摘要
基础研究通常需要窄带光来精确绘制荧光光谱、反应能量或化学、生物和物理系统中的其他关键问题。可调谐窄带光源往往是这一努力的关键。无论是脉冲还是连续波，光参量振荡器（OPO）都取得了长足的进步，价格不断下降，性能却不断提高。我们将探讨这一光谱学家必备工具的发展前景和一些常见用途。
导言
说到光谱学，窄带光源与宽带探测器的结合（或相反，窄带探测与宽带光源的结合）就相当于外科医生的手术刀。它们让我们能够深入观察光谱的精细结构，为模型提供实验数据，探测原子和分子结构，使光谱学科学向前发展。
在激光出现之前的近一个世纪里，光谱学家只有窄带探测器。基尔霍夫和本生利用他们的 “分光镜 “发现了铷和铯，并绘制出原子光谱学中的许多基本发射线。当然，基尔霍夫后来还利用光谱仪研究了辐射平衡（产生了同名的 “基尔霍夫定律”），并在物理学的各个领域做出了贡献，包括热力学和流体力学。
即便如此，虽然基尔霍夫和本生的探测器可以获得合理的分辨率和灵敏度–例如，基尔霍夫可以将太阳光分散到将近三米的范围内，至少在火焰的稳态实验或研究太阳辐射时，照相板可以长时间曝光–但很难获得足够强度的单色光来进行反向实验。换句话说，虽然获得荧光或吸收光谱很容易，但获得激发光谱却很困难。
这种情况随着激光的出现而改变。早期的固体激光器和气体激光器只能发出一条或多条窄带线，在光谱学上的作用有限。1966 年，有机染料激光器的研制成功，革命性地提供了可见光和近红外窄带光。正如弗兰克-杜阿尔特（Frank Duarte）在 2003 年所总结的那样，“……多年来，染料激光器在某些方面获得了’对用户不友好’的名声”。
杜阿尔特很好地捍卫了染料激光器的诸多贡献和独特属性，包括可用的高脉冲能量、飞秒和窄线宽等。然而，除了技术进步之外，染料激光器的声誉问题几乎没有涉及。根据作者的观点和经验，虽然染料激光器具有一定的 “趣味性”，是解决某些问题的好工具，但其维护和操作难度也高于最佳水平。
光参量振荡器 (OPO) 运行
1965 年，贝尔实验室的 Giordmaine 和 Miller 提前发明了 OPO。[2]他们的工作利用了铌酸锂，这种晶体一直是当今市场上许多 OPO 的重要晶体。他们可以通过改变振荡器晶体的温度，将来自CaWO4:Nd3+激光器的 529 nm 入射光转换为 970-1150 nm 范围内的可调谐光。两人还观察到只有部分泵浦脉冲发生了转换，并指出这种转换似乎高度依赖于泵浦光束的模式结构。这些观察结果将被证明是有先见之明的；虽然研究仍在继续，但将 OPO 发展成实用设备将在很大程度上取决于能否获得非常优质的晶体以及适当的激光源和涂层，而这些直到 20 世纪 80 年代末和 90 年代才出现。
20 世纪 90 年代末，我作为桑迪亚国家实验室的博士后和工作人员，有幸见证了 OPO 研究的蓬勃发展。汤姆-库尔普（Tom Kulp）、斯科特-比森（Scott Bisson）和已故的彼得-鲍尔斯（Peter Powers）是燃烧研究机构的同事，他们都站在发展的最前沿，而我则是旁观者。开发波长覆盖范围、设定新的功率和脉冲长度里程碑的竞赛一触即发。OPO 的许多应用都集中在光谱学方面，OPO 为光学传感开辟了新的前景。
晶体中用于频率转换的谐波过程，包括二次谐波产生、和差频率产生以及非线性过程（如 OPO 操作）有两个基本限制。
第一个要求自然是能量守恒–产生的光子的能量总和必须等于输入光子的能量总和。第二个要求是相位匹配要求；简而言之，晶体结构必须支持产生相位一致的光子，否则光子就会产生破坏性干扰，晶体中就不会产生增益。改变晶体的角度或温度会改变晶体的有效周期性，从而改变所产生的波长。
相位要求的难点在于，能够适应特定激光波长的天然晶体很少，当然这些晶体也只能适应单一波长或其谐波。从开发人员的角度来看，最佳的条件是晶体能够适应多种波长或任何输入波长。
准相位匹配
这就是周期性极化铌酸锂（PPLN）再次发挥作用的地方。对于入射波E，产生的波P在一定周期后会失相并产生破坏性干扰。准相位匹配法由阿姆斯特朗等人[3]以及弗兰肯和沃德[4]于 1962 年和 1963 年（OPO 发明之前）独立开发，可以纠正这种破坏性干扰。如果将产生的波的相位周期性地反转，在设定的 “相互作用长度 “L之后，当E波和P波开始失相时，相位关系将被有效地重置：如果两个波在反转时是φ 失相，那么反转之后它们将是φ 失相。如果 φ 相对较小，就可以在每个相互作用长度上建立增益，从而最大限度地减少破坏性干扰。
从物理上讲，准相位匹配是通过晶体中的周期性极化来实现的。在 PPLN 中，这是通过周期性地（在空间中）对晶体施加一个非常强的电场来实现的，该电场会永久切换电偶极子（取决于晶体中锂离子和铌离子的位置）。这种周期性极化可以实现某些波长的准相位匹配，事实上，可以在晶体的不同点引入不同的极化间隔。这样，单个晶体就可以用于不同的波长区域。图 1提供了在产生波的周期略长于入射波的情况下，对产生波进行周期性极化的概念说明。图 2展示了有无极化情况下生成波的增益积累。 在没有极化的情况下，破坏性干扰消除了增益积累。
图 1：周期性极化对入射波和产生波之间相位的影响。
图 2.有极化和无极化时产生的波的增益积累。
典型的 PPLN 掺杂氧化镁，以提高其光学损伤阈值。有效的抗反射（AR）涂层也很关键，因为 PPLN 具有很高的折射率（大于 2），如果没有 AR 涂层，OPO 的损耗会非常大。其他几种晶体也用于 OPO，例如 BBO（硼酸钡）、KTP（钛磷酸钾）和 ZGP（磷化铟锌）。不同的晶体用于不同的波长区域，有些更适合产生红外线，有些适合产生可见光和紫外线。
实践中的 OPO
根据能量守恒和准相位匹配原理，我们不仅可以理解直谐波发生，还可以理解非线性和频和差频发生。在和频发生中，两个输入光子被晶体转换成一个具有两个输入光子能量总和的单光子。二次谐波发生是和频发生的一种特殊情况，在这种情况下，两个输入光子的波长相同。
差频产生可被视为有几种形式：1）两个输入频率可以进入一个晶体，在差频下产生多个输出光子；2）单个输入频率可以产生两个较低频率的光束（其中较高频率称为 “信号”，较低频率称为 “惰波”）；3）两个输入频率可以输入一个晶体，其中一个频率可以被放大，放大后的输出为其中一个输入频率，而较低频率的输出为光参量放大器（OPA）。
有了这些选择，OPO 及其同类产品有多种形式也就不足为奇了。早期的 OPO 容易出毛病，调谐范围有限，调谐有间隙，而且功率相对较低。如今，市场上的 OPO 在调谐范围和易用性方面都有了很大改进，同时随着晶体和涂层价格的降低，其价格也有所下降。在多种材料中生长出空间精度极高的极化晶体的能力，再加上精密的机芯，在很大程度上促进了这一进步，同时，多种波长的稳定泵浦激光器（脉冲和连续波）也越来越多。为了实现可靠的调谐，现代 OPO 全部由计算机控制。
Spectra-Physics 公司提供的大量 OPO 和 OPA 产品就是产品范围的一个例子。Spirit-OPA® 是一种超快放大器，专为 350 fs 泵浦而设计，功率高达 30W，信号输出波长为 630-1020 nm，惰波束输出波长为 1040-2600 nm。二者均可使用谐波进行修改，以进一步扩大范围。TOPAS Prime OPO 用于在 770-830 nm 波长范围内使用 150 fs 以下的光束进行泵浦，范围更广。Spectra-Physics Inspire™ 的范围较小，但只使用一套光学器件和晶体。在 Spectra-Physics 的众多激光产品中，还包括连续波 MixTrain 激光和差频混频器。
还有一些公司专门生产 OPO，其中最主要的是总部位于加利福尼亚州卡尔斯巴德的Opotek 公司。他们专注于纳秒市场，其 OPO 波长范围为 210-3100 nm，典型重复频率为 10-20 Hz，能量相对较高。他们的 Radiant 和 Opolette 型号是其主要产品之一；每种设备在整个调谐范围内的线宽为 4-7 厘米-1。奥地利的InnoLas Laser 公司也有类似的纳秒级 OPO 产品，工作波长约为 400 到 2100 nm，适合二极管泵浦或闪光灯泵浦 Nd:YAG，脉冲能量可达 150 mJ。
其他公司则提供利基产品，如APE，如果需要深紫外覆盖范围，它提供的 OPO 解决方案能够达到 200 纳米以下。APE 还提供皮秒和飞秒 OPO，使用 1 µm 左右的近红外激光器或钛蓝宝石激光器进行泵浦。后者包括 GHz 重复率。 Coherent公司销售由 APE 生产的 Chameleon MPX 和 Compact OPO 系统，这些系统采用钛蓝宝石泵浦，波长可达 340-4000 nm。Toptica为近红外和中近红外应用提供 TOPO CW OPO 激光器；该系统的波长为 1450-4000 nm。
最后，Eksplsa在立陶宛维尔纽斯的工厂制造了一系列皮秒和纳秒级 OPO，在其全球销售的 15 种 OPO 型号中，可能是重复率和能量范围最广的。Ekspla 系统包括集成了泵浦激光器和 OPO 的型号，以及专门为光声成像设计的系统，如 PhotoSonus，具有 150 mJ 脉冲能量。Ekspla 还拥有线宽非常窄的变换限制系统。
OPO 促进科学
正如人们所期望的那样，OPO 以各种方式用于促进科学发现。 由于其便利性和相对较新的可靠性，它们在很大程度上取代了染料激光器，成为可调谐光源。
例如，在生物光子学中，OPO 是荧光显微镜的常用工具。在可见光的激发下，组织通常会产生强烈的散射，结果是可见光的穿透力被限制在 100 微米左右，除非采用 “清除 “技术对组织进行特殊处理，以尽量减少散射。规避这一问题的方法之一是使用穿透力更强的近红外线（NIR）–通常为几毫米。近红外光的强超快脉冲可以在荧光标签和纳米粒子中产生多光子吸收和激发，2020 年 1 月《光谱学》杂志的 “激光与光学界面 “专栏对此进行了讨论[5]。
同样，OPO 也是物理化学中不可或缺的工具，可调谐源可用于探测分子和原子的旋转、振动和电子状态。例如，这对于探测分子束实验中的能量转移或精确了解能级和跃迁非常有用。
在我所从事的燃烧科学领域，平面激光诱导荧光被用来确定自由基物种（如 OH 和 CH）以及污染物（如 NO）在实验室原型火焰和实际设备中形成时的分布情况。在此类研究中，OPO 是不可或缺的；其高重复率可准确捕捉火焰动态，并可轻松开发统计/空间分布。
OPO 已从不久前的 “不稳定动物 “发展成为今天可靠的多功能工具。目前市场上有多种泵浦激光器、重复率和波长范围可供选择，这使得 OPO 成为可调谐激光源中的王者。
[1]Frank J. Duarte，”有机染料激光器：简史与最新发展》，《光学与光子学新闻》14(10), 20-25 (2003)。
[2]Giordmaine, J. and Miller, R. “Tunable Coherent Parametric Oscillation inLiNbO3at Optical Frequencies”.Phys.14(24):973 (1965).
[3]J.A. Armstrong、N. Bloembergen、J. Ducuing、P.S. Pershan，”非线性电介质中光波之间的相互作用”，《物理评论》，127(1962)，第 1918-1939 页。
[4]P.A. Franken, J.F. Ward, “Optical harmonics and nonlinear phenomena,” Rev. Mod. Phys.Phys.,35(1963), pp.
[5]S.G. Buckley，”上转换材料的崛起”，《光谱学》35(1)，第 16-21 页，（2020 年）。
