Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА - источник когерентного оптич. излучения, в к-ром мощная световая волнаодной частоты (частоты накачки), проходя через нелинейный кристалл, преобразуетсяв световые волны других, меньших частот. Частоты параметрически возбуждаемыхволн определяются дисперсией света в кристалле и при её изменении могутплавно перестраиваться при фиксиров. частоте накачки.

П. г. с. предложен в 1962 С. А. Ахмановыми Р. В. Хохловым. Первые эксперим. П. г. с. были созданы в 1965 Дж. Джордмейном(J. Giordmaine) и Р. Миллером (R. Miller), С. А. Ахмановым и Р. В. Хохловымс сотрудниками.

Т. к. размеры нелинейного кристалла многобольше длины световой волны, то процесс параметрич. возбуждения в оптикеносит ярко выраженный волновой характер. Под действием электрич. поля . световой волны большой интенсивности меняется диэлектрич. проницаемостьe нелинейногокристалла:где -квадратичная восприимчивость (см. Нелинейная оптика). Если полеволны накачки где -волновое число, а - нач. фаза, то диэлектрич. проницаемость модулируется по закону бегущейволны:

где паз. глубиной модуляции, характерная величина к-рой в оптике равна 10^-710^-5.У входной грани кристалла ( х = 0) с переменной во времени диэлектрич. <проницаемостью (1) из шумов возбуждаются эл.-магн. колебания с частотами и и фазами и связаннымисоотношениями

аналогично параметрич. возбуждению колебанийв двухконтурной системе (см. Параметрическая генерация и усиление электромагнитныеколебаний).

Колебания с частотами и распространяясьв глубь кристалла в виде двух световых волн с волновыми векторами k₁ и k₂, взаимодействуют с волной накачки. Если не принятьспец. мер, то на расстоянии х оптимальные фазовые соотношения (2)изменятся вследствие дисперсии на величину где k_H- k₁ - k₂ - расстройка волновых векторов, <что приводит к ухудшению параметрич. возбуждения или даже его исчезновению. <Поэтому необходимым условием эфф. передачи энергии от волны накачки возбуждаемымволнам на всём пути их распространения является согласование их фазовыхскоростей, или волновых векторов, т. е.- 0:

k₁ + k₂= k_H. (3)

Это условие, наз. условием фазового синхронизма, <означает, что волновые векторы волны накачки и синхронно возбуждаемых волнобразуют замкнутый треугольник.

При фазовом синхронизме амплитуды возбуждаемых, <сначала слабых, волн возрастают с пройденным расстоянием за счёт энергиинакички:

где -коэф. затухания волны в линейной среде,- коэф. параметрич. усиления. Очевидно, возбуждение происходит, если поленакачки превышает порог:

Фазовый синхронизм, обеспечивающий макс. <параметрич. усиление, служит своеобразным волновым фильтром, выделяющимиз всего многообразия частот + = определ. <пару частот в П. г. с., удовлетворяющую (3). Из (3) следует условие дляпоказателей преломления кристалла на частотах и : п _н< n₁, n₂ или n₁<n _н < n₂ В кристаллах с нормальнойдисперсией, когда показатель преломления увеличивается с ростом частоты синхронное пара-метрич. взаимодействие оптич. волн не осуществимо обычнымспособом, т. к. п _нn_l, n₂. Напрактике условие фазового синхронизма может быть осуществлено в анизотропныхкристаллах, если использовать зависимость показателя преломления не толькоот частоты, но и от поляризации волны и направления распространения. Напр.,в одноосном отрицат. кристалле показатель преломления обыкновенной волны п ₀ больше показателя преломления необыкновенной волны п _с, к-рый зависит также от направления распространенияотносительно оптич. оси кристалла (рис. 1). Используя дисперсию анизотропногокристалла, можно подобрать направления, в к-рых выполняется условие фазовогосинхронизма. В этом случае возможны два типа парамстрич. взаимодействиясветовых волн: первый - возбуждение необыкновенной волной накачки двухобыкновенных волн:

второй - возбуждение необыкновенной волнойнакачки обыкновенной волны частоты и необыкновенной волны частоты :

В положит. одноосном кристалле также можноподобрать направления, в к-рых выполняется условие (3) и обыкновенной волнойнакачки возбуждаются две необыкновенные или обыкновенная и необыкновеннаяволны:

Рис. 1. Зависимости показателя преломленияобынновенной п ₀ и необыкновенной п _с волнот частоты (а) и направления распространения (б) в одноосном отрицательномкристалле.

Угол между направлением волновых векторов и оптич. осью кристалла, наз. угломсиихронизма, является ф-цией частот накачки и одной из возбуждаемых волн. <Изменяя направление распространения накачки относительно оптич. оси (поворачиваякристалл), можно плавно перестраивать частоту П. г. с. (рис. 2,а). Существуюти др. способы перестройки частоты П. г. с., связанные с зависимостью показателяпреломления п от темп-ры (рис. 2,б), внеш. электрич. поляи т. д.

Для увеличения мощности П. г. с. кристаллпомещают внутри открытого резонатора, благодаря чему возбуждаемые волныпробегают кристалл многократно за время действия накачки (увеличиваетсяэфф. длина взаимодействия, рис. 3). Перестройка частоты такого резонаторногоП. г. с. происходит небольшими скачками, определяемыми разностью частот, <соответствующих продольным модам резонатора. На практике используются одпорезонаторныеП. г. с., в к-рых обратная связь с помощью зеркал резонатора осуществляетсятолько для одной из возбуждаемых волн, и двухрезонаторные П. г. с. с обратнойсвязью на обеих частотах и Порогсамовозбуждения двухрезонаториого

П. г. с. определяется добротностями резонаторов Q_l и Q₂ на частотах и :. В однорезонатор-номП. г. с. порог возбуждения выше: тоднаков нём можно выполнять более плавную перестройку частоты и он менее требователенк стабильности частоты накачки и механич. вибрациям зеркал и др. элементов.

Рис. 2. Зависимость длины волны, генерируемойпараметрическим генератором света, от угла синхронизма ( а )и температуры Т (б )при =0,266 мкм; е - оо.

Рис. 3. Нелинейный кристалл, помещённыйв оптический резонатор. 3₁ и 3₂ - зеркала, <обеспечивающие обратную связь (отражение) для одной из возбуждаемых воли- однорезона-торный параметрн-чееский генератор света, или для обеих волнна частотах и -двухрезонаторный параметрический генератор света.

В существующих П. г. с. диапазон главнойперестройки длин волн от 0,4 до 16,4 мкм перекрывается с помощью набораоптич. кристаллов, имеющих разные области оптич. прозрачности, разные нелинейности, <разл. пороги разрушения (табл.).

Оптические характеристики некоторыхнелинейных кристаллов, используемых в параметрических генераторах света

Материал	Диапазон прозрачности, <мкм	Нелинейность (2)/n3 х10-18, ед. CGSE	Пороговая интенсивностьразрушения, МВт/см 2
ADP	0,2 - 1,1	0,8	500
КDP	0,22 - 1 , 1	0,8	500
LiNbO3	0,35 - 5,0	30	40
Ba2NaNb5O15	0,4 - 5,0	180	10-60
Ag3AsSa	0,64 - 13	100	20
CdSe	0,75 - 25	280	40

Источниками накачки служат лазеры непрерывного, <импульсного и импульсно-периодич. действия и оптич. гармоники их излучения. <Отд. П. г. с. обеспечивают перестройку частоты в пределах 10% от Особую ценность П. г. с. с плавной перестройкой частоты представляют дляИК-диапазона спектра. Во мн. странах выпускаются промышленные образцы разл. <П. г. с. Уникальные характеристики П. г. с. (когерентность излучения, узостьспектральных линий, высокая мощность, плавная перестройка частоты) делаютего основным, а порой единственным прибором для спектроскопич. исследований(активная спектроскопия и др.), а также позволяют использовать его дляселективного воздействия на вещество (в т. ч. биологическое), для контролязагрязнения атмосферы и в др. целях.

Лит.: Ахманов С. А., Хохлов Р. В.,Параметрические усилители и генераторы света, "УФН", 1966, т. 88, с. 439;Ярив А., Квантовая электроника, пер. с англ., 2 изд., М., 1980; Фишер Р.,Кулевский Л. А., Оптические параметрические генераторы света, "Квантоваяэлектроника". 1977, т. 4, № 2, с. 245; Параметрические генераторы светаи пикосекундная спектроскопия, Вильнюс, 1983.

Л. П. Сухорукое.