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Lexikon der Optik: parametrische Oszillation

parametrische Oszillation, die kohärente Erzeugung von Licht nach dem Prinzip der Differenzfrequenzerzeugung. Ausgangspunkt ist die parametrische Fluoreszenz, hervorgerufen durch Einstrahlung einer intensiven Welle der Frequenz ν3 in einen nichtlinearen Kristall. Es werden so spontan Photonen einerseits bei einer Frequenz ν1 und andererseits bei einer Frequenz ν2 erzeugt, wobei gilt ν123. Willkürlich bezeichnet man eine der beiden erzeugten Wellen als Signal-, die andere als Idlerwelle (parametrische Verstärkung). Wie beim Laser realisiert man mit Hilfe eines optischen Resonators eine optische Rückkopplung. Der nichtlineare Kristall wird zwischen zwei (für die Pumpwelle durchlässigen) Spiegeln angeordnet, welche die auftreffende Strahlung entweder bei beiden Frequenzen ν1 und ν2 oder bei einer von ihnen sehr stark reflektieren und damit erneut durch das nichtlineare Medium hindurchschicken. Bei Vorliegen von Resonanz, d.h. Übereinstimmung von ν1 und ν2 bzw. ν1 oder ν2 mit jeweils einer Eigenfrequenz des Resonators – im ersten Fall spricht man von Doppel-, im zweiten von Einfachresonanz – findet so eine parametrische Verstärkung sowohl der Signal- als auch der Idlerwelle statt. Falls die Verstärkung hoch genug ist, geht das System – ähnlich wie der Laser – nach einer Anlaufphase in einen stationären Oszillationszustand über, in dem sich der Gewinn und die (durch Absorption im nichtlinearen Medium und Austritt aus dem Resonator bedingten) Verluste exakt die Waage halten. Dabei werden die Signal- und die Idlerwelle ausgestrahlt. Man bezeichnet diese Lichtquelle als optischen parametrischen Oszillator (OPO). Um die erforderliche hohe Pumpleistung zu erreichen, verwendet man in erster Linie Impulslaser (z.B. Neodymglas- oder Neodym-YAG-Laser) in einer einfach-resonanten Anordnung.

Häufig verdoppelt man auch zuerst die Pumpfrequenz durch Harmonischenerzeugung. Die Frequenzen ν1 und ν2 der erzeugten Wellen werden durch die Phasenanpassungsbedingung (unter Zugrundelegung kollinearer Wechselwirkung) festgelegt, die sich in anisotropen Kristallen erfüllen läßt. Sie können durch Drehen des Kristalls über größere Bereiche abgestimmt werden. Der OPO eignet sich besonders zur Erzeugung abstimmbarer kohärenter Strahlung hoher Leistung im IR-Bereich bei hohem Umwandlungsgrad. Kontinuierlicher Betrieb konnte bis vor kurzem nur mit einer doppelt-resonanten Anordnung erreicht werden, weil hierbei die Oszillationsschwelle erniedrigt ist. Ein solcher OPO erlaubt jedoch keine kontinuierliche, sondern nur eine sprungweise Frequenzabstimmung. Überdies bleibt die Ausstrahlung unter der Einwirkung mechanischer Schwingungen und thermischer Schwankungen nicht stabil. In jüngster Zeit ist es jedoch gelungen, auch einfach-resonante OPOs als kontinuierliche Strahlungsquellen zu betreiben. Ermöglicht wurde dies in erster Linie durch die sog. Quasi-Phasenanpassung (Phasenanpassungsbedingung).

Das Interesse am OPO ist in letzter Zeit auch dadurch stärker geworden, daß Kristalle aus beta-Bariumborat (BBO, β-BaB2O4) verfügbar geworden sind, die sich für die p.O. vorzüglich eignen. Die besonderen Vorteile dieses Materials sind: die Möglichkeit, die Phasenanpassungsbedingung auch im UV zu erfüllen; ein großer Wellenlängenbereich, in dem der Kristall transparent ist; eine hohe Schwelle für das optical damage und schließlich eine große nichtlineare Suszeptibilität.

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