Физическая оптика

Параметрический генератор света

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.