光學參數振盪器相關理論

4.2.1 光學參數振盪器簡介

光學參數振盪器是一種三光子的系統，可以將ㄧ個較高頻的光轉成兩個較低 頻的光。其非線性的轉換過程，是屬於第二次諧盪產生因子〈second harmonic generator 〉的其中一種，相當於大家熟知倍頻過程的反轉，其最大的優點是其 波長具有可調的彈性。以下我們就其特性來做些簡介。

如同雷射放大一樣，非線性晶體是由增益介質來激發的，而其增益與激發強 度有關。當非線性晶體放置在腔內，當滿足適當的頻差、損耗以及激發強度的條 件下，振盪就會產生，同時我們可以得知輸出光束的相關雷射特徵。此機制我們 稱之為光學參數振盪。見圖 4.2.1-1。

4.2.2 三光子系統

如圖 4.2.2-1，光學參數振盪器可將激發光束轉換成訊號光以及閒滯光，其中 最高階的能階可由激發光源的頻率來調整，而中間的能階則是藉由相位匹配來調 整。整個過程完全沒有牽扯到輻射的傳遞，稱之為三光子過程。時空暫態的同調 行為特徵主要由激發光源來決定，只要激發光源是雷射，可以選擇是同調或是不 同調的光源。換句話說，當激發光源夠大，超過光學參數振盪器的臨界功率，由 於其過程沒有牽扯到輻射，其量子轉換效率接近 100%，所以理想的光學參數振 盪器是一個相當有效率的元件。

4.2.3 非線性轉換

對光學而言，古典電磁波理論告訴我們，光是一種電磁波，當其照射到介質，

介質之帶電粒子便會受入射波的作用而振動，而振動的位移就是偏極化向量 Pi。

根據古典光學理論偏極化向量會正比於電場，但實際上物質普遍存在著非線性的

4.2.4 相位匹配(Phase matching)

一‧相位匹配推導

我們可以由兩種方式去討論：

1. 首先，我們先從能量守恆(Energy conservation)以及動量守恆(Momentum conservation)概念開始：

Energy conservation 能量

E

ω

π λ π

ω

f

^c

E α λ

Momentum conservation 動量

p

k

以及閒滯光，如圖 4.2.4-1：

2 (critical phase-matching 或 CPM)；反之，θ=90⁰或 0⁰，我們稱之為非臨 界相位匹配(non-critical phase-matching 或 NCPM)。

2. 另外，可以從雷射光的偏振分向來分類相位匹配。假如，訊號光與閒滯

而光學參數振盪器與其激發光源 Q 開關的架構，主要可以分為腔外跟腔內，

見圖 4.2.5-1。以往，被廣為使用的是腔外的光學參數振盪器，主要是因為其光學 參數振盪器落在腔外，因此比較沒有牽扯到關於腔的設計。然而，隨著大家對於 雷射腔的研究越來越卓越，大家逐漸把光學參數振盪器的腔移到雷射腔內，這樣 一來不僅可以讓架構更精巧，且由於雷射出來的功率幾乎給了光學參數振盪，如 此一來效率也變好了。以下，我們所針對的就是腔內光學參數振盪器(Intracavity OPO 或簡稱為 IOPO)的研究。