲宽度，高峰值功率和平均功率等特点，成为各类非线性光学频率变换的理想抽运源。基于PCF飞秒放大系统抽运的OPO是获得波长从紫外到红外波段可调谐激光的高功率和高效率输出有效手段，再结合腔内或腔外和频、倍频及差频等技术可将频率覆盖范围拓展到深紫外至远红外甚至到太赫兹波段，为其他科学研究和工业应用提供有力的工具。

近年来，半导体纳米线的非线性光学效应在纳米量子光学、全光处理器、纳米生物成像等诸多领域有着重要应用，不仅可以用来探究纳米线激光器的基态载流子动力学过程，而且在近场成像、光学变频等领域也有重要研究价值，越来越受到国内外研究者的广泛关注。此外，由飞秒激光注入HNL-PCF产生的超连续谱及高次谐波，尤其是三次谐波，在光通信、生物医学和天文学等领域也有着潜在的应用前景。

我们相信基于光纤飞秒激光系统的非线性光学频率变换是实现高功率、超宽带、宽调谐、多波长和小型化飞秒激光源的技术基础，必将继续得到发展与应用。

阅读全文

stary666

出租车上发帖

shakencity

非线性光学频率变换技术

zwei99999999

谢谢分享

天师猫神

学习学习了