Оптическое материаловедение. Активные материалы
.pdf
В отрицательном нелинейном кристалле KDP условие фазовой синхронизации при генерации второй гармоники выполняется при взаимодействии вида
ko (ω1 ) + ko (ω1 ) = ke (ω2 ) или ko (ω1) + ke (ω1 ) = ke (ω2 ).
По мере распространения световой волны в нелинейных кристаллах с ненулевой квадратичной нелинейностью вдоль направления фазового синхронизма происходит перекачка энергии от волны основной частоты ω в энергию волн 2-й гармоники 2ω.
Интенсивности основной волны и 2-й гармоники зависят от отношения l/lнл, где l – расстояние, которое прошёл свет в среде, а lнл – характерная длина, на которой происходит перекачка 50 % энергии основной волны во 2-ю гармонику.
В качестве примера можно привести удвоение частоты света в кристалле ниобата натрия Ba2NaNb5O15.
Излучение Nd:YAG лазера (1064 нм) с помощью этого процесса преобразуют в излучение с длиной волны 532 нм, а излучение активированного титаном сапфира (800 нм) – в излучение с длиной волны 400 нм
121
Для умножения частоты используются и генераторы высших гармоник, однако в большинстве случаев оказывается более эффективным использование нескольких каскадов удвоения частоты (последовательное многократное удвоение частоты в кристаллах с квадратичной нелинейностью).
Излучение лазера на неодимовом стекле (λ1 = 1,06 мкм), работающем в режиме модулированной добротности, возбуждает цепочку из трех нелинейных кристаллов KDP, в которых последовательно происходят: удвоение частоты (на выходе кристалла KDP I возникает излучение с λ2 = 0,53 мкм), еще одно удвоение частоты (на выходе кристалла KDP II возникает излучение с λ4 = 0,26 мкм), сложение частот неодимового лазера и четвертой гармоники на выходе кристал-
ла KDP III.
В результате на выходе кристалла KDP III возникает интенсивное ультрафиолетовое излучение с λ5 = λ1/5 = 0,21 мкм.
Удвоение частоты света достаточно эффективно можно осуществить с помощью строго определенным образом ориентированных нелинейных кристаллов, в качестве которых используются дигидрофосфат калия KH2PO4 (KDP), β-борат бария β-ВаВ2О4 (ВВО), титанил-фосфат калия KTiOPO4 (КТР), ниобат бария натрия Ba2NaNb5O15 («банан»), ниобат лития LiNbO3.
Эти кристаллы обладают всеми необходимыми свойствами, способными удовлетворить требования синхронизма, имеющие особую кристаллическую симметрию, а также являются прозрачными в широкой области спектра и устойчивы к лазерному излучению высокой интенсивности.
122
14.3. Генерация разностной частоты
Генерация разностной частоты была использована при построении современного оптического стандарта частоты с использованием фемтосекундного лазера.
Генератор разностной частоты использовался в качестве делителя для переноса стабильности частоты метанового репера в радиодиапазон спектра.
Эрбиевый фемтосекундный волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод состоит из генератора, усилителя и системы автоподстройки частоты.
Длительность импульсов составляет около 100 фс, частота повторения импульсов f = 62 МГц.
123
После усилителя ~10 % выходной мощности на длине волны 1,55 мкм используется в качестве одного из компонентов для генерации разностной частоты.
Остальная часть излучения подается в сильно нелинейное волокно для генерации суперконтинуума, из которого берется второй компонент (с длиной волны 1,06 мкм) для генерации разностной частоты.
Спектр суперконтинуума волоконного лазера переносится из 1,5 мкм в область спектра вблизи 3,4 мкм с помощью преобразования в нелинейном кристалле периодически поляризованного ниобата лития (ППНЛ).
Схема генерации разностной частоты
Далее частота одного из компонентов преобразованного спектра привязывается по фазе системой автоподстройки к частоте метанового стандарта.
Схема стабилизации фемтосекундного лазера
Поскольку сигнал обратной связи подается на элемент, управляющий длиной резонатора волоконного лазера, то частота следования фемтосекундных импульсов приобретает стабильность оптического репера.
124
В кристалле взаимодействуют два импульса:
на длине волны 1,5 мкм – поступающий непосредственно от фемтосекундного лазера;
на длине волны 1,06 мкм – прошедший 0,5 м сильно нелинейного волокна.
Для того чтобы импульсы пришли на кристалл одновременно, необходимо выровнять оптические пути пучков (это достигается с помощью линии задержки).
Пучки сводятся на специальном диэлектрическом зеркале с максимумом коэффициента отражения на 1,06 мкм и максимумом пропускания на 1,5 мкм.
Далее два пучка лучей юстируются по одной линии и фокусируются линзой в центр кристалла, в котором происходит генерация разностной частоты в соответствии с соотноше-
нием: 1/1,06 мкм – 1/1,55 мкм = 1/3,39 мкм.
Регулировка длины резонатора фемтосекундного лазера (обратная связь) осуществляется модуляцией источника накачки.
|
|
|
|
|
Механизм основан на зависимости оптической длины резонатора, |
|
l = nS, |
|
которая связана с нелинейным показателем преломления волоконного |
|
|
|
световода, от мощности накачки: |
|
|
|
|
|
|
|
n = n0 + n2I – показатель преломления среды; |
||
|
S – геометрическая длина пути. |
|
|
Изменяя мощность источника накачки, можно изменять оптическую длину резонатора.
125
Лекция 15. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ УСИЛЕНИЕ СВЕТА
Если в среде распространяются три волны (ω, ω1 и ω2), удовлетворяющие условию векторного пространственного синхронизма, то между ними происходит обмен энергией.
Когда одна из волн много мощнее (ω), чем другие, то энергия переходит от мощной волны к слабым, в результате чего последние (ω1 и ω2) усиливаются.
Это явление называется параметрическим усилением света, поскольку его можно рассматривать как модуляцию оптических параметров среды волной ω, приводящую к усилению волн ω1 и ω2.
Параметрическое усиление света лежит в основе действия параметрических генераторов света.
Это лазеры, в резонатор которых введен нелинейный кристалл, вырезанный таким образом, чтобы для осевых лучей выполнялось условие векторного пространственного синхронизма.
При изменении ориентации кристалла или его параметров (за счет изменения температуры, электрического поля и т.д.) изменяются условия пространственного синхронизма для осевых лучей, вследствие чего изменяется частота генерируемого излучения и возможна плавная перестройка генерируемой частоты.
15.1. Параметрическая генерация света
Параметрическая генерация представляет собой процесс, обратный генерации на суммарной частоте.
Эффект параметрической генерации света заключается в передаче энергии от световой волны накачки в две волны с частотами, смещенными в стоксову область относительно частоты излучения накачки так, чтобы сумма их частот была равна частоте накачки.
126
Эти волны называют сигнальной и холостой волнами. 
Явление параметрической генерации света можно описать как процесс исчезновения фотона с частотой ω (волна накачки), в то время как образуются фотоны с частотами ω1 и ω2.
|
|
|
=ω= =ω1 |
+ =ω2 , |
||
|
При этом полные энергия и импульс сохраняются, то есть |
|
||||
|
должны выполняться условия фазового синхронизма: |
|
kG |
= kG |
+ kG . |
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
Волновые векторы волныG накачкиG kG и возбужденных волн k1 и k2 образуют замкнутый треугольник.
При фазовом синхронизме амплитуды возбуждаемых волн по мере их распространения в кристалле непрерывно увеличиваются:
Из их соотношения следует условие для показателей преломления кристалла на частотах ω, ω1, ω2:
n(ω) = n(ω ) + |
n(ω ) − n(ω ) |
ω1 . |
||||||
|
2 |
|
1 |
|
|
2 |
|
ω |
E(x) = E |
exp m |
k |
k |
2 |
−δ |
x , |
||
0 |
|
1 |
|
|
|
|
||
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
δ – коэффициент затухания волны в обычной (линейной) среде; m = 4πσЕ0/ε0 – глубина модуляции диэлектрической проницаемости среды; σ – характеристика нелинейности среды.
В изотропных кристаллах в области нормальной дисперсии (показатель преломления среды возрастает с увеличением частоты ω) удовлетворить одновременно обоим условиям невозможно, так как волновое число k всегда больше суммы волновых чисел k1 и k2.
127
Различают скалярный и векторный синхронизм. 
