Оптический параметрический усилитель , сокращенно OPA , представляет собой лазерный источник света, который излучает свет с переменной длиной волны с помощью процесса оптического параметрического усиления . По сути, это то же самое, что и оптический параметрический генератор , но без оптического резонатора (т. е. световые лучи проходят через устройство только один или два раза, а не много-много раз).
Оптическая параметрическая генерация (ОПГ) (также называемая «оптической параметрической флуоресценцией» или « спонтанным параметрическим понижением частоты ») часто предшествует оптическому параметрическому усилению.
При оптической параметрической генерации входом является один световой луч с частотой ω p , а выходом — два световых луча с более низкими частотами ω s и ω i , с требованием ω p =ω s +ω i . Эти два низкочастотных луча называются «сигнальным» и «холостым» соответственно.
Это излучение света основано на нелинейном оптическом принципе . Фотон падающего лазерного импульса (накачки) разделяется нелинейным оптическим кристаллом на два фотона с меньшей энергией. Длины волн сигнала и холостого определяются условием фазового согласования, которое изменяется, например, температурой или, в объемной оптике, углом между падающим лучом лазера накачки и оптическими осями кристалла. Длины волн сигнального и холостого фотонов можно, таким образом, настраивать, изменяя условие фазового согласования .
.svg/1280px-Photon_picture_of_Optical_Parametric_Amplification_(OPA).svg.png)
Выходные лучи в оптической параметрической генерации обычно относительно слабы и имеют относительно разбросанное направление и частоту. Эта проблема решается с помощью оптического параметрического усиления (OPA), также называемого генерацией разностной частоты , в качестве второго этапа после OPG.
В OPA на вход поступают два световых луча с частотой ω p и ω s . OPA ослабит луч накачки (ω p ) и усилит сигнальный луч (ω s ), а также создаст новый, так называемый холостой луч с частотой ω i с ω p =ω s +ω i .
В OPA фотоны накачки и холостого хода обычно движутся коллинеарно через нелинейный оптический кристалл. Для хорошей работы процесса требуется согласование фаз .
Поскольку длины волн системы OPG+OPA можно изменять (в отличие от большинства лазеров, имеющих фиксированную длину волны), они используются во многих спектроскопических методах .
В качестве примера OPA падающий импульс накачки представляет собой выходной сигнал лазера на титане и сапфире с длиной волны 800 нм (12500 см −1 ) , а два выхода, сигнальный и холостой, находятся в ближней инфракрасной области, сумма волновых чисел которой равна 12500 см −1 .
Поскольку большинство нелинейных кристаллов являются двулучепреломляющими , лучи, которые коллинеарны внутри кристалла, могут не быть коллинеарными вне его. Фазовые фронты ( волновой вектор ) не указывают в том же направлении, что и поток энергии ( вектор Пойнтинга ) из-за сноса.
Угол согласования фаз делает возможным любой коэффициент усиления (0-й порядок). В коллинеарной установке свобода выбора центральной длины волны обеспечивает постоянный коэффициент усиления вплоть до первого порядка по длине волны. Неколлинеарные OPA были разработаны с дополнительной степенью свободы, что обеспечивает постоянный коэффициент усиления вплоть до второго порядка по длине волны. Оптимальными параметрами являются 4 степени неколлинеарности, β-борат бария (BBO) в качестве материала, длина волны накачки 400 нм и сигнал около 800 нм (и может настраиваться в диапазоне 605-750 нм с шириной импульса менее 10 фс, что позволяет исследовать сверхбыструю динамику больших молекул [1] ). Это создает полосу пропускания в 3 раза больше, чем у усилителя на основе титана и сапфира . Первый порядок математически эквивалентен некоторым свойствам задействованных групповых скоростей, но это не означает, что накачка и сигнал имеют одинаковую групповую скорость. После распространения через 1-мм BBO короткий импульс накачки больше не перекрывается с сигналом. Поэтому усиление чирпированного импульса должно использоваться в ситуациях, требующих большого усиления в длинных кристаллах. Длинные кристаллы вносят такой большой чирп , что компрессор необходим в любом случае. Экстремальный чирп может удлинить 20-фс затравочный импульс до 50 пс, что делает его пригодным для использования в качестве накачки. [1] Нечирпированные 50-пс импульсы с высокой энергией могут быть получены с помощью редкоземельных лазеров.
Оптический параметрический усилитель имеет более широкую полосу пропускания, чем -усилитель, который в свою очередь имеет более широкую полосу пропускания, чем оптический параметрический генератор, из-за генерации белого света шириной даже в одну октаву (например, с использованием нелинейной фазовой самомодуляции в неоновом газе [2] ). Поэтому можно выбрать поддиапазон и по-прежнему генерировать довольно короткие импульсы.
Более высокий коэффициент усиления на мм для BBO по сравнению с Ti:Sa и, что более важно, более низкое усиленное спонтанное излучение позволяет получить более высокий общий коэффициент усиления. Чередование компрессоров и OPA приводит к наклонным импульсам.
Многопроходность может использоваться для компенсации сноса и групповой скорости ( дисперсии ); постоянная интенсивность с увеличением мощности сигнала означает экспоненциальное увеличение поперечного сечения. Это может быть сделано с помощью линз, которые также перефокусируют лучи, чтобы иметь перетяжку луча в кристалле; уменьшение OPG путем увеличения мощности накачки пропорционально сигналу и разделения накачки по проходам сигнала; широкополосное усиление путем сброса холостого хода и опциональной индивидуальной расстройки кристаллов; полное истощение накачки путем смещения накачки и сигнала во времени и пространстве на каждом проходе и подачи одного импульса накачки через все проходы; высокий коэффициент усиления с BBO, поскольку BBO доступен только в малых размерах. Поскольку направление лучей фиксировано, несколько проходов не могут быть перекрыты в один небольшой кристалл, как в усилителе Ti:Sa. Если только не использовать неколлинеарную геометрию и не настраивать усиленные лучи на параметрический конус флуоресценции, создаваемый импульсом накачки. [1] [3]
Идея параметрического усиления впервые возникла на гораздо более низких частотах: в цепях переменного тока, включая радиочастоты и микроволновые частоты (в самых ранних исследованиях также изучались звуковые волны). В этих приложениях, как правило, сильный сигнал накачки (или «гетеродин») на частоте f проходит через элемент схемы, параметры которого модулируются слабой «сигнальной» волной на частоте f s (например, сигнал может модулировать емкость варакторного диода [4] ). Результатом является то, что часть энергии гетеродина передается на частоту сигнала f s , а также на разностную («холостую») частоту f - f s . Термин параметрический усилитель используется, поскольку параметры схемы изменяются. [4]
В оптическом случае используется тот же базовый принцип — передача энергии от волны на частоте накачки к волнам на сигнальной и холостой частотах, поэтому он и получил то же название.