Войти
Оптический параметрический усилитель, сокращенно OPA, представляет собой лазер источник света, который излучает свет с переменной длиной волны посредством процесса оптического параметрического усиления. Он по существу аналогичен оптическому параметрическому генератору , но без оптического резонатора (то есть световые лучи проходят через устройство только один или два раза, а не много раз).
Оптическая параметрическая генерация (OPG) (также называемая "оптической параметрической флуоресценцией" или " спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты ") часто предшествует параметрическому усилению.
В оптической параметрической генерации на входе один световой луч с частотой ω p, а на выходе - два световых луча с более низкими частотами ω s и ω i с требованием ω p=ωs+ωi. Эти два низкочастотных луча называются «сигнальным» и «холостым» соответственно.
Это световое излучение основано на нелинейном оптическом принципе. Фотон падающего лазерного импульса (накачки) с помощью нелинейно-оптического кристалла разделяется на два фотона с более низкой энергией. Длины волн сигнала и холостого хода определяются условием фазового согласования, которое изменяется, например по температуре или, в объемной оптике, по углу между падающим лазерным лучом накачки и оптическими осями кристалла. Следовательно, длины волн сигнала и холостых фотонов можно настраивать путем изменения условия согласования фаз.
Фотонная картина оптического параметрического усиления: фотон накачки возбуждает виртуальный энергетический уровень, распад которого стимулируется сигнальным фотоном, что приводит к испусканию идентичного второго сигнального фотона и Холостой фотон при преобразовании энергии и импульса. Выходные лучи при оптической параметрической генерации обычно относительно слабые и имеют относительно разнесенные направление и частоту. Эта проблема решается за счет использования оптического параметрического усиления (OPA), также называемого генерацией разностной частоты, в качестве второй стадии после OPG.
В OPA входом являются два световых луча с частотой ω p и ω s. OPA сделает луч накачки (ω p) слабее и усилит сигнальный луч (ω s), а также создаст новый, так называемый холостой луч на частоте ω i с ω p=ωs+ωi.
. В OPA фотоны накачки и холостого хода обычно коллинеарно проходят через нелинейно-оптический кристалл. Согласование фаз требуется для правильной работы процесса.
Поскольку длины волн системы OPG + OPA можно варьировать (в отличие от большинства лазеров с фиксированной длиной волны), они используются во многих спектроскопических методах..
В качестве примера OPA падающий Импульс накачки представляет собой выходную мощность 800 нм (12500 см) Ti: сапфирового лазера, а два выхода, сигнальный и холостой ход, находятся в ближней инфракрасной области, сумма волнового числа из которых равно 12500 см.
Поскольку большинство нелинейных кристаллов двулучепреломляющих, 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 отклонения.
Угол фазового согласования делает возможным любое усиление (0-й порядок). В коллинеарной установке свобода выбора центральной длины волны обеспечивает постоянное усиление до первого порядка по длине волны. Неколлинеарные OPA были разработаны, чтобы иметь дополнительную степень свободы, позволяющую получать постоянное усиление до второго порядка по длине волны. Оптимальные параметры: 4 степени неколлинеарности, β-борат бария (BBO) в качестве материала, длина волны накачки 400 нм и сигнал около 800 нм. Это обеспечивает полосу пропускания в 3 раза больше, чем у Ti-сапфирового -усилителя. Первый порядок математически эквивалентен некоторым свойствам задействованных групповых скоростей, но это не означает, что насос и сигнал имеют одинаковую групповую скорость. После прохождения через ВВО диаметром 1 мм короткий импульс накачки больше не перекрывается с сигналом. Следовательно, усиление чирпированных импульсов необходимо использовать в ситуациях, когда требуется усиление с большим коэффициентом усиления в длинных кристаллах. Длинные кристаллы создают такой большой щебетание, что в любом случае потребуется компрессор. Сильный чирп может удлинить затравочный импульс с 20 фс до 50 пс, что делает его пригодным для использования в качестве насоса. Нечирпированные импульсы длительностью 50 пс с высокой энергией могут генерироваться лазерами на основе редкоземельных элементов.
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. Следовательно, можно выбрать поддиапазон и по-прежнему генерировать довольно короткие импульсы.
Более высокое усиление на мм для BBO по сравнению с Ti: Sa и, что более важно, более низкое усиленное спонтанное излучение обеспечивает более высокое общее усиление. Чередование компрессоров и OPA приводит к наклонным импульсам.
Многопроходный режим можно использовать для компенсации отклонения и групповой скорости (дисперсии ); постоянная интенсивность с увеличением мощности сигнала означает экспоненциально возрастающее сечение. Это можно сделать с помощью линз, которые также перефокусируют лучи, чтобы перетяжка луча находилась в кристалле; уменьшение ОПГ за счет увеличения мощности накачки пропорционально сигналу и разделения накачки по проходам сигнала; широкополосное усиление за счет сброса холостого хода и, возможно, индивидуальной отстройки кристаллов; полное истощение насоса за счет смещения насоса и сигнала во времени и пространстве на каждом проходе и подачи одного импульса накачки на все проходы; высокий коэффициент усиления с BBO, поскольку BBO доступен только в небольших размерах. Поскольку направление лучей фиксировано, несколько проходов не могут быть перекрыты в один маленький кристалл, как в усилителе Ti: Sa. Если только не используется неколлинеарная геометрия и не настраивается усиленный луч на параметрический конус флуоресценции, создаваемый импульсом накачки.
Идея параметрического усиления впервые возникла на гораздо более низких частотах: Цепи переменного тока, включая радиочастоты и микроволновые частоты (в самых ранних исследованиях изучались также звуковые волны). В этих приложениях обычно 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 ). В результате часть энергии гетеродина передается на частоту сигнала f s, а также на разностную ("холостую") частоту f-f s. Термин параметрический усилитель используется потому, что параметры схемы меняются.
В оптическом корпусе используется тот же основной принцип - передача энергии от волны на частоте накачки к волнам на частотах сигнала и холостого хода. поэтому он взял то же имя.
1. Бойченко, В.Л.; Засавицкий, И.И.; Косичкин, Ю.В.; Тарасевич, А.П.; Тункин, В.Г.; Шотов, А.П. (1984). «Пикосекундный параметрический генератор света с усилением перестраиваемого излучения полупроводникового лазера». Сов. J. Quant. Электроника 11 (1): 141–143. 2. Магнитский, С.А.; Малахова, В.И.; Тарасевич, А.П.; Тункин, В.Г.; Якубович, С. (1986). "Генерация перестраиваемых пикосекундных импульсов с ограниченной полосой пропускания параметрическим генератором света с синхронизацией инжекции". Optics Letters 11 (1): 18–20.
