Введение

Оптический параметрический усилитель, сокращенно OPA, — это источник лазерного света, излучающий свет с переменной длиной волны посредством процесса оптического параметрического усиления. По сути, он аналогичен оптическому параметрическому осциллятору, но не содержит оптического резонатора (то есть световые лучи проходят через устройство всего один или два раза, а не многократно).

Оптическая параметрическая генерация (OPG)

Оптическое параметрическое генерирование (OPG) (также называемое "оптической параметрической флуоресценцией" или "спонтанным параметрическим преобразованием частоты вниз") часто предшествует оптическому параметрическому усилению. В оптическом параметрическом генерировании на вход подается один световой луч с частотой ωp, а на выходе формируются два световых луча с более низкими частотами ωs и ωi, при этом выполняется условие ωp = ωs + ωi. Эти два луча с более низкой частотой называются соответственно "сигналом" и "холостым ходом". Это светоизлучение основано на принципе нелинейной оптики. Фотоны падающего лазерного импульса (насоса) разделяются нелинейным оптическим кристаллом на два фотона с более низкой энергией. Длины волн сигнала и холостого хода определяются условием фазового согласования, которое можно изменить, например, температурой или, в объемной оптике, углом между падающим лучом насоса и оптическими осями кристалла. Следовательно, длины волн фотонов сигнала и холостого хода могут быть настроены путем изменения условий фазового согласования.

Оптическое параметрическое усиление (OPA)

Выходные лучи в оптической параметрической генерации обычно относительно слабы и имеют широкое распределение по направлению и частоте. Эта проблема решается использованием оптического параметрического усиления (OPA), также называемого генерацией разностной частоты, в качестве второй ступени после OPG. В OPA на вход подаются два световых луча с частотами ωp и ωs. OPA ослабляет пучок накачки (ωp), усиливает пучок сигнала (ωs) и создает новый, так называемый пучок холостого хода на частоте ωi, где ωp = ωs + ωi. В OPA фотоны накачки и холостого хода обычно распространяются коллинеарно через нелинейный оптический кристалл. Для эффективной работы процесса необходимо фазовое согласование. Поскольку длины волн системы OPG+OPA могут быть изменены (в отличие от большинства лазеров с фиксированной длиной волны), они широко используются в различных спектроскопических методах. Например, в OPA в качестве накачки используется импульс лазера Ti:сапфир с длиной волны 800 нм (12500 см−1), а два выходных сигнала – сигнал и холостой ход – находятся в ближней инфракрасной области, при этом сумма их волновых чисел равна 12500 см−1.

Неколлинейная ОПП (НОПП)

Поскольку большинство нелинейных кристаллов являются двулучепреломляющими, лучи, коллимированные внутри кристалла, могут расходиться за его пределами. Фазовые фронты (волновой вектор) не совпадают по направлению с потоком энергии (вектором Пойнтинга) из-за пространственного разделения. Угол фазового согласования обеспечивает возможность какого-либо усиления (нулевого порядка). В коллинеарной схеме свобода выбора центральной длины волны позволяет достичь постоянного усиления до первого порядка по длине волны. Неколлинеарные ОПА были разработаны для обеспечения дополнительной степени свободы, позволяющей получить постоянное усиление до второго порядка по длине волны. Оптимальные параметры: 4 градуса неколлинеарности, β-барият бора (BBO) в качестве материала, длина волны накачки 400 нм и сигнал около 800 нм (с возможностью настройки в диапазоне 605–750 нм при ширине импульса менее 10 фс, что позволяет изучать ультрабыструю динамику крупных молекул). Это создает полосу пропускания в 3 раза шире, чем у Ti:Sa усилителя. Первый порядок математически эквивалентен некоторым свойствам групповых скоростей, однако это не означает, что накачка и сигнал имеют одинаковую групповую скорость. После прохождения через 1 мм BBO короткий импульс накачки перестает перекрываться с сигналом. Следовательно, для ситуаций, требующих значительного усиления в длинных кристаллах, необходимо использовать усиление с помощью модуляции по времени (чирп-амплификации). Длинные кристаллы вносят настолько сильную модуляцию по времени, что компрессор требуется в любом случае. Значительная модуляция по времени может увеличить длительность исходного импульса 20 фс до 50 пс, что делает его подходящим для использования в качестве накачки. Таким образом, можно выделить субдиапазон и все же генерировать достаточно короткие импульсы. Более высокое усиление на мм для BBO по сравнению с Ti:Sa и, что более важно, более низкий уровень спонтанного излучения позволяют достичь более высокого общего усиления. Последовательное использование компрессоров и ОПА приводит к появлению импульсов с наклоном.

Связь с параметрическими усилителями в электронике

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 обычно сильный накачивающий сигнал (или "локальный осциллятор") на частоте f проходит через элемент схемы, параметры которого модулируются слабой "сигнальной" волной на частоте fs (например, сигнал может модулировать емкость варактора). В результате часть энергии локального осциллятора передается на частоту сигнала fs, а также на разностную ("холостой ход") частоту f - fs. Термин "параметрический усилитель" используется, поскольку параметры схемы изменяются. Оптический случай использует тот же основной принцип – передачу энергии от волны на частоте накачки к волнам на частоте сигнала и холостого хода – поэтому он получил то же название.

Примечания и ссылки

Бойченко, В. Л.; Засавицкий, И. И.; Косичкин, Ю. В.; Тарасевич, А. П.; Тункин, В. Г.; Шотов, А. П. (1984) "Пикосекундный оптический параметрический осциллятор с усилением излучения перестраиваемого полупроводникового лазера", Советский журнал квантовой электроники 11 (1): 141–143. Магницкий, С. А.; Малахова, В. И.; Тарасевич, А. П.; Тункин, В. Г.; Якубович, С. Д. (1986) "Генерация перестраиваемых пикосекундных импульсов с ограниченной полосой пропускания посредством инжекционно-запертого оптического параметрического осциллятора", Optics Letters 11 (1): 18–20.