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2025-10-01T12:52:50Z

Literatur: Rotlink G. A. Reider

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[[Datei:IR Optical Parametric Oscillator.JPG|mini|Laboraufbau eines OPO]]
Ein in der [[Laser]]technik angewendeter '''optisch parametrischer Oszillator''' (Abk. '''OPO''', {{enS|optical parametric oscillator}}) besteht im Wesentlichen aus einem [[Nichtlineare Optik|optisch nichtlinearen Kristall]], z. B. [[Beta-Bariumborat]] (BBO), in einem [[Optischer Resonator|optischen Resonator]]. Der [[Kristall]] erzeugt aus einer eingestrahlten Pumpwelle über die nichtlineare Drei-Wellen-Wechselwirkung [[Strahlung]] zweier [[Wellenlänge]]n, sog. Signal- und [[Idlerstrahlung|Idler]]-Strahlung. Entweder die erzeugte Idler- oder die Signal-Strahlung wird teilweise über einen Spiegel rückgekoppelt. Dadurch erhöht sich bei jedem Durchlauf durch den Kristall die Energie der resonanten Welle. So kann eine [[parametrische Verstärkung]] mit nennenswerter Konversionseffizienz erfolgen, da der Prozess nicht mehr aus dem parametrischen Rauschen starten muss.

== Arbeitsweise ==
Der OPO basiert auf dem Prinzip der parametrischen Verstärkung und ermöglicht die Umwandlung von [[Laserlicht]] der [[Frequenz]] <math>\omega_1</math> in zwei kohärente Lichtstrahlen der Frequenz <math>\omega_2</math> und <math>\omega_3</math>, wobei <math>\omega_1 = \omega_2 + \omega_3</math>. Ein Laser pumpt einen nichtlinearen Kristall, der sich in einem optischen Resonator befindet. Die Resonatorfrequenz und der nichtlineare Kristall geben die Frequenz von <math>\omega_2</math> beziehungsweise <math>\omega_3</math> vor. Oberhalb einer definierten [[Pumpschwelle]] ist die parametrische Verstärkung im nichtlinearen Kristall größer als die Verluste des Resonators, und der OPO emittiert kohärente Strahlung bei <math>\omega_1</math>, <math>\omega_2</math> und <math>\omega_3</math>. Der OPO ist von großer praktischer Bedeutung, da die Frequenzen <math>\omega_2</math> und <math>\omega_3</math> in großen Bereichen kontinuierlich über den Winkel zwischen dem Strahl und der [[Optische Achse (Kristalloptik)|optischen Achse des Kristalls]] einstellbar sind.<ref>[https://www.spektrum.de/lexikon/physik/opo/10669 ''Optisch parametrischer Oszillator''] In: Lexikon der Physik</ref>

Das Verfahren besteht darin, dass zwei intensive Wellen vergleichbarer Intensität, bei der parametrischen Verstärkung jedoch nur eine intensive Welle der Frequenz <math>f_P</math>, die sogenannte Pumpwelle, zusammen mit einer schwachen Signalwelle der Frequenz <math>f_S < f_P </math> in einen nichtlinearen Kristall eingestrahlt werden. Dabei wird die Pumpwelle abgebaut und die Signalwelle verstärkt. Zugleich entsteht als Nebenprodukt eine neue Welle mit der Differenzfrequenz <math>f_I = f_P - f_S</math>, die als ''Idlerwelle'' (''idler'', engl. „Müßiggänger“) bezeichnet wird.<ref>[https://www.spektrum.de/lexikon/optik/parametrische-verstaerkung/2402 ''parametrische Verstärkung''] In: Lexikon der Optik</ref>

Entsprechend dem [[Energieerhaltungssatz]] ergibt sich, dass die Summe der Quantenenergien der erzeugten Signal- und Idler-Strahlung der Quantenenergie der Pumpstrahlung entspricht und somit gleiches für die Frequenzen <math>f_P = f_S + f_I</math>. Für effiziente Frequenzkonversion muss allerdings nicht nur die Energieerhaltung, sondern auch die [[Phasenanpassung]]sbedingung erfüllt sein.

Mit diesem Verfahren kann man [[Laserstrahlung]] erzeugen, deren [[Wellenlänge]] außerhalb der Wellenlängen verfügbarer aktiver Lasermedien liegt.

Des Weiteren kann mit optisch nichtlinearen [[Kristall]]en die Summen- oder Differenzfrequenz (entsprechend der Summe bzw. Differenz der jeweiligen Quantenenergien) zweier eingestrahlter Lichtwellen erzeugt werden.

Im einfachsten Fall besteht ein OPO aus einem optisch nichtlinearen Kristall in einem [[Optischer Resonator|optischen Resonator]] mit zwei Spiegeln, in den der Strahl des Pumplasers eingekoppelt wird. Ab einer bestimmten Schwellenpumpleistung konvertiert der Kristall einen Teil der Pumpstrahlung in Strahlung bei zwei niedrigeren [[Frequenz]]en. Diese sog. Signal- und Idlerwelle können über weite [[Spektralbereich]]e komplementär zueinander abgestimmt werden, d. h. die Summe aus der Signal- und Idlerfrequenz ist gleich der Pumplaserfrequenz. Der Resonator dient dazu, die Leistung der Lichtfelder im Kristall zu erhöhen, um so die Schwellenpumpleistung zu senken und die Konversionseffizienz zu erhöhen. Je nachdem, wie viele der drei beteiligten Wellen im Resonator leistungsüberhöht werden, spricht man von dreifach- zweifach-, und einfach-resonanten OPOs.<ref>M. E. Klein, D.-H. Lee, P. Groß, H. Ridderbusch, J.-P. Meyn und K.-J. Boller: [https://www.physik.uni-kl.de/wallenstein/Arbeitsgebiete/Optisch_Parametrische_Prozesse/cw-OPOs/cw-opos.html ''Diodenlasergepumpte optisch parametrische Oszillatoren''] Technische Universität Kaiserslautern</ref>

Die ersten durchstimmbaren optischen parametrischen Oszillatoren wurden 1965 an den Bell Laboratories durch [[Joseph A. Giordmaine]] und [[Robert C. Miller]] entwickelt.<ref>{{cite journal|title = Tunable Coherent Parametric Oscillation in LiNbO3 at Optical Frequencies|last1 = Giordmaine|first1 = J.|journal = Phys. Rev. Lett.|doi = 10.1103/PhysRevLett.14.973|last2 = Miller|first2 = R.|publisher = APS|year = 1965|volume = 14|issue = 24|page = 973|language=en-US|bibcode = 1965PhRvL..14..973G }}</ref>

== Verwendete Kristalle ==
Pump-. Signal- und Idler-Wellen interagieren im OPO in transparenten Nichtlinaren Kristallen wie:<ref> {{Internetquelle |autor=Willian Grossmann |url=https://www.gamdan.com/blog/optical-parametric-oscillators |titel=OPO Process and How They Work |datum=2023-02-03 |sprache=en |abruf=2024-05-27}}</ref>
* [[Lithiumniobat]] (LiNbO3),
* magnesiumdotiertes Lithiumniobat (Mg:LiNbO3),
* [[Kaliumtitanylphosphat]] (KTP),
* [[Lithiumtriborat]] (LiB3O5),
* Beta-Bariumborat (BBO), and
* Zink Germanium Phosphat (ZGP).

== Literatur ==
* [[Georg A. Reider]]: [https://books.google.lu/books?id=edkiBAAAQBAJ ''Photonik'' – ''Eine Einführung in die Grundlagen.''] Springer-Verlag, Wien 2005, ISBN 3-211-21901-3 (im Speziellen Kapitel 8)
* {{Literatur
|Autor=Marcus Moser
|Titel=Aufbau und Charakterisierung eines optischen parametrischen Verstärkers im nahen infraroten Spektralbereich
|Hrsg=Fachbereich Technische Physik Hochschule
|Ort=München
|Datum=2008
|Online=https://elib.dlr.de/57269/2/00348.pdf
}}
* {{Literatur
|Titel=Parametrische Oszillation
|Sammelwerk= Lexikon der Optik
|Online=https://www.spektrum.de/lexikon/optik/parametrische-oszillation/2400
}}
* {{Literatur
|Autor=Andreas Wolf
|Titel=Der elektro-optisch parametrische Oszillator als neuartige Quelle frequenzstabiler kohärenter Strahlung
|Hrsg=Leibniz Universität
|Ort=Hannover
|Datum=2001
|DOI=10.15488/9609
}}
* {{Patent| Land=DE| V-Nr=2012226| Code=A1| Typ=Patentanmeldung| Titel=Optischer parametrischer Oszillator| A-Datum=1970-03-14| V-Datum=1970-10-01| Anmelder=Western Electric Company Inc.| Erfinder=Arthur Ashkin, John-Ernst Bjorkholm}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Optical parametric oscillator|Optisch parametrischer Oszillator}}
* {{Elpt|optical_parametric_oscillators|Optical Parametric Oscillators}}

== Einzelnachweise ==
<references />
[[Kategorie:Oszillator]]
[[Kategorie:Laserphysik]]
[[Kategorie:Optisches Bauteil]]
[[Kategorie:Nichtlineare Optik]]

Optisch parametrischer Oszillator - Versionsgeschichte

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