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 pasan a través del aparato solo una o dos veces, en lugar de muchas, muchas veces).
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 s y ω i , con el requisito ω p =ω s +ω i . Estos dos haces de frecuencia más baja se denominan "señal" y "receptor", respectivamente.
Esta emisión de luz se basa en el principio óptico no lineal . El fotón de un pulso láser incidente (bombeo) se divide, mediante un cristal óptico no lineal, en dos fotones de menor energía. Las longitudes de onda de la señal y del fotones inactivos están determinadas por la condición de coincidencia de fase, que cambia, por ejemplo, por la temperatura o, en la óptica en masa, por el ángulo entre el rayo láser de bombeo incidente y los ejes ópticos del cristal. Por lo tanto, las longitudes de onda de la señal y de los fotones inactivos se pueden ajustar modificando la condición de coincidencia de fase .
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Los haces de salida en la generación paramétrica óptica suelen ser relativamente débiles y tienen una dirección y una frecuencia relativamente dispersas. Este problema se soluciona utilizando la amplificación paramétrica óptica (OPA), también llamada generación de frecuencia diferencial , como segunda etapa después de la OPG.
En un OPA, la entrada son dos haces de luz, de frecuencia ω p y ω s . El OPA debilitará el haz de bombeo (ω p ) y amplificará el haz de señal (ω s ), y también creará un nuevo haz, llamado haz inactivo, en la frecuencia ω i con ω p =ω s +ω i .
En la OPA, los fotones de bombeo y de reposo suelen viajar de forma colineal a través de un cristal óptico no lineal. Para que el proceso funcione bien, es necesario que haya coincidencia de fases .
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 bombeo incidente es la salida de 800 nm (12500 cm −1 ) de un láser de zafiro Ti , y las dos salidas, señal e inactiva, están en la región del infrarrojo cercano, cuya suma del número de onda es igual a 12500 cm −1 .
Debido a que la mayoría de los cristales no lineales son birrefringentes , los haces que son colineales dentro de un cristal pueden no serlo 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 al desfase.
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 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 longitud de onda. Los parámetros óptimos son 4 grados de no colinealidad, borato de β-bario (BBO) como material, una longitud de onda de bombeo de 400 nm y una señal de alrededor de 800 nm (y puede ajustarse en el rango de 605-750 nm con un ancho de pulso inferior a 10 fs que permite explorar la dinámica ultrarrápida de moléculas grandes [1] ). Esto genera un ancho de banda 3 veces mayor que el de un amplificador de zafiro de titanio . El primer orden es matemáticamente equivalente a algunas propiedades de las velocidades de grupo involucradas, pero esto no significa que el bombeo y la señal tengan la misma velocidad de grupo. Después de la propagación a través de BBO de 1 mm, un pulso de bombeo corto ya no se superpone con la señal. Por lo tanto, la amplificación de pulsos con chirrido debe utilizarse en situaciones que requieren una amplificación de gran 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 semilla de 20 fs a 50 ps, lo que lo hace adecuado para su uso como bomba. [1] Se pueden generar pulsos de 50 ps sin chirrido con alta energía a partir de láseres basados en tierras raras.
El amplificador paramétrico óptico tiene un ancho de banda mayor que un amplificador α, que a su vez tiene un ancho de banda mayor que un oscilador paramétrico óptico debido a la generación de luz blanca incluso de una octava de ancho (por ejemplo, utilizando modulación de fase propia no lineal en gas neón [2] ). Por lo tanto, se puede seleccionar una subbanda y aún se pueden generar pulsos bastante cortos.
La mayor ganancia por mm del BBO en comparación con el Ti:Sa y, lo que es más importante, la emisión espontánea amplificada más baja permiten una mayor ganancia general. El entrelazado de compresores y OPA produce pulsos inclinados.
El multipaso se puede utilizar para compensar la velocidad de grupo ( dispersión ) y el desplazamiento ; la intensidad constante con una potencia de señal creciente significa tener una sección transversal exponencialmente creciente. Esto se puede hacer por medio de lentes, que también reenfocan los haces para que la cintura del haz en el cristal; reducción de OPG aumentando la potencia de bombeo proporcional a la señal y dividiendo el bombeo en los pasos de la señal; amplificación de banda ancha mediante el descarte del inactivo y, opcionalmente, desafinando individualmente los cristales; agotamiento completo del bombeo compensando el bombeo y la señal en el tiempo y el espacio en cada paso y alimentando un pulso de bombeo a través de todos los pasos; alta ganancia con BBO, ya que BBO solo está disponible en pequeñas dimensiones. Dado que la dirección de los haces es fija, no se pueden superponer múltiples pases en un solo cristal pequeño como en un amplificador Ti:Sa. A menos que se utilice una geometría no colineal y se ajusten los haces amplificados sobre el cono de fluorescencia paramétrico producido por el pulso de bombeo. [1] [3]
La idea de la amplificación paramétrica surgió por primera vez a frecuencias mucho más bajas: circuitos de corriente alterna, incluyendo radiofrecuencia y frecuencia de microondas (en las primeras investigaciones, también se estudiaron ondas sonoras). En estas aplicaciones, normalmente una señal de bombeo fuerte (u "oscilador local") a frecuencia f pasa a través de un elemento de circuito cuyos parámetros son modulados por la onda de "señal" débil a frecuencia f s (por ejemplo, la señal podría modular la capacitancia de un diodo varactor [4] ). 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. [4]
La caja óptica utiliza el mismo principio básico (transferir energía desde una onda en la frecuencia de bombeo a ondas en las frecuencias de señal y de reposo), por lo que tomó el mismo nombre.