Оптический параметрический усилитель
Оптический параметрический усилитель , сокращенно OPA , представляет собой источник лазерного света, который излучает свет с переменной длиной волны посредством процесса оптического параметрического усиления . По сути, это то же самое, что оптический параметрический генератор , но без оптического резонатора (т. е. световые лучи проходят через прибор всего один или два раза, а не много-много раз).
Оптическая параметрическая генерация (ОПГ)
[ редактировать ]Оптическая параметрическая генерация (OPG) (также называемая «оптической параметрической флуоресценцией» или « спонтанным параметрическим преобразованием с понижением частоты ») часто предшествует оптическому параметрическому усилению.
При оптической параметрической генерации входным сигналом является один световой луч частоты ω p , а выходным — два световых луча более низких частот ω s и ω i с условием 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 сигнала определяются условием фазового синхронизма, которое изменяется, например, температурой или, в объемной оптике, углом между падающим лучом лазера накачки и оптическими осями кристалла. Таким образом, длины волн сигнала и холостых фотонов можно настроить, изменяя условие фазового синхронизма .
Оптическое параметрическое усиление (OPA)
[ редактировать ]
Выходные лучи при оптической параметрической генерации обычно относительно слабы и имеют относительно разбросанное направление и частоту. Эта проблема решается за счет 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 холостые фотоны обычно движутся коллинеарно через нелинейный оптический кристалл. Согласование фаз необходимо для того, чтобы процесс работал хорошо.
Поскольку длины волн системы OPG+OPA можно изменять (в отличие от большинства лазеров, которые имеют фиксированную длину волны), они используются во многих спектроскопических методах .
В качестве примера OPA, падающий импульс накачки имеет длину волны 800 нм (12500 см). −1 ) выход Ti:сапфирового лазера , причем два выхода, сигнальный и холостой, находятся в ближней инфракрасной области, сумма волновых чисел которых равна 12500 см-1. −1 .
Неколлинеарный ОРА (НОПА)
[ редактировать ]Поскольку большинство нелинейных кристаллов обладают двойным лучепреломлением , лучи, коллинеарные внутри кристалла, могут не быть коллинеарными за его пределами. Фазовые фронты ( волновой вектор ) не указывают в том же направлении, что и поток энергии ( вектор Пойнтинга ) из-за отклонения.
Угол фазового синхронизма делает возможным вообще любое усиление (0-го порядка). В коллинеарной установке свобода выбора центральной длины волны обеспечивает постоянный выигрыш до первого порядка длины волны. Неколлинеарные OPA были разработаны, чтобы иметь дополнительную степень свободы, обеспечивающую 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 (и может перестраиваться в диапазоне 605–750 нм с импульсом менее 10 фс). ширина, позволяющая исследовать сверхбыструю динамику больших молекул [1] ) Это обеспечивает полосу пропускания в 3 раза большую, 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 BBO диаметром 1 мм короткий импульс накачки больше не перекрывается с сигналом. Поэтому усиление чирпированных импульсов необходимо использовать в ситуациях, когда требуется усиление большого усиления в длинных кристаллах. Длинные кристаллы создают настолько сильный чирп , что в любом случае необходим компрессор. Чрезвычайный чирп может удлинить затравочный импульс длительностью 20 фс до 50 пс, что делает его пригодным для использования в качестве насоса. [1] Нечирпированные импульсы высокой энергии длительностью 50 пс можно генерировать 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 автофазовой модуляции в неоновом газе). [2] ). Таким образом, можно выбрать поддиапазон и генерировать довольно короткие импульсы.
Более высокий коэффициент усиления на мм для BBO по сравнению с Ti:Sa и, что более важно, более низкое усиление спонтанного излучения позволяет добиться более высокого общего усиления.Чередование компрессоров и OPA приводит к наклонным импульсам.
Многопроходной ОПА
[ редактировать ]Мультипроход можно использовать для компенсация отклонения и групповой скорости ( дисперсии );постоянная интенсивность с увеличением мощности сигнала означает экспоненциальное возрастание поперечного сечения. Это можно сделать с помощью линз, которые также перефокусируют лучи, чтобы перетяжка луча оказалась 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 опциональной индивидуальной расстройки кристаллов;полное истощение насоса путем смещения насоса и сигнала во времени и пространстве на каждом проходе и подачи одного импульса насоса через все проходы;высокий коэффициент усиления с BBO, поскольку BBO доступен только в небольших размерах. Поскольку направление лучей фиксировано, несколько проходов не могут перекрываться в одном маленьком кристалле, как в усилителе Ti:Sa. Если только не использовать неколлинеарную геометрию и не настроить усиленные лучи на параметрический конус флуоресценции, создаваемый импульсом накачки. [1] [3]
Связь с параметрическими усилителями в электронике
[ редактировать ]Идея параметрического усиления впервые возникла на гораздо более низких частотах: в цепях переменного тока, включая радиочастоту и микроволновую частоту (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 варакторный диод [4] ). 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 различаются. [4]
В оптическом корпусе используется тот же основной принцип — передача энергии от волны на частоте накачки к волнам на сигнальной и холостой частотах — поэтому он получил то же название.
См. также
[ редактировать ]Сноски и ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Ярота, Аркадиуш; Пасторчак, Ева; Тауфик, Валид; Сюэ, Бин; Кания, Рафал; Абрамчик, Галина; Кобаяши, Такаяоши (2019). «Исследование сверхбыстрой динамики производного диарилэтена с использованием лазерных импульсов длительностью менее 10 фс» . Физическая химия Химическая физика . 21 (1): 192–204. дои : 10.1039/C8CP05882B . ISSN 1463-9076 . ПМИД 30516769 . S2CID 54561976 .
- ^ Тауфик, Валид (август 2016 г.). «Достижение источника излучения белого света сверхбыстрых лазерных импульсов с настраиваемой пиковой мощностью с использованием нелинейной автофазовой модуляции в неоновом газе» . Радиационная физика и химия . 125 : 165–170. doi : 10.1016/j.radphyschem.2016.04.006 .
- ^ http://link.aip.org/link/?APPLAB/86/211120/1 Многопроходной чирпируемый импульсный усилитель луковичного типа
- ^ Перейти обратно: а б Дас, Аннапурна; Дас, Сисир К. (18 февраля 2019 г.). Микроволновая техника . Тата МакГроу-Хилл Образование. ISBN 9780074635773 – через Google Книги.
- Бойченко В.Л.; Засавицкий, И.И.; Косичкин Ю.В.; Тарасевич А.П.; Тункин В.Г.; Шотов, А.П. (1984) «Пикосекундный оптический параметрический генератор с усилением излучения перестраиваемого полупроводникового лазера», Советский журнал квантовой электроники 11 (1): 141–143.
- Магнитский С.А.; Малахова, В.И.; Тарасевич А.П.; Тункин В.Г.; Якубович, С.Д. (1986) «Генерация перестраиваемых пикосекундных импульсов с ограниченной полосой пропускания с помощью оптического параметрического генератора с синхронизацией по инжекции», Optics Letters 11 (1): 18–20.