光パラメトリック増幅器

光パラメトリック増幅器（ひかりパラメトリックぞうふくき、英:optical parametric amplifier、略称OPA）は光パラメトリック発生(optical-parametric generation、略称OPG)を応用してレーザー光の波長変換を行う装置の総称である。光パラメトリック発振(optical parametric oscillator、略称OPO)も本質的に同じものだが、光パラメトリック発振は光パラメトリック発生を発振器の中で行っているのに対し、光パラメトリック増幅は必ずしも発振器の中で行われるとは限らないという違いがある。光パラメトリック増幅を用いると、非線形媒質の角度をコンピュータ制御することによって、ボタン一つで様々な波長の光を作り出せる。

光パラメトリック発生(OPG)

光パラメトリック発生(OPG)とは、ある波長のレーザー光から異なる波長のレーザー光を生み出す手段の一つである。これは非線形光学に基づく光の発生方法で、現象としては差周波発生と等しい。非線形媒質に強いポンプ光（周波数[math]\omega_1[/math]）とともに弱いシグナル光（周波数[math]\omega_2[/math]）を入射すると、シグナル光はポンプ光からエネルギーをもらって増幅し、それと同時にアイドラー光（周波数[math]\omega_3=\omega_1-\omega_2[/math]）が発生する。エネルギー保存則に基づいて考えると、より高いエネルギーを持つポンプ光（周波数[math]\omega_1[/math]）が失われてシグナル光（周波数[math]\omega_2[/math]）とアイドラー光（周波数[math]\omega_3[/math]）になる。発生した2つのレーザーパルスの波長は位相整合条件によって決まる。位相整合条件は、入射するポンプ光と結晶軸のなす角度によって変わる。つまり、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変えることができる(周波数可変のコヒーレント光発生ともいえる)。縮退四光波混合の効果と関係がある。この過程が光パラメトリック発生（OPG）と呼ばれる。

光パラメトリック増幅(OPA)

光パラメトリック増幅とは、非線形光学効果を利用して、特定の周波数の光の強度を強くする操作であり、この仕組みを搭載した装置を光パラメトリック増幅器という。 光パラメトリック増幅では、シグナル光を種光、seed光と呼び、これをポンプ光で増幅する。増幅した結果、ポンプ光の強度は非常に弱くなり、アイドラー光が生じる。 シグナル光とポンプ光が非線形媒質内で相互作用してアイドラー光を生み出す、という原理は差周波発生と同じだが、光パラメトリック増幅ではシグナル光を増幅することに重きが置かれる。これは媒質に入射するシグナル光がポンプ光に比べ強度が非常に弱いため、ポンプ光のエネルギーがシグナル光とアイドラー光に移動するからである。

シグナル光とポンプ光が完全な位相整合状態の時、媒質に入射する前後のシグナル光の強度比は以下のようになる。

[math]\mathrm{G}=\frac{I_s(L)}{I_{s0}}=\frac{1}{4}\exp{2\Gamma L}.[/math]

Lは媒質の厚さである。 また、Γはポンプ光の強度I_p、シグナル光・アイドラー光の波長λ_s, λ_i、媒質の非線形度d_eff、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n_s, n_i, n_pに依存する値である。

[math]\Gamma^2=\frac{2\omega_i\omega_s d_{eff}^2I_p}{n_in_sn_p\epsilon_0c_0^3}.[/math]