Параметрический генератор света. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Параметрический генератор света - источник когерентного оптич. излучения, в к-ром мощная световая волна одной частоты (частоты накачки), проходя через нелинейный кристалл, преобразуется в световые волны других, меньших частот. Частоты параметрически возбуждаемых волн определяются дисперсией света в кристалле и при её изменении могут плавно перестраиваться при фиксиров. частоте накачки.
П. г. с. предложен в 1962 С. А. Ахмановым и 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. Хохловым с сотрудниками.
Т. к. размеры нелинейного кристалла много больше длины световой волны, то процесс параметрич. возбуждения в оптике носит ярко выраженный волновой характер. Под действием электрич. поля Е световой волны большой интенсивности меняется диэлектрич. проницаемость e нелинейного кристалла:

где

- квадратичная восприимчивость (см. Нелинейная оптика ).Если поле волны накачки

где

- волновое число, а

- нач. фаза, то диэлектрич. проницаемость модулируется по закону бегущей волны:

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 фазами

связанными соотношениями

аналогично параметрич. возбуждению колебаний в двухконтурной системе (см. Параметрическая генерация и усиление электромагнитные колебаний).
Колебания с частотами

распространяясь в глубь кристалла в виде двух световых волн с волновыми векторами k₁ и k₂, взаимодействуют с волной накачки. Если не принять спец. 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 возбуждаемым волнам на всём пути их распространения является согласование их фазовых скоростей, или волновых векторов, т. е.

- 0:

Это условие, наз. условием фазового синхронизма, означает, что волновые векторы волны накачки и синхронно возбуждаемых волн образуют замкнутый треугольник.
При фазовом синхронизме амплитуды возбуждаемых, сначала слабых, волн возрастают с пройденным расстоянием за счёт энергии накички:

где

- коэф. затухания волны в линейной среде,

- коэф. параметрич. усиления. Очевидно, возбуждение происходит, если поле накачки превышает порог:

Фазовый синхронизм, обеспечивающий макс. параметрич. усиление, служит своеобразным волновым фильтром, выделяющим из всего многообразия частот

=определ. пару частот в П. г. с., удовлетворяющую (3). Из (3) следует условие для показателей преломления кристалла на частотах

: п_н < n₁, n₂ или n₁ < n_н < n₂ В кристаллах с нормальной дисперсией, когда показатель преломления увеличивается с ростом частоты

синхронное пара-метрич. взаимодействие оптич. волн не осуществимо обычным способом, т. к. п_н> n_l, n₂. На практике условие фазового синхронизма может быть осуществлено в анизотропных кристаллах, если использовать зависимость показателя преломления не только от частоты, но и от поляризации волны и направления распространения. Напр., в одноосном отрицат. кристалле показатель преломления обыкновенной волны п₀ больше показателя преломления необыкновенной волны п_с, к-рый зависит также от направления распространения относительно оптич. оси кристалла (рис. 1). Используя дисперсию анизотропного кристалла, можно подобрать направления, в к-рых выполняется условие фазового синхронизма. В этом случае возможны два типа парамстрич. взаимодействия световых волн: первый - возбуждение необыкновенной волной накачки двух обыкновенных волн:

второй - возбуждение необыкновенной волной накачки обыкновенной волны частоты

и необыкновенной волны частоты

В положит. одноосном кристалле также можно подобрать направления, в к-рых выполняется условие (3) и обыкновенной волной накачки возбуждаются две необыкновенные или обыкновенная и необыкновенная волны:

Рис. 1. Зависимости показателя преломления обынновенной п₀ и необыкновенной п_сволн от частоты (а) и направления распространения (б) в одноосном отрицательном кристалле.

Угол

между направлением волновых векторов и оптич. осью кристалла, наз. углом сиихронизма, является функцией частот накачки и одной из возбуждаемых волн. Изменяя направление распространения накачки относительно оптич. оси (поворачивая кристалл), можно плавно перестраивать частоту П. г. с. (рис. 2,а). Существуют и др. способы перестройки частоты П. г. с., связанные с зависимостью показателя преломления п от температуры (рис. 2,б), внеш. электрич. поля и т. д.
Для увеличения мощности П. г. с. кристалл помещают внутри открытого резонатора, благодаря чему возбуждаемые волны пробегают кристалл многократно за время действия накачки (увеличивается эфф. длина взаимодействия, рис. 3). Перестройка частоты такого резонаторного П. г. с. происходит небольшими скачками, определяемыми разностью частот, соответствующих продольным модам резонатора. На практике используются одпорезонаторные П. г. с., в к-рых обратная связь с помощью зеркал резонатора осуществляется только для одной из возбуждаемых волн, и двухрезонаторные П. г. с. с обратной связью на обеих частотах

Порог самовозбуждения двухрезонаториого
П. г. с. определяется добротностями резонаторов Q_l и Q₂ на частотах

: т >

В однорезонатор-ном П. г. с. порог возбуждения выше: т >

однако в нём можно выполнять более плавную перестройку частоты и он менее требователен к стабильности частоты накачки и механич. вибрациям зеркал и др. элементов.

Рис. 2. Зависимость длины волны, генерируемой параметрическим генератором света, от угла синхронизма

(а)и температуры Т (б)при

= 0,266 мкм; е - оо.

Рис. 3. Нелинейный кристалл, помещённый в оптический резонатор. 3₁ и 3₂ - зеркала, обеспечивающие обратную связь (отражение) для одной из возбуждаемых воли - однорезона-торный параметрн-чееский генератор света, или для обеих волн на частотах

- двухрезонаторный параметрический генератор света.

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

Оптические характеристики некоторых нелинейных кристаллов, используемых в параметрических генераторах света

Материал	Диапазон прозрачности, мкм	Нелинейность⁽²⁾/n³х 10^-18, ед. CGSE	Пороговая интенсивность разрушения, МВт/см²
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. Отдельные параметрические генераторы света обеспечивают перестройку частоты в пределах 10% от

Особую ценность параметрических генераторов света с плавной перестройкой частоты представляют для ИК-диапазона спектра. Во мн. странах выпускаются промышленные образцы разл. параметрические генераторы света. Уникальные характеристики параметрических генераторов света (когерентность излучения, узость спектральных линий, высокая мощность, плавная перестройка частоты) делают его основным, а порой единственным прибором для спектроскопич. исследований (активная спектроскопия и др.), а также позволяют использовать его для селективного воздействия на вещество (в т. ч. биологическое), для контроля загрязнения атмосферы и в др. целях.

Литература по параметрическим генераторам света

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.