Un amplificador óptico paramétrico , abreviado OPA , es una fuente de luz láser que emite luz de longitudes de onda variables mediante un proceso de amplificación óptica paramétrica . Es esencialmente lo mismo que un oscilador óptico paramétrico , pero sin la cavidad óptica (es decir, los rayos de luz pasan a través del aparato sólo una o dos veces, en lugar de 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 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 del inactivo están determinadas por la condición de adaptación de fases, que cambia, por ejemplo, por la temperatura o, en óptica masiva, por el ángulo entre el rayo láser de 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 coincidencia de fase .
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Los haces de salida en la generación óptica paramétrica 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 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 bomba (ω p ) y amplificará el haz de señal (ω s ), y también creará un nuevo haz, llamado haz loco, a la frecuencia ω i con ω p =ω s +ω i .
En el OPA, los fotones de bomba y los fotones inactivos generalmente viajan colinealmente a través de un cristal óptico no lineal. Es necesaria la coincidencia de fases 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 de Ti:zafiro , y las dos salidas, señal e inactiva, están en la región del infrarrojo cercano, la suma del número de onda. de los cuales 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 alejamiento.
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, permitiendo una ganancia constante hasta el segundo orden en 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 (y puede sintonizarse en el rango de 605 a 750 nm con un pulso inferior a 10 fs). ancho 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 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 bombeo corto ya no se superpone con la señal. Por lo tanto, la amplificación del pulso chirriado debe usarse en situaciones que requieran una gran amplificación de ganancia en cristales largos. Los cristales largos producen 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. [1] Se pueden generar pulsos sin chirrido de 50 ps con alta energía a partir de láseres basados en tierras raras.
El amplificador óptico paramétrico tiene un ancho de banda más amplio que un amplificador, que a su vez tiene un ancho de banda más amplio que un oscilador óptico paramétrico debido a la generación de luz blanca incluso de una octava de ancho (por ejemplo, usando modulación de fase propia no lineal en gas neón [2] ). Por lo tanto, se puede seleccionar una subbanda y aún se pueden generar impulsos 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 provoca pulsos inclinados.
El multipaso se puede utilizar para compensación de velocidad ( dispersión ) de grupo y de salida; Una intensidad constante con una potencia de señal creciente significa tener una sección transversal ascendente exponencial. Esto se puede hacer por medio de lentes, que también reenfocan los haces para tener la cintura del haz en el cristal; reducción de OPG aumentando la potencia de la bomba proporcional a la señal y dividiendo la bomba a lo largo de los pasos de la señal; amplificación de banda ancha al deshacerse del idler y, opcionalmente, desafinar individualmente los cristales; agotamiento completo de la bomba compensando la bomba y la señal en el tiempo y el espacio en cada paso y alimentando un pulso de bomba a través de todos los pasos; alta ganancia con BBO, ya que BBO sólo está disponible en pequeñas dimensiones. Dado que la dirección de los haces es fija, no se pueden superponer múltiples pasadas en un solo cristal pequeño como en un amplificador Ti:Sa. A menos que se utilice una geometría no colineal y se ajusten haces amplificados en el cono de fluorescencia paramétrico producido por el pulso de la bomba. [1] [3]
La idea de la amplificación paramétrica surgió por primera vez en frecuencias mucho más bajas: circuitos de CA, incluidas las frecuencias de radio y 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 de 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 [4] ). El resultado es que parte de la energía del oscilador local se transfiere a la frecuencia de la señal f s , así como a la frecuencia diferencial ("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 de una onda en la frecuencia de bombeo a ondas en la señal y en las frecuencias inactivas, por lo que tomó el mismo nombre.