Параметрическое усиление света

Параметрическое усиление света — это усиление входного (сигнального) светового пучка в присутствии более высокочастотной волны накачки в нелинейно-оптической среде с одновременным образованием холостой волны.

Введение

Существует множество оптических сред, позволяющих усиливать лазерное излучение (Nd:YAG, Er:YAG, Nd:YLF и т. д.). Однако, зачастую, спектр лазерного излучения не попадает в спектральную ширину полосы усиления ни одной из существующих усилительных сред, и, таким образом, его усиление становится невозможным. Также существует проблема контраста усиленного излучения. Так как в обычных лазерных средах время накачки значительно больше длительности усиливаемого лазерного импульса, при его усилении будет усиливаться и шум за «крыльями» распределения, что в свою очередь повлияет на длительность и качество выходного усиленного импульса.

Решение этих проблем было найдено в параметрическом усилении излучения, то есть возможности усиления лазерного излучения посредством использования нелинейно-оптических сред. При падении на нелинейную оптическую среду излучения накачки с частотой   (волна накачки) а также излучения с частотой  , которое нужно усилить (сигнальная волна), энергия излучения накачки будет распределяться между сигнальной волной и возникающей (в соответствии с законом сохранения энергии) холостой волной с частотой  . Для получения этого эффекта необходимо выполнение двух условий:

  1. Частоты должны быть связаны между собой соотношением:

 

  1. Должно быть выполнено условие фазового синхронизма:

 

При этом волну накачки можно подавать в нелинейно-оптическую среду непосредственно в тот же момент, что и сигнальную волну. Это дает возможность обеспечить усилительную систему высоким контрастом.

Также стоит отметить, что при параметрическом усилении достигается достаточно большой коэффициент усиления на проход (~104), что также делает этот способ усиления эффективным.

История открытия параметрического усиления

Явление параметрического усиления света было теоретически предсказано в 1962 г. Кроллом[1], Ахмановым и Хохловым[2], Кингстоном[3] и др. Экспериментально его наблюдали в 1965 г. Ванг и Рейсетт[4], Ахманов[5], Джордмейн и Миллер[6] и др. Было обнаружено, что в основе этого явления лежит воздействие оптической среды с нелинейными свойствами (например, кристаллов KDP или LiNbO3), которая возбуждается мощной световой волной, называемой волной накачки, на две или большее число световых волн при их распространении в этой среде. При параметрическом возбуждении интенсивный световой пучок вызывает модуляцию параметров, определяющих развитие других связанных колебаний в системе. В этом процессе правило суперпозиции колебаний не выполняется.

Теоретическое описание параметрического усиления

Рассмотрим параметрическое усиление в одноосном нелинейном кристалле при неколлинеарном взаимодействии(рис. 1).

Пусть на входе в нелинейный кристалл имеется мощное излучение с некоторой высокой частотой   (волна накачки) и слабое излучение с частотой   (сигнальная волна). Тогда, если выполняется условие фазового синхронизма  , то обе волны, сигнальная и холостая, будут усиливаться за счет накачки. Процесс параметрического усиления описывается системой уравнений для трех связанных амплитуд:

 

Рассмотрим данное нелинейное взаимодействие в приближении заданной амплитуды накачки ( ). Тогда останется система из двух уравнений:

 

где  - коэффициенты нелинейной связи,   — эффективная нелинейная восприимчивость.

Решением этой системы дифференциальных уравнений является:

 ,

где  - граничные условия,   — коэффициент усиления.

Проанализировав полученный результат при отсутствии холостой волны на входе ( ) и при выполненном условии  , получим следующие выражения для связанных амплитуд сигнальной и холостой волн:

 

Таким образом, видно, что происходит усиление как холостой, так и сигнальной волн. Данный эффект проиллюстрирован на рис. 2.

Стоит отметить, что при увеличении интенсивности волны накачки будет происходить эффект пространственного захвата параметрически усиливаемых световых волн[7]. При этом максимум интенсивности сигнальной волны будет смещаться в сторону волны накачки (рис. 1).

Параметрическое усиление чирпированных импульсов

Усиление чирпированных лазерных импульсов с помощью параметрического усилителя[8] (OPCPA — optical parametric chirped pulse amplification) имеет принципиально такую же схему, что и при усилении в обычных лазерных средах с накопленной инверсией населенностей. Перед усилением ультракороткий импульс фемтосекундной длительности попадает на оптическую систему стретчер, на выходе которого получается спектрально-упорядоченный импульс с длительностью порядка единиц наносекунд. Отличие заключается лишь в том, что далее импульс попадает в параметрический усилитель (OPA -optical parametric amplification), особенности которого описаны выше.

Уникальная особенность OPA для усиления фазомодулированных импульсов впервые была экспериментально продемонстрирована Пискарсом[9] в 1986. Было показано, что фазовая модуляция, изначально заданная для импульса сигнала, не сильно искажается в процессе усиления, если собственная полоса усиления OPA больше спектральной ширины сигнала. Также было продемонстрировано, что частотный чирп в импульсе холостого волны является обращенным, то есть импульс сигнала и холостая волна являются сопряженными.

В течение последнего десятилетия OPCPA стала привлекательной альтернативой классической технологии усиления чирпированных импульсов, и все больше нарастает интерес к разработке сверхкоротких импульсных лазерных систем высокой пиковой мощности для нужд современной науки.

Лазерные системы петаваттного уровня мощности на принципе чисто параметрического усиления чирпированного импульса были впервые созданы в Институте прикладной физики РАН[10] (г. Нижний Новгород) и в Институте лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ. На последней установке исходный сверхкороткий импульс имел длительность  фс. После его удлинения в стретчере, усиления в четырёх параметрических усилителях до энергии  Дж (коэффициент усиления  ) и компрессии длительность импульса составила те же 50фс.

В настоящее время принцип параметрического усиления широкополосных чирпированных лазерных импульсов является общепризнанным. Так, параметрические усилители применяются в качестве стартовой системы — для усиления относительно слабых сигналов с выхода стретчера ( нДж) до уровня энергии  Дж. В ряде крупных, в том числе международных, проектах планируется применять широкоапертурные кристаллы DKDP в качестве нелинейной среды параметрических усилителей.

Литература

  • Ахманов С. А., Хохлов Р. В. Параметрические усилители и генераторы света. — УФН, т. 88, вып. 3, 1966 г. с.439
  • Ахманов С. А., Хохлов Р. В. — ЖЭТФ, 43, 351 (1962) Проблемы нелинейной оптики. М.: Наука, 1964 г.
  • Дмитриев В. Г. Тарасов Л. В. Прикладная нелинейная оптика
  • Беляев Ю. Н., Фрейдман Г. И. Пространственный захват параметрически усиливаемых световых волн в кристалле KDP. — Письма в ЖЭТФ, т. 15, вып. 5, с. 237—241, 1972.

Примечания

  1. Kroll H. Parametric amplification in spatially extended media and application to the design of tunable oscillation at optical frequencies // Phys. Rev. 1962. V. 127. P. 1207.
  2. Ахманов С. А., Хохлов Р. В. — ЖЭТФ, 43, 351 (1962) Проблемы нелинейной оптики. М.: Наука, 1964 г.
  3. Kingston R. Parametric amplification and oscillation at optical frequencies // Proc. IRE. 1962. V.50. P. 472.
  4. Wang C. C., Racette C. W., Appl. Phys. Letters, 8, 169 (1965); Physics of Quantum Electronics, Ed. P. L. Kelley, B. Lax, P. E. Tanenwald, McGraw-Hill Book Company, 1966, p. 20.
  5. Ахманов С. А., Ковригин А. И., Пискарская А. С. И др. — Письма в ЖЭТФ, 2, 300 (1965); 3, 372 (1966)
  6. Giordmaine J. A., Miller R. C., Phys. Rev .Letters, 14, 973 (1965); Physics of Quantum Electronics,Ed. P. L. Kelley, B. Lax, P. E. Tanenwald, McGraw-Hill Book Company, 1966, p. 31; Appl. Phys. Letters, 9, 298 (1966)
  7. Беляев Ю. Н., Фрейдман Г. И. Пространственный захват параметрически усиливаемых световых волн в кристалле KDP. — Письма в ЖЭТФ, т. 15, вып. 5, с. 237—241, 1972.
  8. AudriusDubietis, RytisButkus, and AlgisPetrasPiskarskas. Trends in Chirped Pulse Optical Parametric Amplification. IEEE journal of selected topics in quantum electronics, vol. 12, no. 2, march/april 2006
  9. A. Piskarskas,A. Stabinis, and A.Yankauskas, "Phase phenomena in parametric amplifiers and generators of ultrashort light pulses, " Sov. Phys.— Usp., vol. 29, pp. 869—879, 1986.
  10. Рукавишников Н. Н. Курс лекций «Лазеры сверхкоротких импульсов». Саровский физико-технический институт-филиал НИЯУ МИФИ. 2014 г.