Un amplificador paramétrico óptico , abreviado OPA , es una fuente de luz láser que emite luz de longitudes de onda variables mediante un proceso de amplificación paramétrica óptica . Es esencialmente lo mismo que un oscilador paramétrico óptico , pero sin la cavidad óptica (es decir, los rayos de luz atraviesan el aparato solo una o dos veces, en lugar de muchas, muchas veces).
Generación óptica paramétrica (OPG)
La generación paramétrica óptica (OPG) (también llamada "fluorescencia paramétrica óptica" o " conversión descendente paramétrica espontánea ") a menudo precede a la amplificación paramétrica óptica.
En la generación paramétrica óptica , la entrada es un haz de luz de frecuencia ω p , y la salida son dos haces de luz de frecuencias más bajas ω sy ω i , con el requisito ω p = ω s + ω i . Estos dos haces de baja frecuencia se denominan "señal" y "inactivo", respectivamente.
Esta emisión de luz se basa en el principio óptico no lineal . El fotón de un pulso láser incidente (bomba) se divide, mediante un cristal óptico no lineal, en dos fotones de menor energía. Las longitudes de onda de la señal y el loco están determinadas por la condición de adaptación de fase, que se cambia, por ejemplo, por la temperatura o, en la óptica general, por el ángulo entre el rayo láser de la bomba incidente y los ejes ópticos del cristal. Por lo tanto, las longitudes de onda de la señal y los fotones inactivos se pueden sintonizar cambiando la condición de adaptación de fase .
Amplificación paramétrica óptica (OPA)
Los haces de salida en la generación paramétrica óptica suelen ser relativamente débiles y tienen una dirección y frecuencia relativamente dispersas. Este problema se resuelve utilizando amplificación paramétrica óptica (OPA), también llamada generación de frecuencia diferencial , como una segunda etapa después de la OPG.
En una OPA, la entrada son dos haces de luz, de frecuencia ω py ω s . El OPA hará que el rayo de la bomba (ω p ) sea más débil, y amplificará el rayo de señal (ω s ), y también creará un nuevo llamado rayo loco a la frecuencia ω i con ω p = ω s + ω i .
En el OPA, la bomba y los fotones inactivos generalmente viajan colinealmente a través de un cristal óptico no lineal. La coincidencia de fases es necesaria para que el proceso funcione bien.
Debido a que las longitudes de onda de un sistema OPG + OPA se pueden variar (a diferencia de la mayoría de los láseres que tienen una longitud de onda fija), se utilizan en muchos métodos espectroscópicos .
Como ejemplo de OPA, el pulso de bomba incidente es la salida de 800 nm (12500 cm −1 ) de un láser Ti: zafiro , y las dos salidas, la señal y el inactivo, están en la región del infrarrojo cercano, la suma del número de onda. de los cuales es igual a 12500 cm −1 .
OPA no colineal (NOPA)
Debido a que la mayoría de los cristales no lineales son birrefringentes , los haces que son colineales dentro de un cristal pueden no ser colineales fuera de él. Los frentes de fase ( vector de onda ) no apuntan en la misma dirección que el flujo de energía ( vector de Poynting ) debido a la salida.
El ángulo de coincidencia de fase hace posible cualquier ganancia (orden 0). En una configuración colineal, la libertad de elegir la longitud de onda central permite una ganancia constante hasta el primer orden en la longitud de onda. Los OPA no colineales se desarrollaron para tener un grado adicional de libertad, lo que permite una ganancia constante hasta el segundo orden en la longitud de onda. Los parámetros óptimos son 4 grados de no colinealidad, β-borato de bario (BBO) como material, una longitud de onda de bomba de 400 nm y una señal de alrededor de 800 nm. Esto genera un ancho de banda 3 veces mayor que el de un amplificador de zafiro-Ti . El primer orden es matemáticamente equivalente a algunas propiedades de las velocidades de grupo involucradas, pero esto no significa que la bomba y la señal tengan la misma velocidad de grupo. Después de la propagación a través de BBO de 1 mm, un pulso de bomba corto ya no se superpone con la señal. Por lo tanto, la amplificación de pulso con chirrido debe usarse en situaciones que requieran una gran amplificación de ganancia en cristales largos. Los cristales largos introducen un chirrido tan grande que de todos modos se necesita un compresor. Un chirrido extremo puede alargar un pulso de semilla de 20 fs a 50 ps, lo que lo hace adecuado para su uso como bomba. Se pueden generar pulsos de 50 ps sin chirridos con alta energía a partir de láseres basados en tierras raras.
El amplificador paramétrico óptico tiene un ancho de banda más amplio que un amplificador, que a su vez tiene un ancho de banda más amplio que un oscilador paramétrico óptico debido a la generación de luz blanca de incluso una octava de ancho. Por lo tanto, se puede seleccionar una subbanda y todavía se pueden generar pulsos bastante cortos.
La mayor ganancia por mm para BBO en comparación con Ti: Sa y, lo que es más importante, la menor emisión espontánea amplificada permite una mayor ganancia general. El entrelazado de compresores y OPA conduce a pulsos inclinados.
OPA multipaso
El multipaso se puede utilizar para la compensación ( dispersión ) de la velocidad del grupo y de la marcha ; Intensidad constante con potencia de señal creciente significa tener una sección transversal ascendente exponencial. Esto se puede hacer por medio de lentes, que también reenfocan los rayos para tener la cintura del rayo en el cristal; reducción de OPG aumentando la potencia de la bomba proporcional a la señal y dividiendo la bomba a través de los pasos de la señal; amplificación de banda ancha volcando la rueda loca y opcionalmente desafinando individualmente los cristales; agotamiento completo de la bomba compensando la bomba y la señal en tiempo y espacio en cada pasada y alimentando un pulso de bomba en todas las pasadas; alta ganancia con BBO, ya que BBO solo está disponible en pequeñas dimensiones. Dado que la dirección de los rayos es fija, no se pueden superponer varias pasadas en un solo cristal pequeño como en un amplificador Ti: Sa. A menos que se utilice una geometría no lineal y se ajusten los haces amplificados al cono de fluorescencia paramétrico producido por el pulso de la bomba. [1]
Relación con amplificadores paramétricos en electrónica
La idea de la amplificación paramétrica surgió por primera vez en frecuencias mucho más bajas: circuitos de CA, incluidas la frecuencia de radio y la frecuencia de microondas (en las primeras investigaciones, también se estudiaron las ondas sonoras). En estas aplicaciones, normalmente una señal de bombeo fuerte (u "oscilador local") a la frecuencia f pasa a través de un elemento del circuito cuyos parámetros están modulados por la onda de "señal" débil a la frecuencia f s (por ejemplo, la señal podría modular la capacitancia de un diodo varactor [2] ). El resultado es que parte de la energía del oscilador local se transfiere a la frecuencia de señal f s , así como a la frecuencia de diferencia ("inactiva") f - f s . El término amplificador paramétrico se utiliza porque los parámetros del circuito varían. [2]
La carcasa óptica utiliza el mismo principio básico: transferir energía de una onda a la frecuencia de bombeo a ondas en la señal y frecuencias inactivas, por lo que tomó el mismo nombre.
Ver también
Notas al pie y referencias
- ^ http://link.aip.org/link/?APPLAB/86/211120/1 Amplificador de pulso chirrido tipo arco multipaso
- ^ a b Das, Annapurna; Das, Sisir K. (18 de febrero de 2019). "Ingeniería de microondas" . Educación de Tata McGraw-Hill: a través de Google Books.
1. Boichenko, VL; Zasavitskii, II; Kosichkin, Yu.V .; Tarasevich, AP; Tunkin, VG; Shotov, AP (1984). "Un oscilador paramétrico óptico de picosegundos con amplificación de la radiación láser semiconductora sintonizable". Sov. J. Quant. Electrónica 11 (1): 141–143. 2. Magnitskii, SA; Malakhova, VI; Tarasevich, AP; Tunkin, VG; Yakubovich, SD (1986). "Generación de pulsos de picosegundos sintonizables de ancho de banda limitado por oscilador paramétrico óptico bloqueado por inyección". Optics Letters 11 (1): 18-20.