光參量共振與光參量放大技術

2.3.1 光學參量震盪器

光學參量震盪器（optical parametric oscillator, OPO）提供可調變的紅外 波長輸出，在紅外光譜技術中扮演相當重要的角色。在紅外光區中有許多 雷射光源的選擇，如摻有稀土金屬（如Tm、Ho、Er等等）的晶體或纖維，

利用金屬之電振躍遷（vibronic transition）發光的固態雷射（如Fe或Cr），

或是異質介面（heterojunction）的雷射二極體，以及最近興起的量子級聯 雷射（quantum cascade laser）等等，都是實驗室常用的紅外光源。這些光 源中，唯獨OPO具有可調變波長範圍大、輸出能量強等等優點，使得OPO 成為近數十年實驗中主流的紅外光源 [32,33]。

若使用一道雷射光入射一個第二階非線性磁化率χ⁽²⁾值不為0 的晶體，

而光強度足以達到所謂的參量增益（parametric gain）時，便會放出參量螢 光（parametric fluorescence）。參量螢光與固態雷射放大器（amplifier）中 會發生的自發輻射（spontaneous emission）現象類似，但只會發生在滿足 相位匹配的方向，故通常出光方向與入射光相同，利用參量螢光相位匹配

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條件的不同產生不同波長光的技術稱為光學參量產生（optical parametric generation, OPG）。入射的激發光（pump beam）經由 OPG 會轉換為兩道

較低能量的光，分別稱為訊號光（signal beam）及閒頻光（idler beam），

如圖2-5(A)所示，其中訊號光定義為兩道出光中頻率較高的光。因能量守

其中依其極化方向的不同可分為常態光（ordinary wave）及非常態光

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（extraordinary wave），兩道光電場互相垂直。雙折射性晶體組成分子在 晶體中排列之對稱軸稱為光軸（optical axis），常態光的極化方向與光波前 進的方向以及晶體的光軸垂直，其折射率不因其光波前進方向而改變。非 同而區分為第一類相位匹配（type-I phase-matching）和第二類相位匹配

（type-II phase-matching）兩種情形 [34]。第一類相位匹配中，訊號光與閒 頻光的極化方向相同，而激發光的極化方向與該二道光不同，如圖2-6(A) 所示。第二類相位匹配中，訊號光與閒頻光的極化方向不同，而激發光的 極化方向與閒頻光相同，如圖2-6(B)所示。

若在非線性晶體外加上一共振腔，使OPG 生成的光波可以在晶體來回 反射加強能量，稱為光學參量震盪（optical parametric oscillation, OPO），

如圖2-5(B)所示。選擇共振腔端面反射鏡（end mirror）及輸出耦合鏡（output coupler）的材質使其會在共振腔內共振，OPO 可以此分類為只有訊號光或 閒頻光在腔內共振的單共振OPO（singly resonant OPO）、訊號光及閒頻光

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都會共振的雙共振OPO（doubly resonant OPO），以及激發光、訊號光以 及閒頻光都會共振的三重共振OPO（triply resonant OPO）。

選用不同的非線性晶體材料可以輸出不同範圍的波長，從1 μm 到 10 μm 的範圍都可以涵蓋，如圖2-7 所示。對於一般波長較短的中紅外光

（mid-infrared）範圍（2 μm–5 μm），週期性極化的鐵電氧化物（periodically poled ferroelectric oxides）如 LiNbO3、KTP、KTA、LiTaO3 等等為合適的

選擇，這些物質皆可使用出光波長1 μm 的固態雷射作為激發光源，且具有 準相位匹配（quasi-phase-matching, QPM）的特性。QPM 為藉由在晶體內 部製造週期性的結構所達到的相位匹配；因為晶體內的非線性週期性的改

紅外光區的紅外光，而其出光能量在毫焦耳（millijoule）等級。

對於波長較長的IR 光（5–12 μm）而言，一般的鐵電氧化晶體本身會 吸收此光區的光，故需要使用其他非線性晶體材料，如ZGP（ZnGeP2）、

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CdSe、AGSe（AgGaSe2）等等，這些材料一般需要波長在 2 μm 附近的激 發光源，且其轉換效率通常較鐵電氧化晶體差。

2.3.2 光學參量放大

光學參量放大（optical parametric amplification, OPA）中，當一道訊號 光伴隨著頻率較高的激發光入射非線性晶體時，激發光的光子會轉換為與

26 射的快速絕熱膨脹（adiabatic expansion）過程中，將沿著噴射方向之氣體 分子的內能（internal energy）轉變成分子傳動能（translational energy），

而此傳動能之分布極窄。此急速膨脹冷卻之過程具有溫度不平衡之現象，

可在分子間不凝結，且分子的振動能不完全消除的情況下，得到非常低的 轉動及徑向傳動溫度。由於低溫使得可進行之分子躍遷減少，可達到簡化 光譜、增強訊號的目的。

圖2-9 為分子射束膨脹的示意圖，射束的核心區域在膨脹過程中進行了 可逆的絕熱膨脹，通常被稱為等熵區（isentropic region）。由於此區氣體不