光パラメトリック増幅器

光パラメトリック増幅器（略称OPA ）は、光パラメトリック増幅プロセスによって可変波長の光を放射するレーザー光源です。本質的には光パラメトリック発振器と同じですが、光キャビティがありません（つまり、光線は装置を何度も通過するのではなく、1 回か 2 回だけ通過します）。

光パラメトリック生成 (OPG) (「光パラメトリック蛍光」または「自発的パラメトリックダウンコンバージョン」とも呼ばれる) は、多くの場合、光パラメトリック増幅に先行します。

光パラメトリック生成では、入力は周波数 ω _pの 1 つの光線であり、出力はより低い周波数 ω _sと ω _iの 2 つの光線であり、条件は ω _p =ω _s +ω _iです。これらの 2 つの低周波数光線は、それぞれ「シグナル」と「アイドラー」と呼ばれます。

この光放射は、非線形光学原理に基づいています。入射レーザーパルス（ポンプ）の光子は、非線形光学結晶によって、2 つの低エネルギー光子に分割されます。信号光とアイドラー光の波長は、位相整合条件によって決定されます。位相整合条件は、たとえば温度によって、またはバルク光学では、入射ポンプレーザー光線と結晶の光軸の間の角度によって変化します。したがって、信号光とアイドラー光子の波長は、位相整合条件を変更することで調整できます。

光パラメトリック生成における出力ビームは通常、比較的弱く、方向と周波数が比較的広がっています。この問題は、OPG の後の 2 番目のステージとして、 差周波生成とも呼ばれる光パラメトリック増幅 (OPA) を使用することで解決されます。

OPA では、周波数 ω _pと ω _sの2 つの光ビームが入力されます。OPA はポンプ ビーム (ω _p ) を弱め、信号ビーム (ω _{s )}を増幅し、さらに周波数 ω _i ( ω _p =ω _s +ω _{i )}で、いわゆるアイドラー ビームを新たに生成します。

OPA では、ポンプ光子とアイドラー光子は通常、非線形光学結晶内を共線的に移動します。このプロセスが適切に機能するには、位相整合が必要です。

OPG + OPA システムの波長は変更可能であるため (固定波長を持つほとんどのレーザーとは異なり)、多くの分光法で使用されます。

OPAの例として、入射ポンプパルスはTi:サファイアレーザーの800 nm（12500 cm ⁻¹ ）出力であり、シグナルとアイドラーの2つの出力は近赤外領域にあり、その波数の合計は12500 cm ⁻¹に等しくなります。

ほとんどの非線形結晶は複屈折性であるため、結晶内部で共線的であるビームが結晶外部では共線的ではない場合があります。位相面 (波数ベクトル) は、ウォークオフのため、 エネルギー フロー (ポインティング ベクトル)と同じ方向を指しません。

位相整合角により、任意のゲイン（0 次）が可能になります。共線構成では、中心波長を自由に選択できるため、波長の 1 次まで一定のゲインが得られます。非共線 OPA は、追加の自由度を持つように開発され、波長の 2 次まで一定のゲインが得られます。最適なパラメーターは、非共線性 4 度、材料としてβ-ホウ酸バリウム(BBO)、ポンプ波長 400 nm、信号 800 nm 前後（605～750 nm の範囲で 10 fs 未満のパルス幅で調整可能で、巨大分子の超高速ダイナミクスを調査できます^{[1] ）です。これにより、} Ti-サファイア増幅器の 3 倍の帯域幅が生成されます。1 次数は、関係する群速度のいくつかの特性と数学的に同等ですが、これはポンプと信号の群速度が同じであることを意味するものではありません。1 mm BBO を伝搬した後、短いポンプ パルスは信号と重なり合わなくなります。したがって、長い結晶で大きなゲイン増幅が必要な状況では、チャープパルス増幅を使用する必要があります。長い結晶では、非常に大きなチャープが発生するため、いずれにしてもコンプレッサーが必要になります。極端なチャープにより、20 fs のシードパルスが 50 ps まで長くなり、ポンプとしての使用に適したものになります。^[1] 希土類ベースのレーザーでは、高エネルギーのチャープのない 50 ps パルスを生成できます。

光パラメトリック増幅器は、α増幅器よりも広い帯域幅を持ち、α増幅器は、1オクターブ幅の白色光生成（例えば、ネオンガス中の非線形自己位相変調を使用^[2]）のため、光パラメトリック発振器よりも広い帯域幅を持っています。したがって、サブバンドを選択でき、かなり短いパルスを生成することができます。

BBO は Ti:Sa に比べて 1 mm あたりのゲインが高く、さらに重要な点として、増幅された自然放出光が低いため、全体的なゲインが高くなります。コンプレッサーと OPA をインターレースすると、傾斜したパルスが発生します。

マルチパスはウォークオフと群速度（分散）補償に使用できます。信号電力の増加に伴う強度の一定化は、指数関数的に増加する断面積を意味します。これはレンズによって実行でき、レンズはビームを再フォーカスして結晶内にビームウェストを配置します。信号に比例してポンプ電力を増加させ、ポンプを信号のパスに分割することで OPG を低減します。アイドラーをダンプし、必要に応じて結晶を個別にデチューンすることで広帯域増幅を実現します。パスごとにポンプと信号を時間と空間でオフセットし、1 つのポンプパルスをすべてのパスに供給することで、ポンプを完全に除去します。BBO は小さな寸法でしか使用できないため、BBO で高ゲインを実現します。ビームの方向は固定されているため、Ti:Sa 増幅器のように複数のパスを 1 つの小さな結晶に重ねることはできません。非共線ジオメトリを使用し、ポンプパルスによって生成されるパラメトリック蛍光コーンに増幅ビームを調整しない限りは。^{[1] [3]}

パラメトリック増幅の考え方は、はるかに低い周波数、つまり無線周波数やマイクロ波周波数を含む AC 回路で最初に生まれました (初期の研究では、音波も研究されていました)。これらのアプリケーションでは、通常、周波数fの強力なポンプ信号 (または「局部発振器」) が、周波数f _sの弱い「信号」波によってパラメータが変調される回路要素を通過します(たとえば、信号はバラクタ ダイオードの静電容量を変調する場合があります^[4] )。その結果、局部発振器のエネルギーの一部が信号周波数f _sと、差 (「アイドラー」) 周波数f - f _{sに転送されます。}パラメトリック増幅器という用語は、回路のパラメータが変化するため使用されます。 ^[4]

光学的なケースでは、同じ基本原理（ポンプ周波数の波から信号周波数とアイドラー周波数の波にエネルギーを転送する）が使用されているため、同じ名前が付けられました。

• 光パラメトリック発振器
• SU(1,1)干渉法

• Boichenko, VL; Zasavitskii, II; Kosichkin, Yu.V.; Tarasevich, AP; Tunkin, VG; Shotov, AP (1984)「可変半導体レーザー放射の増幅機能を備えたピコ秒光パラメトリック発振器」、Soviet Journal of Quantum Electronics 11 (1): 141–143。
• Magnitskii, SA; Malakhova, VI; Tarasevich, AP; Tunkin, VG; Yakubovich, SD (1986)「注入同期光パラメトリック発振器による帯域幅制限のある可変ピコ秒パルスの生成」、Optics Letters 11 (1): 18–20。

• NOPAと群速度
• 写真に映る虹