光参量放大器

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缩写:OPA

定义:利用参量非线性相互作用的光放大器。

不具有反转对称性的非线性晶体材料具有二阶非线性。二阶非线性过程除了包括倍频和频和差频产生过程,还包括参量放大过程。其中,信号光与比起波长短的泵浦光同时在晶体中传播。泵浦光的光子转化成信号光子和同等数量的闲散光子;闲散光子的光子能量等于泵浦光和信号光光子的能量差。由于泵浦光的能量完全转化成信号光束和闲散光的能量,因此该过程不会再晶体中产热。

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图1:光参量放大器示意图。

在通常的非简并参量过程中,信号光和闲散光为分立的光束。但是,简并参量放大器中信号光和闲散光是相同的,即具有相同的频率和偏振态。因此信号光频率是泵浦光频率的一半,并且信号光和泵浦光之间的相位关系决定了能流的方向,即信号光是否有放大。非简并放大器中不会发生相位敏感的放大过程;其中,具有任意相位的信号光被放大,并且产生闲散光的相位相应的有改变。(更多的细节可参阅词条参量放大。)


目录

相位匹配

参量过程对相互作用光的相位非常敏感。只有满足相位匹配才能实现高效的转化过程。增益带宽主要由相位匹配带宽决定,而后者则依赖于色散性质,有时带宽非常宽。

参量放大器尤其适用于产生普通激光器或者激光放大器由于缺乏合适增益材料而无法得到的波长的情况,或者需要很大调谐范围和在短距离内实现很高增益的情况。在很大波长范围内调谐通常可以通过简单的旋转相位匹配的非线性晶体来实现。


工作在脉冲光的情况

大多数情况下,参量放大器用于放大脉冲,来自于调Q激光器的纳秒脉冲或者来自锁模激光器的超短脉冲。由于脉冲光具有很高的泵浦光强,因此参量增益很高,有时采用几毫米的晶体材料就能得到大于80dB的增益。参量放大器的高增益,工作于不同波长以及发热非常小(来自于寄生的吸收过程,非常小)的特性使其可以应用于很多领域,包括飞秒脉冲的光参量啁啾脉冲放大。由于增益很高,因此数值模拟模型中需要考虑增益导引效应。纯分析模型通常忽略这一效应。


高功率工作情况

一般来说,参量放大器适用于输出功率较高的情况,但是有一些比较重要的问题需要考虑。

光参量放大器一个很好的特性是在非线性晶体中通常没有能量耗散过程,因此几乎不存在热效应。但是,存在一些寄生吸收损耗,其强度与非线性晶体材料有关。然而,很少量的加热效应都非常不利,因为会对相位匹配有影响。因此,热效应会限制参量放大器的输出功率。采用KTP和KTA的放大器就是这种情形,而LBO则只有很弱的吸收。

另一个不太常见的效应是增益导引。对于具有高增益的放大器,增益导引效应会对放大信号的输出波形有很大的影响。这在大模式面积的器件中就会产生问题[9]:尽管输出信号光束面积很大,但是信号光束会越来越小。在放大器最后的部分,泵浦光的大部分能量转移到信号光束中,而信号光面积太小而无法完全利用泵浦光的能量。该问题在具有小模式面积的器件中通常不存在,因为衍射效应与增益导引效应抵消,但是高功率器件通常需要较大的模式面积。

增益导引会对OPA的功率缩放能力有显著影响[9],即使是不存在其它损耗的情况下:通过提高与功率成正比的模式面积进行功率缩放的话,就会遇到增益导引问题,这时就会引起输出光束质量和转化效率下降。然而,如果采用具有较低非线性的材料,工作在相对较小模式面积的情况下,这些性能指标折中方案的指标会有所提高。


与激光放大器的比较

与激光放大器相比,参量放大器与其最大的差别体现在下面几点:

  1. 参量放大器的工作波长范围并不局限在激光器增益介质激光跃迁很窄的波长范围内。
  2. 增益带宽由放大器晶体的色散性质和长度决定,而不是激光跃迁过程。
  3. 泵浦光为脉冲时,单位长度的增益比激光器增益大很多。
  4. 参量放大器并不存储能量,即它只在被泵浦时发生放大过程。因此放大的脉冲与辅助脉冲的能量差很大。
  5. OPA中不产热(吸收损耗非常小)使其可以应用在高功率工作条件下。
  6. 简并参量放大过程是与相位有关的,并且可避免量子噪声


光纤参量放大器

光纤参量放大器并不是利用二阶非线性,而是利用光纤中的三阶非线性相互作用,通常包含一个光纤环。其中,四个波发生相互作用(参阅四波混频)。很多情况下,将来自于同一泵浦光的两光子转化成一对信号光子和闲散光子是简并过程,其中信号光子和闲散光子的频率等于泵浦光频率。但是,也可以采用两个分立的泵浦光波的非简并相互作用。任意情况下,增益带宽都由光纤的色散性质决定,同时还受光纤中的克尔非线性相互作用的影响。


参考文献

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参阅:参量非线性参量放大光参量啁啾脉冲放大非线性晶体材料放大器参量荧光放大器噪声量子噪声