Параметрический генератор света
25 Дек 2013
Использование нелинейных оптических явлений в кристаллах позволяет не только преобразовать излучение лазера в излучение другой фиксированной частоты (например, путем генерации второй оптической гармоники — см. выше, лекции 22, 23), но и в излучение с плавно перестраиваемой частотой. Таким образом, нелинейная оптика помогает лазерам полностью освоить оптический диапазон, давая метод генерации когерентного излучения практически на любой заданной длине волны.
Принцип такого преобразования заключается в следующем. Пусть на квадратично-нелинейную среду, поляризация которой Р зависит от квадрата поля Е2 в соответствии с формулой
Р = хЕ + ХЕ (Д15.1)
падает мощная световая волна частоты (волна накачки)
Е„ = Ан cos(ujHt — kHz) (Д15.2)
и одновременно две слабые волны:
Ei = А cos(wi£ — kiz) и Е2 = А% cos(u>2* — k2z) (Д15.3)
с частотами и ш2, удовлетворяющими соотношению
+и2 = и>н — (Д15.4)
Тогда, в силу формулы (Д15.1), волны на частотах и ui2 становятся связанными. Нелинейная поляризация на частоте u>i равна
РнлМ = хАнА2 cos [wi t — (к^, — k2)z], (Д15.5)
а нелинейная поляризация на частоте uj2
Рнл(^2) = xAnAi cos [w2t — (k„ — ki)z]. (Д15.6)
Таким образом, за счет взаимодействия волн на частотах и>„ и и>2 возникает
поляризация среды и, следовательно, переизлучение света на частоте wi, а за счет взаимодействия волн на частотах и>„ и ші — переизлучение на частоте и>2- Взаимодействие волны нелинейной поляризации Р„л(^і) со световой волной частоты и>і будет максимально, если сдвиг фаз между ними будет сохраняться на достаточно больших расстояниях. Согласно (Д15.3) и (Д15.5), сдвиг фаз одинаков для любых z, если
кв-ка = к1. (Д15.7)
Аналогичные рассуждения для волны на частоте ш2 приводят к условию
К-кі=к2. (Д15.8)
Нетрудно видеть, что условия (Д15.7) и (Д15.8) совпадают. Обычно их записывают в виде
Рис. Д15.1. Схема параметрического генератора света. Резонатор с кристаллом KDP возбуждается мощной световой волной накачки с длиной волны А„. При достаточно большой мощности накачки в кристалле возбуждаются колебания с длинами волн Ai и Аг, зависящими от ориентации кристалла
ki + fc2 = fcH — (Д15.9)
Условие (Д15.9) так же как и условие (23.5), полученное для продесса генерации второй гармоники, называется условием синхронизма. Условие (23.5) можно рассматривать как частный случай более общего условия (Д15.9). Действительно, полагая в (Д15.9) ki = fa = ui/v(u) и Лн = 2ui/v(2uj), из (Д15.9) имеем v(u>) = v(2u>).
Если условие синхронизма выполнено, то энергия волны накачки передается волнам с частотами u>i и и>2, а последние усиливаются в нелинейной среде. Поэтому, если нелинейный кристалл, пронизываемый волной накачки, поместить в оптический резонатор, т. е. между зеркалами, отражающими световые волны на частотах ші и и>2, то при достаточно больших коэффициентах отражения зеркал и большой мощности волны накачки в таком резонаторе возникает генерация на частотах и> ишг — Начальные сигналы обусловлены собственными флуктуациями, неизбежно имеющими место в кристалле.
Частоты, для которых выполняется условие синхронизма в нелинейном кристалле, как и в случае генерации оптических гармоник, определяются выбором направления распространения взаимодействующих волн. Поэтому, вращая нелинейный кристалл в резонаторе, можно при постоянной частоте накачки шИ (эту волну получают обычно либо от лазера, либо от его гармоник) получать плавно перестраиваемые частоты ишг.
Таким образом, оптика получает в свое распоряжение источник когерентного света, длина волны которого подбирается по желанию экспериментатора. Такие генераторы работают в видимом и инфракрасном диапазонах спектра. Их называют параметрическими генераторами света. Использование этого термина, хорошо известного радиофизикам, в данном случае имеет глубокое основание, так как принцип действия такого генератора аналогичен принципу параметрического возбуждения колебаний, широко применяемому в радиотехнике.
На рис. Д15.1 приведена схема параметрического генератора света, в котором при накачке с длиной волны Ая = 0,53 мкм (зеленая линия видимого диапазона, получаемая как вторая гармоника лазера на неодимовом стекле) в кристалле KDP возбуждаются колебания, перестраиваемые по частоте в инфракрасном диапазоне. Уже созданы параметрические генераторы света, перекрывающие диапазон от видимого до далекого инфракрасного. Коэффициент
полезного действия этих генераторов, определяемый как отношение мощностей параметрически возбужденных колебаний к мощности накачки, достигает нескольких процентов. При этом выходная мощность излучения составляет десятки и сотни киловатт.
Похожие записи :
Эта часть книги посвящена физике взаимодействия света и вещества. В общих чертах это взаимодействие представляется следующим образом. Электромагнитное поле световой волны воз ...
Генерация второй оптической гармоники. Вынужденное комбинационное рассеяние света. Самофокусировка света. Лекция посвящена теории нелинейно-оптических эффектов. Рассматривают ...
Поляризованный свет. Плоскополяризованный свет, свет, поляризованный по кругу и эллипсу. Получение поляризованного света. Двойное лучепреломление в кристаллах. Призма Николя П ...
Когерентность Временная и пространственная когерентность. Способы наблюдения интерференции света. Классические интерференционные опыты: бипризма Френеля, бизеркала Френеля, опы ...
Цитаты из оригинальных работ Франкена, Бломбергена, Ахманова, Хохлова. Питер Франкен. Генерация второй оптической гармоники. Развитие импульсных рубиновых оптических мазеров1,2 ...
Отзывов нет
No comments yet.
К сожалению, по вашему запросу ничего не найдено.