amplificador paramétrico óptico

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 haces de luz pasan a través del aparato solo una o dos veces, en lugar de muchas veces).

Generación paramétrica óptica (OPG)

La generación paramétrica óptica (OPG) (también llamada "fluorescencia paramétrica óptica" o " conversión descendente paramétrica espontánea ") suele preceder a la amplificación paramétrica óptica.

En la generación paramétrica óptica , la entrada es un haz de luz de frecuencia ωp _, y la salida son dos haces de luz de frecuencias más bajas ωs _y ωi _, con el requisito ωp ₌ ωs ₊ ωi _. Estos dos haces de menor frecuencia se denominan, respectivamente, "señal" e "idler".

Esta emisión de luz se basa en el principio de la óptica 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 idler están determinadas por la condición de adaptación de fase, que se modifica, por ejemplo, con la temperatura o, en óptica volumétrica, con el ángulo entre el rayo láser de bombeo incidente y los ejes ópticos del cristal. Por lo tanto, las longitudes de onda de los fotones de señal e idler pueden ajustarse modificando la condición de adaptación de fase .

Amplificación paramétrica óptica (OPA)

Los haces de salida en la generación paramétrica óptica suelen ser relativamente débiles y presentan una dispersión direccional y de frecuencia considerable. Este problema se resuelve mediante la amplificación paramétrica óptica (OPA), también conocida como generación de frecuencia diferencial , como segunda etapa tras la OPG.

En un OPA, la entrada son dos haces de luz, de frecuencia ω _p y ω _s . El OPA hará que el haz de bombeo (ω _p ) sea más débil y amplificará el haz de señal (ω _s ), y también creará un nuevo haz, llamado haz idler, a la frecuencia ω _i con ω _p =ω _s +ω _i .

En el OPA, los fotones de bombeo e idler suelen viajar de forma colineal a través de un cristal óptico no lineal. Para que el proceso funcione correctamente, es necesario un ajuste de fase .

Debido a que las longitudes de onda de un sistema OPG+OPA 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 Ti:zafiro , y las dos salidas, señal e idler, están en la región del infrarrojo cercano, cuya suma de números de onda 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 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 adaptación de fase permite 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 de libertad adicional, permitiendo una ganancia constante hasta el segundo orden en la 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 alrededor de 800 nm (y puede ser sintonizable en el rango de 605-750 nm con un ancho de pulso inferior a 10 fs, lo 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 propagarse a través de 1 mm de BBO, un pulso de bombeo corto ya no se superpone con la señal. Por lo tanto, la amplificación de pulsos modulados en frecuencia debe utilizarse en situaciones que requieren una gran amplificación de ganancia en cristales largos. Los cristales largos introducen una modulación de frecuencia tan grande que, de todos modos, se necesita un compresor. Una modulación de frecuencia extrema puede alargar un pulso semilla de 20 fs a 50 ps, lo que lo hace adecuado para su uso como bombeo. ^{[ 1 ]} Se pueden generar pulsos de 50 ps sin modulación de frecuencia con alta energía a partir de láseres basados en tierras raras.

El amplificador paramétrico óptico tiene un ancho de banda mayor que un amplificador, el cual a su vez tiene un ancho de banda mayor que un oscilador paramétrico óptico debido a la generación de luz blanca, incluso con un ancho de banda de una octava (por ejemplo, mediante la automodulación de fase no lineal en gas neón ^{[ 2 ]} ). Por lo tanto, se puede seleccionar una subbanda y aún así generar pulsos relativamente cortos.

La mayor ganancia por mm del BBO en comparación con el Ti:Sa y, lo que es más importante, la menor emisión espontánea amplificada, permiten una mayor ganancia general. El entrelazado de compresores y OPA produce pulsos inclinados.

OPA multipaso

El multipaso se puede utilizar para la compensación de la desviación y la velocidad de grupo ( dispersión ); la intensidad constante con el aumento de la potencia de la señal implica tener una sección transversal de aumento exponencial. Esto se puede lograr mediante lentes, que también reenfocan los haces para que el punto de corte del haz se encuentre en el cristal; reducción de OPG aumentando la potencia de bombeo proporcional a la señal y dividiendo el bombeo entre los pasos de la señal; amplificación de banda ancha eliminando el idler y, opcionalmente, desintonizando individualmente los cristales; agotamiento completo del bombeo desplazando 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 dimensiones pequeñas. Dado que la dirección de los haces es fija, no se pueden superponer múltiples pasos en un solo cristal pequeño como en un amplificador Ti:Sa. A menos que se utilice geometría no colineal y se ajusten los haces amplificados al cono de fluorescencia paramétrico producido por el pulso de bombeo. ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]}

Relación con los amplificadores paramétricos en electrónica

La idea de la amplificación paramétrica surgió inicialmente en frecuencias mucho más bajas: circuitos de corriente alterna, incluyendo radiofrecuencia y microondas (en las primeras investigaciones, también se estudiaron ondas sonoras). En estas aplicaciones, una señal de bombeo intensa (u " oscilador local ") a frecuencia f pasa a través de un elemento de circuito cuyos parámetros son modulados por una 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 la señal f _s , así como a la frecuencia diferencial ("idler") f - f _s . El término amplificador paramétrico se utiliza porque los parámetros del circuito varían. ^{[ 4 ]}

El caso óptico utiliza el mismo principio básico: transferir energía de una onda a la frecuencia de bombeo a ondas a las frecuencias de señal e idler; por lo tanto, adoptó el mismo nombre.

Véase también

Notas a pie de página y referencias

1 2 3 Jarota, Arkadiusz; Pastorczak, Ewa; Tawfik, Walid; Xue, Bing; Kania, Rafał; Abramczyk, Halina ; Kobayashi, Takayoshi (2019). "Explorando la dinámica ultrarrápida de un derivado de diarileteno usando pulsos láser sub-10 fs" . Physical Chemistry Chemical Physics . 21 (1): 192– 204. Bibcode : 2019PCCP...21..192J . doi : 10.1039/C8CP05882B . ISSN 1463-9076 . PMID 30516769 . S2CID 54561976 .
↑ Tawfik, Walid (agosto de 2016). "Lograr una fuente de radiación de luz blanca de pulsos láser ultrarrápidos con potencia pico ajustable mediante automodulación de fase no lineal en gas neón" . Radiation Physics and Chemistry . 125 : 165–170 . Bibcode : 2016RaPC..125..165T . doi : 10.1016/j.radphyschem.2016.04.006 .
↑ http://link.aip.org/link/?APPLAB/86/211120/1 Archivado el 3 de marzo de 2016 en Wayback Machine Amplificador de pulso chirriado de tipo arco multipaso
1 2 Das, Annapurna; Das, Sisir K. (18 de febrero de 2019). Ingeniería de microondas . Tata McGraw-Hill Education. ISBN 9780074635773– vía Google Libros.

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