光パラメトリック増幅器

光パラメトリック増幅器(OPA)と[光パラメトリック発振器]

光パラメトリック増幅器(OPA)は、[レーザー]]光の波長変換技術を用いて、任意の波長のレーザー光を生成する光源です。この波長変換のメカニズムは、光パラメトリック発生(OPG)と呼ばれています。OPAの中でも、OPGの発振器が一体となったものを[[光パラメトリック発振器]と呼びます。

実際の実験装置では、レーザー光が通過する非線形媒質の配置をコンピュータ制御することで、ボタン一つで出力光の波長を自在に変更できます。この柔軟な波長制御が、OPA/OPOの大きな利点となっています。

光パラメトリック発生(OPG)の原理

OPGは、光の入射に対する媒質の非線形応答によって、異なる周波数の光（差周波光）を発生させる現象です。これは、既存のレーザー光から新たな波長のレーザー光を生成する重要な手法の一つとなっています。

媒質に、強いポンプ光(周波数ω₁)、弱いシグナル光(周波数ω₂)を入射させると、シグナル光はポンプ光からエネルギーを受け取って増幅されます。同時に、アイドラー光(周波数ω₃ = ω₁ - ω₂)が発生します。この過程では、ポンプ光のエネルギーがシグナル光とアイドラー光に変換されるため、エネルギー収支は常に保たれています。

発生するシグナル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。この位相整合条件は、ポンプ光の入射軸と結晶軸の角度に依存して変化するため、ポンプ光源と媒質の配置を調整することで生成光の波長を制御できます。これが「パラメトリック」と呼ばれる所以であり、周波数可変のコヒーレント光源として利用できる点が大きな特徴です。この現象は、縮退四光波混合の効果とも関連しています。

光パラメトリック増幅(OPA)のメカニズム

光パラメトリック増幅は、非線形光学効果を利用して特定の周波数の光の強度を増強する技術です。OPAでは、シグナル光を「種光(seed光)」と呼び、これをポンプ光で増幅します。増幅に伴い、ポンプ光の強度は減少し、その分アイドラー光が発生します。

OPGと同様に、シグナル光とポンプ光の非線形相互作用によってアイドラー光が生じますが、OPAではシグナル光の増幅に重点が置かれます。そのため、媒質に入射するシグナル光はポンプ光よりも強度が弱く、ポンプ光からシグナル光へのエネルギー移動が顕著になります。

シグナル光とポンプ光が完全に位相整合している場合、媒質に入射する前後のシグナル光の強度比は、以下の式で表されます。


I_s(L)/I_s(0) = exp(2ΓL)


ここで、Lは媒質の厚さ、Γはポンプ光の強度(Ip)、シグナル光とアイドラー光の波長(λs, λi)、媒質の非線形度(deff)、そしてシグナル光・アイドラー光・ポンプ光それぞれの波長における媒質の屈折率(ns, ni, np)に依存する値です。

まとめ

OPA/OPOは、その波長可変性と高効率性から、様々な分野で利用されています。例えば、分光学、顕微鏡、医療など、幅広い応用が期待されています。今後の技術発展により、さらに高性能、高機能なOPA/OPOの開発が進むと考えられます。

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