Оптический параметрический усилитель - Optical parametric amplifier
Оптический параметрический усилитель , сокращенно ОР , является лазерным источником света , который излучает свет переменных длин волн с помощью оптического параметрического усиления процесса. По сути, это то же самое, что и параметрический оптический генератор , но без оптического резонатора (т. Е. Световые лучи проходят через устройство только один или два раза, а не много раз).
Оптическая параметрическая генерация (OPG)
Оптическая параметрическая генерация (OPG) (также называемая «оптической параметрической флуоресценцией» или « спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты ») часто предшествует параметрическому оптическому усилению.
При оптической параметрической генерации на вход подается один световой луч с частотой ω p , а на выходе - два световых луча с более низкими частотами ω s и ω i , при условии , что ω p = ω s + ω i . Эти два низкочастотных луча называются «сигнальным» и «холостым» соответственно.
Это световое излучение основано на нелинейно-оптическом принципе . Фотоны из падающих лазерного импульса (насос) есть, с помощью нелинейного оптического кристалла, разделенного на две более низкую энергию фотонов. Длины волн сигнала и холостого хода определяются условием фазового синхронизма, которое изменяется, например, температурой или, в объемной оптике, углом между падающим лазерным лучом накачки и оптическими осями кристалла. Таким образом, длины волн сигнала и холостых фотонов могут быть настроены путем изменения условия фазового синхронизма .
Оптическое параметрическое усиление (OPA)
.svg)
Выходные лучи при оптической параметрической генерации обычно относительно слабые и имеют относительно распространенное направление и частоту. Эта проблема решается путем использования оптического параметрического усиления (OPA), также называемого генерацией разностной частоты , в качестве второго этапа 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 = ω s + ω i .
В OPA фотоны накачки и холостого хода обычно коллинеарно проходят через нелинейно-оптический кристалл. Для правильной работы процесса требуется согласование фаз .
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 выходное значение 800 нм (12500 см -1 ) титан-сапфирового лазера , а два выхода, сигнальный и холостой ход, находятся в ближней инфракрасной области, сумма волновых чисел из которых равно 12500 см -1 .
Неколлинеарный OPA (NOPA)
Поскольку большинство нелинейных кристаллов обладают двойным лучепреломлением , лучи, которые коллинеарны внутри кристалла, могут не быть коллинеарными вне его. Фазовые фронты ( волновой вектор ) не направлены в том же направлении, что и поток энергии ( вектор Пойнтинга ) из-за отклонения.
Угол фазового синхронизма делает возможным любое усиление на всех (0 - го порядка). 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 обеспечивать постоянное усиление 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. Это обеспечивает полосу пропускания в 3 раза больше, чем у титан-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 чирпированного импульса необходимо использовать в ситуациях, когда требуется усиление с большим коэффициентом усиления в длинных кристаллах. Длинные кристаллы издают такой сильный щебет, что компрессор в любом случае нужен. 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 α-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 позволяет получить более высокий общий коэффициент усиления. Чередование компрессоров и OPA приводит к наклонным импульсам.
Многопроходный OPA
Multipass может использоваться 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, пропорциональной 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, так как 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 использовать неколлинеарную геометрию и не настраивать усиленные лучи на параметрический конус флуоресценции, создаваемый импульсом накачки.
Связь с параметрическими усилителями в электронике
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 диод ). 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 с частотой накачки к волнам с частотой сигнала и холостого хода - поэтому он получил то же название.
Смотрите также
Сноски и ссылки
- ^ http://link.aip.org/link/?APPLAB/86/211120/1 Усилитель чирпированных импульсов многопроходного лукового типа
- ^ а б Дас, Аннапурна; Дас, Сисир К. (18 февраля 2019 г.). «Микроволновая техника» . Tata McGraw-Hill Education - через Google Книги.
1. Бойченко В.Л .; Засавицкий, II; 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.Д. (1986). "Генерация перестраиваемых пикосекундных импульсов с ограниченной полосой пропускания параметрическим генератором света с синхронизацией инжекции". Optics Letters 11 (1): 18–20.