Оптические параметрические усилители

Оптические параметрические усилители (ОПУ, англ. Optical Parametric Amplifiers, OPA) являются одним из ключевых инструментов современной ультракороткоимпульсной и аттосекундной физики. Их работа основана на нелинейных процессах в кристаллах с отсутствием центра симметрии, где происходит параметрическое взаимодействие трёх волн: накачки, сигнальной и холостой (idler). В отличие от традиционных лазерных усилителей, ОПУ не зависят от энергетических уровней активной среды, что позволяет генерировать излучение в широком спектральном диапазоне — от ближнего ультрафиолета до среднего инфракрасного диапазона.

Ключевым процессом является параметрическое преобразование частоты, при котором фотон высокой энергии (накачка) «распадается» на два кванта меньшей энергии. Одновременно обеспечивается усиление слабого входного сигнала за счёт энергии накачки.

Уравнение энергосохранения и фазовое согласование

Основное условие взаимодействия волн в нелинейном кристалле задаётся законом сохранения энергии:

ωp = ωs + ωi,

где ωp — частота накачки, ωs — сигнальная частота, ωi — частота холостой волны.

Не менее важным является условие фазового согласования, обеспечивающее когерентное накопление амплитуды:

k⃗p = k⃗s + k⃗i,

где k⃗ — волновые векторы соответствующих волн.

Фазовое согласование может быть реализовано двумя основными методами:

  • угловое согласование (critical phase matching), когда направление распространения накачки подбирается относительно оптической оси кристалла;
  • квазифазовое согласование (quasi-phase matching, QPM), основанное на периодической поляризационной модуляции нелинейного кристалла (например, в периодически поляризованных кристаллах LiNbO₃).

Важные нелинейные кристаллы

Выбор кристалла определяет рабочий диапазон длин волн и эффективность усиления. Наиболее часто применяются:

  • BBO (β-BaB₂O₄) — широкий спектральный диапазон прозрачности, высокая устойчивость к интенсивному излучению, используется для усиления в ближнем ИК.
  • LBO (LiB₃O₅) — высокая пороговая стойкость к повреждениям, удобен для генерации в видимом и ближнем УФ.
  • KDP и DKDP (K(H/D)₂PO₄) — крупные кристаллы для высокоэнергетических систем.
  • LiNbO₃ (литий-ниобат) — благодаря возможности квазифазового согласования используется в среднем ИК диапазоне.

Режимы работы и характеристики

Оптические параметрические усилители могут работать в различных конфигурациях:

  • ОПУ с затравкой (OPA) — когда вводится слабый сигнальный импульс, который усиливается за счёт накачки.
  • ОПГ (оптический параметрический генератор, OPG) — генерация сигнальной и холостой волн при отсутствии затравки.
  • ОПО (оптический параметрический осциллятор, OPO) — комбинация ОПУ с резонатором для обеспечения самоподдерживающегося генерационного процесса.

Ключевые характеристики усилителей:

  • широкополосность — способность усиливать импульсы длительностью вплоть до нескольких фемтосекунд;
  • настраиваемость — возможность варьировать выходную длину волны за счёт геометрии фазового согласования;
  • высокое усиление — коэффициенты усиления могут достигать 106 и выше;
  • низкий уровень шумов — при условии использования затравочного импульса.

ОПУ в аттосекундной физике

Оптические параметрические усилители стали ключевыми элементами в создании источников сверхкоротких импульсов. В сочетании с лазерами на Ti:Sa (титан-сапфир) они позволяют:

  • расширять спектральный диапазон до среднего ИК (2–10 мкм), что критически важно для генерации высоких гармоник (HHG);
  • формировать импульсы длительностью менее 10 фс, что открывает возможность наблюдать и управлять электронными процессами в атомах и молекулах;
  • управлять фазой несущей (carrier-envelope phase, CEP), что особенно важно при генерации излучения с субфемтосекундными масштабами.

Технологические аспекты реализации

Для работы ОПУ требуется синхронизация накачки и сигнального импульса с точностью до десятков фемтосекунд. Этого достигают с помощью оптических задержек и систем стабилизации.

Управление спектральными и временными характеристиками осуществляется посредством:

  • дисперсионной компенсации (системы призменных или зеркальных компрессоров),
  • адаптивных фазовых модуляторов,
  • нелинейных фильтров.

Современные схемы усилителей включают многоступенчатую архитектуру: слабый импульс усиливается в каскадах, при этом каждый следующий каскад увеличивает энергию, сохраняя ультракороткую длительность.

Перспективы развития

Развитие оптических параметрических усилителей направлено на:

  • получение мощных аттосекундных импульсов в рентгеновском диапазоне через HHG в газах и твёрдых телах;
  • расширение диапазона до дальнего ИК для исследования электронных корреляций;
  • миниатюризацию и интеграцию ОПУ в компактные лазерные системы для прикладных задач спектроскопии и биомедицины.
Оглавление