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.

Физическая оптика

Из истории физической оптики

Цитаты из оригинальных работ Франкена, Бломбергена, Ахманова, Хохлова. Питер Франкен. Генерация второй оптической гармоники. Развитие импульсных рубиновых оптических мазеров1,2 сделало возможным получение монохроматических (6943 А) световых пучков, которые при фокусировке …

Нелинейная пространственная динамика световых полей

Самоорганизация светового поля в нелинейных системах с обратной связью. Оптическая синергетика. Оптическое моделирование нейронных сетей. В течение длительного времени в нелинейной оптике исследовались про­блемы временной динамики светового поля. При этом …

Оптика фемтосекундных лазерных импульсов

Предельно короткие импульсы света и сверхсильные световые поля. Генера­ция фемтосекундных световых импульсов. Новое поколение твердотельных фемтосекундных лазеров. Фемтосекундные технологии. Фемтосекундные ла­зерные импульсы в спектроскопии. Управление амплитудой и фазой молеку­лярных колебаний …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.