Оптические параметрические генераторы

Принцип действия оптических параметрических генераторов

Оптический параметрический генератор (ОПГ) представляет собой квантово-оптическое устройство, основанное на использовании нелинейных оптических эффектов для генерации когерентного излучения с частотой, отличной от частоты накачки. Основной физический процесс, лежащий в основе работы ОПГ, — это параметрическое расщепление частоты (или параметрическое превращение), при котором фотон накачки с частотой ω_p в нелинейной среде распадается на два фотона с более низкими частотами — сигнальный (ω_s) и сопряжённый или холостой (ω_i), удовлетворяющие законам сохранения энергии и импульса:

ω_p = ω_s + ω_i, k⃗_p = k⃗_s + k⃗_i

Нелинейная среда и условия фазового согласования

Для эффективного протекания параметрических процессов необходима среда с ненулевой второй нелинейной восприимчивостью χ⁽²⁾, чаще всего — кристаллы без центра инверсии (например, LiNbO₃, KTiOPO₄, BBO, LBO). Однако наличие высокой χ⁽²⁾ недостаточно: требуется также выполнение условия фазового согласования, которое обеспечивает когерентное накопление генерируемого сигнального и холостого излучения вдоль длины кристалла. При несовпадении фаз результирующая мощность осциллирует вдоль кристалла и может быть весьма мала.

Методы фазового согласования включают:

Угловое фазовое согласование (билинейное фазосогласование) — за счёт наклона оптической оси кристалла.
Температурное фазовое согласование — за счёт изменения показателя преломления с температурой.
Квазифазовое согласование (QPM) — с использованием периодической инверсии нелинейного коэффициента (например, в поляризованных кристаллах LiNbO₃).

Конструкция оптического параметрического генератора

ОПГ обычно состоит из:

источника накачки (мощный лазер с фиксированной длиной волны),
нелинейного кристалла, в котором реализуется параметрическое взаимодействие,
оптической системы выделения сигнального и холостого пучков (фильтры, призмы, зеркала).

Сигнальное и холостое излучения в ОПГ не усиливаются резонатором — в отличие от оптических параметрических осцилляторов (ОПО), где используются зеркала для образования резонатора на одной из частот. Поэтому ОПГ работает в одноразовом (однопроходном) режиме и требует более высокой мощности накачки, но при этом обладает более высокой стабильностью частоты и временем отклика.

Спектральные характеристики и перестройка

Одним из важнейших достоинств ОПГ является широкая спектральная перестраиваемость излучения. При изменении условий фазового согласования (например, угла, температуры или периодичности доменной структуры) можно плавно изменять длину волны генерируемого сигнального излучения. Типичный диапазон перестройки может покрывать от ультрафиолетовой до средней инфракрасной области, в зависимости от параметров кристалла и частоты накачки.

Например, при накачке на длине волны 532 нм (вторая гармоника Nd:YAG-лазера) с использованием кристалла BBO можно получить сигнальное излучение в диапазоне от 400 до 2000 нм. Холостое излучение в этом случае занимает диапазон от 600 до 3000 нм.

Квантовые свойства генерации

Поскольку параметрическая генерация происходит при сохранении энергии и импульса, между сигнальными и холостыми фотонами существует квантовая корреляция. Это позволяет использовать ОПГ как источник сжатыx состояний света, запутанных фотонных пар и однофотонных источников, особенно в конфигурациях с низкой накачкой (режим спонтанного параметрического рассеяния).

Такое квантовое поведение особенно важно для приложений в квантовой криптографии, квантовой оптике, метрологии и квантовых вычислениях.

Энергетические характеристики и эффективность

Поскольку ОПГ — это устройство без активной среды, усиление здесь отсутствует, и интенсивность генерируемого излучения ограничена эффективностью самого нелинейного взаимодействия. Эффективность генерации η зависит от следующих параметров:

интенсивности накачки I_p,
длины нелинейного кристалла L,
нелинейного коэффициента d,
согласования фаз,
площади сечения пучка.

Максимальная эффективность может быть достигнута только при выполнении точного фазового согласования и высокой концентрации мощности накачки. В практических условиях эффективность преобразования редко превышает 10–20% в одноразовом проходе. Однако применение накачки фемтосекундными импульсами позволяет достичь очень высоких пиковых мощностей и, соответственно, повышенной эффективности даже в компактных устройствах.

Импульсный и непрерывный режимы

ОПГ может работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В импульсном режиме используется короткоимпульсный лазер накачки (наносекундный, пикосекундный или фемтосекундный), что обеспечивает высокую пиковую мощность и улучшенное соотношение сигнал/шум. В непрерывном режиме генерация идёт при постоянной подаче мощности, что важно для приложений, требующих стабильного источника излучения с фиксированной длиной волны.

Преимущества и недостатки по сравнению с другими источниками

Преимущества:

Широкий диапазон перестройки длины волны;
Отсутствие необходимости в активной среде — высокая долговечность;
Возможность генерации когерентного ИК-излучения в области, недоступной обычным лазерам;
Высокая степень квантовой корреляции генерируемых фотонов.

Недостатки:

Зависимость от параметров кристалла и условий фазового согласования;
Относительно низкий КПД по сравнению с лазерами;
Требование высокой мощности накачки;
Сложность в точной настройке на заданную длину волны.

Применения оптических параметрических генераторов

Благодаря своим характеристикам, ОПГ нашли широкое применение в различных областях науки и техники:

Спектроскопия — для анализа веществ в широком спектральном диапазоне, включая средний ИК;
Лазерная медицина — в терапии и диагностике, где требуется специфическая длина волны;
Лазерная химия — в инициировании фотохимических реакций;
Радиофотоника — для генерации когерентного излучения в телекоммуникационном диапазоне;
Квантовые технологии — для генерации запутанных фотонных пар, сжатых состояний, однофотонных импульсов.

Развитие и перспективы

Современные исследования в области ОПГ направлены на:

создание компактных интегральных параметрических генераторов на основе волноводных структур;
повышение эффективности за счёт новых кристаллов и наноструктур;
расширение диапазона перестройки;
синхронизацию с фемтосекундными лазерами для генерации сверхширокополосного излучения.

Перспективы применения ОПГ особенно велики в области квантовых коммуникаций, биоимиджинга, телеметрии, а также в разработке новых лазерных источников для точных измерений и фундаментальных исследований.