参量放大

2021-01-29 13:25:09 浏览:293

定义

基于参量非线性的光放大过程。

参量放大是一种信号光可以利用参量非线性和泵浦光放大的现象。此词条针对于光学参量放大,并不包括针对微波的电学参量放大。对于光学参量放大器,可以利用某些非线性晶体材料的 χ(2)非线性或者利用光纤中的χ(3)非线性[7]

参量放大的物理机制是基于光学非线性的。它与通过被激发原子或离子的受激辐射的产生的激光放大不同。参量放大并不会将介质激发到更高的能量水平(虽然在一些常用的解释中会涉及一些虚拟的激发态)。还需要注意的是需要将简并和与非简并参量放大区分开来,因为它们具有相差很大的特点。

简并参量放大

在这里,我们考虑基于χ(2)非线性的参量放大。

在非简的情况下,三个不同的光波之间发生相互作用,其角频率分别为 ω1,ω2和ω3。根据能量守恒,需满足ω312。泵浦光的频率为ω3,信号光为ω2,闲散光为ω1(交换ω2和ω1并不会对以下分析产生本质的改变)。对于平面波或准直的高斯光束,三个频率的光的复振幅记为A1,A2,A3,他们之间的关系可以由以下方程来描述:

其中:

为以波数来计算的相位失配量,z是传播方向的坐标,并且κ是正比于材料非线性系数的耦合常数。如果将以上方程组中的复振幅由A3替换为iA3,则可以得到一个更对称的方程组。

最简单的情况是没有相位失配的情况。当没有闲散光输入(即在晶体的首端A1= 0),则一开始没有信号放大,也没有任何泵浦损耗,但是会开始产生闲散光。如果最初的A3和A2是实的,则产生的闲散光也是实的。(该过程被称为差频产生)。接着会导A2的变大,即信号光的放大,以及泵浦光的损耗。

将初始信号的相位旋转30°后再看这个过程会带来一些启发。此时,闲散光的相位会被旋转-30°。而信号光的被放大部分也被旋转了30°,因此信号光还是和以前一样被放大。这表明,在这种情况下放大是相位不敏感(即与信号相位不相关)。

在另一种情况下,如果泵浦光相位被旋转30°。这也将会使得闲散光被旋转30°。两相变动相互抵消,从而不会改变信号光,因而信号光依旧被放大,并且只有闲散光的相位被改变。

当存在相位失配(即非零的Δk)时,光波的相对相位将在传播期间发生变化,从而在一段距离之后,信号和闲散的功率会被反向转换回泵浦。因此,相位匹配对于有效的放大至关重要,且只在有限的频率范围内能实现。在某些特殊条件下,可以实现很大的相位匹配带宽。

方程还表明,如果介质对闲散光有着显著的吸收的时候,由由于闲散光幅度小,因此信号光的放大也会被减小。因此,非线性晶体的透射范围必须足够大,从而对闲散波的损耗足够小,虽然很多应用对于闲散光本身并不感兴趣。然而,有一些情况下,对闲散光的一定程度的吸收可能是有利的[9]

以上所使用的公式是根据经典物理学的。在量子力学中,在有些情况下泵浦光子被转换成信号-闲散光子对。使得信号和闲散光是强相关的,从而导致非经典光学特性。

在简并参量放大中,信号光和闲散光在频率和偏振上都是相同的,也就是说,它们是无法区分的。有因此只有信号振幅A1和一个泵振幅A2,而没有闲散光。信号波长则恰好为泵浦波长的两倍。它们之间的相互作用利用以下方程描述:

其中,

在这里,放大是相位敏感的。如果信号和泵浦的振幅是正实数,则信号被放大(对于零相位失配)。否则,如果泵浦光的符号被改变后则会产生信号光的衰减。能量转移的方向由A1A2*的复相位决定。

相位敏感的放大为压缩态光的产生提供了一种机制。并且在原则上它并不会产生额外的放大器噪声。然而,由于需要保持泵浦和信号之间的固定的相位关系,使得这种光放大在光纤通信中变得很不方便。

光纤中的参量放大

由于材料的中心对称性质,玻璃纤维不表现出χ(2)非线性(除非在某些情况下,例如,在强大的电场中被“极化”的光纤)。然而,参量放大,也可能由于χ(3)非线性导致。在这种情况下,会涉及四个不同的频率:两个泵浦频率,一个信号频率和一个闲散频率。一个常见的情况是部分退化的情况,即只有一个泵浦光频率。

它们之间相互作用有点复杂,因为信号和闲散的光的相位会同时受到交叉相位调制(XPM)和光纤的色散的影响。(对于强的信号,还会有自相位调制的加成作用)。参量放大只会在泵浦波长的附近存在。当色散作用很弱时其范围可以是相当宽的,且其宽度依赖于泵浦功率。

图 1 色散为−2000 fs2/m的1m光纤的参数增益谱随着泵浦光功率的变化

图1 给出了一种情况下的参量增益谱。最高增益出现在XPM和色散效应相互抵消的使得相位匹配满足的波长。这只在反常色散下才会出现。

参量增益主要在短脉冲传播下发生。利用数值模拟可以模拟这种过程,当然在这一过程中会有多种效应起作用。多模光纤中的相互作用是更为复杂的,因为不同传播模式之间的相位匹配更为复杂。

参考文献

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[10] R. L. Sutherland, Handbook of Nonlinear Optics, 2nd edn., Marcel Dekker, New York (2003)
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[12] G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 4th edn., Academic Press, New York (2007)

参阅:光学参量放大器、光学参量啁啾脉冲放大、光学参量振荡器、光学参量发生器、放大器、放大器噪声、压缩态光

非线性光学

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