OPO 的核心吸引力在于信号波和闲频波的波长可在很宽的范围内变化，且通过相位匹配条件的调整，可以覆盖激光器难以实现的波长区间，常见包括中红外、远红外甚至太赫兹区域，并具有较宽的波长可调性。这样的特性使 OPO 在激光光谱学等领域具有很高价值。需要强调的是，OPO 对泵浦源的亮度和空间相干性要求较高，因此泵浦端通常需要激光器系统，且往往采用 diode-pumped solid-state laser、倍频激光源等组合，整体系统相对复杂。

带有环形谐振腔的典型 OPO 设置中，泵浦光经分色镜进入腔内，信号光在腔内被谐振，而闲频光通常由谐振器的反射镜输出。

与激光器相比，OPO 的若干关键差异如下：

- 泵浦要求更高的空间相干性。多数情况下，泵浦来自二极管泵浦固态激光器。

- 波长调谐具极宽的潜力，覆盖可见、近红外甚至中红外区，且在中红外区域尤为常用，因为该区域的直接激光源相对较少竞争。

- 参数放大需要有效的相位匹配，波长来自晶体的相位匹配条件。调谐通常通过改变晶体温度、晶体取向（影响相位匹配，常用作临界相位匹配）或极化反转周期来实现准相位匹配。腔内光学滤波也可用于进一步调谐。调谐范围往往受相位匹配带宽、材料的透光区以及腔镜反射率谱区的限制。

- 只有泵浦方向发生增益，因此大多数系统采用单向环形谐振腔，避免多向增益带来的不稳定性。

- 非线性晶体本身不存储能量，增益仅在泵浦存在时才发生，泵浦的波动会直接影响信号输出，因此动力学与激光腔的典型激光动力学不同。

- 参量增益介质的光学增益仅在泵浦方向有效，因此“单谐振”与“ spreads ”的设计思路与普通激光器不同。多数 OPO 是单谐振的，即信号波或闲散波其中之一在腔内被谐振，而另一波通常不被同一腔体谐振；也存在双谐振 OPO，同步谐振信号和闲散波，通常需要单频泵浦激光器，且调谐性更复杂。

- 也有将泵浦腔内化的方案：在泵浦激光器的腔内放置非线性晶体，通过腔内场强实现增益。

泵浦方式与工作模式

- 连续波（CW）泵浦的 OPO：通常使用高非线性晶体（如周期性极化的 LiNbO3、KTP 等）的连续波泵浦。单谐振 OPO 的阈值功率相对较高，通常为几瓦，有时低于 1 W；某些双谐振 OPO 的阈值可低至几十毫瓦。

- 脉冲泵浦的 OPO：多采用来自 Q-开关激光器的纳秒脉冲泵浦。在这种模式下，即使是单谐振 OPO 也易于超过阈值，输出脉冲往往短于泵浦脉冲，且脉冲线宽通常较大、脉冲间的稳定性较差，易受噪声影响。

- 同步泵浦（锁模）OPO：为了获得超短脉冲，可采用锁模泵浦的方式，通过将 OPO 谐振腔长度调至与泵浦脉冲重复频率匹配，使多次往返后输出脉冲进入稳定状态，脉冲持续时间可接近泵浦脉冲，甚至在某些条件下明显短于泵浦脉冲。由于锁模激光器的低占空比，平均泵浦功率通常可显著低于 1 W。

- 其他泵浦源：泵浦光可以来自近红外激光器直接输出，或通过倍频得到绿光；在较少见的情况下，OPO 也可由紫外或中红外泵浦。

OPO 的类型

- 连续波 OPO：多基于高非线性晶体（如周期性极化 LiNbO3、KTP 等），以 1 μm 及以上波长的掺铒、掺钕激光器或其倍频泵浦为主。即便泵浦源不是单频，也可以实现单频输出的单谐振 OPO。

- 内腔泵浦 OPO：用于高功率输出的连续波 OPO，非线性晶体放置在以 Nd: 系激光器为主的高功率激光腔内。

- 单谐振 OPO 的经典例子：通常由主动调Q Nd:YAG 激光器泵浦，输出在近红外到中红外区域，脉冲能量在微焦耳到毫焦耳量级。为实现较长波长，常采用串联结构，如第一级将 1 μm 转换到 2 μm 区域再用于泵浦第二级中红外 OPO。

- 同步泵浦 OPO 的典型实现：皮秒或飞秒锁模激光器作为泵浦源，平均泵浦功率从几百毫瓦到几瓦，重复频率 100 MHz–1 GHz，转换效率通常在 30%–50% 区间。

- 超短脉冲与光纤反馈 OPO：通过利用极高的脉冲重复率和强参数增益，构建在单模光纤中的腔内 OPO，具有对腔长变化不敏感等优势。

- 高重复率与高功率挑战：已有工作实现了高于 80 GHz 的同步泵浦 OPO，但要在极高重复率下获得较高平均泵浦功率，往往需要 MOPA（前端功率放大器）泵浦源。

- 基于 χ(3) 的光纤 OPO：较少见，早期光纤 OPO 的泵浦波长通常接近信号与闲散波，现今通过色散工程（如光子晶体光纤）可实现更宽波长输出。

OPO 的应用

- 激光光谱学与基础科学研究：覆盖极宽光谱，提供窄线宽和高功率输出，便于分子光谱与材料研究。

- 战术与安防领域：在中短波红外区域提供宽带高功率光源，用于目标识别、热成像、遥感等场景。VSport

- 视觉与显示技术：可作为高功率 RGB 光源的一部分，支持数字投影与高亮度显示系统。

- 工程与材料研究：用于光谱学、传感、材料表征等多领域的光源需求。

商业化挑战

- 系统复杂度高：除了泵浦激光器外，还需要 OPO、晶体温控炉等组件，整体系统比单纯激光系统复杂。

- 相位匹配的严格性：非线性转换对晶体温度、取向、材料品质等要求较高，温控炉、腔镜涂层等也需保持稳定，导致产业化成本与维护难度增大。

- 材料与涂层问题：某些非线性晶体具有吸湿性、灰度跟踪现象，抗反射涂层的实现也存在挑战，热机械特性也需考虑。

- 专业知识鸿沟：参量光学的理论与工程实践在激光行业中的普及度不如传统激光器，限制了大规模商业化的普及速度。

Chromacity OPO 光学参量振荡器

Chromacity Lasers 是一家位于英国的超快激光企业，专注于从紫外到中红外波段的可调谐飞秒激光器。其 OPO 系列采用新一代非线性晶体，能在 5 μm 至 12 μm 区间产生输出，泵浦端使用整合在光学头内的泵浦源，旨在提升系统稳定性并减小占地面积。近红外输出的飞秒脉冲在建立时间上需求较低，系统通常无需额外水冷，界面友好，易于操作，适用于光谱学、CARS 显微成像等对波长灵活性和脉冲特性有要求的应用。

应用领域包括振动光谱学、FTIR/分离技术、多组分气体分析、通信与量子研究、材料特性研究、爆炸物检测、拉曼光谱等。该类系统的优点在于紧凑外壳、集成泵浦源、宽带相干光束以及直观的网络化操作界面。Chromacity 的产品广泛用于全球科研与工业领域，推动区域应用如基础研究、量子技术与环境传感的发展。