Параметрические генераторы света

Параметрические генераторы света, источники когерентного оптического излучения, основным элементом которых является нелинейный кристалл, в котором мощная световая волна фиксированной частоты параметрически возбуждает световые волны меньшей частоты. Частоты параметрически возбуждаемых волн определяются дисперсией света в кристалле. Изменение дисперсии среды, т. е. величины n, позволяет управлять частотой волн, излучаемых П. г. с.

  П. г. с. предложен в 1962 С. А. Ахмановым и Р. В. Хохловым (СССР). В 1965 были созданы первые П. г. с. Джорджмейном и Миллером (США) и несколько позднее Ахмановым и Хохловым с сотрудниками. Световая волна большой интенсивности (волна накачки), распространяясь в кристалле, модулирует его диэлектрическую проницаемость e (см. Нелинейная оптика). Если поле волны накачки: Е_н = Е_ноsin (w_нt— к_нх + j_н) (к_н = w_н/u_н — волновое число, j_н — начальная фаза), диэлектрическая проницаемость e изменяется по закону бегущей волны: e = e₀[1 +m sin (w_нt + к_нх + j_н], где m = 4pcЕ_н0/e₀ называется глубиной модуляции диэлектрической проницаемости, c— величина, характеризующая нелинейные свойства кристалла. У входной грани (х = 0) кристалла с переменной во времени диэлектрической проницаемостью e возбуждаются электромагнитные колебания с частотами w₁ и w₂ и фазами j₁, j₂, связанными соотношениями: w₁ +w₂ = w_н и j₁+ j₂ = j_н, аналогично параметрическому возбуждению колебаний в двухконтурной системе (см. Параметрическое возбуждение и усиление электрических колебаний). Колебания с частотами w₁, w₂ распространяются внутри кристалла в виде двух световых волн. Волна накачки отдаёт им свою энергию на всём пути их распространения, если выполняется соотношение между фазами:

  j_н (х) = j₁(х) + j₂(х) + p/2. (1)

  Это соответствует условию фазового синхронизма:

  к₁ + к₂ = к_н. (2)

  Соотношение (2) означает, что волновые векторы волны накачки к_н и возбуждённых волн k₁ и k₂ образуют замкнутый треугольник. Из (2) следует условие для показателей преломления кристалла на частотах w_н, w₁, w₂: n (w_н) ³ n (w₂)+ [n (w₁) — n (w₂)] w₁/w_н.

  При фазовом синхронизме амплитуды возбуждаемых волн по мере их распространения в кристалле непрерывно увеличиваются:

  , (3)

  где d — коэффициент затухания волны в обычной (линейной) среде. Очевидно, параметрическое возбуждение происходит, если поле накачки превышает порог:  . В среде с нормальной дисперсией, когда показатель преломления n увеличивается с ростом частоты w, синхронное взаимодействие волн неосуществимо (рис. 1). Однако в анизотропных кристаллах, в которых могут распространяться два типа волн (обыкновенная и необыкновенная), условие фазового синхронизма может быть осуществлено, если использовать зависимость показателя преломления не только от частоты, но и от поляризации волны и направления распространения. Например, в одноосном отрицательном кристалле (см. Кристаллооптика) показатель преломления обыкновенной волны n₀ больше показателя преломления необыкновенной волны n_e, который зависит от направления распространения волны относительно оптической оси кристалла. Если волновые векторы параллельны друг другу, то условию фазового синхронизма соответствует определённое направление, вдоль которого:

  2n_e (w_н, J_с) = n₀(w₁) + n₀(w_н—w₁),

  2n_e (w_н,J_с) = n₀(w₂) + n_e (w_н—w₂). (4)

  Угол J_с относительно оптической оси кристалла называется углом синхронизма, является функцией частот накачки и одной из возбуждаемых волн. Изменяя направление распространения накачки относительно оптической оси (поворачивая кристалл), можно плавно перестраивать частоту П. г. с. (рис. 2). Существуют и др. способы перестройки частоты П. г. с., связанные с зависимостью показателя преломления n от температуры, внешнего электрического поля и т.д.

  Для увеличения мощности П. г. с. кристалл помещают внутри открытого резонатора, благодаря чему волны пробегают кристалл многократно за время действия накачки (увеличивается эффективная длина кристалла, рис. 3). Перестройка частоты такого резонаторного П. г. с. происходит небольшими скачками, определяемыми разностью частот, соответствующих продольным модам резонатора. Плавную перестройку можно осуществить, комбинируя повороты кристалла с изменением параметров резонатора.

  Во многих странах организован промышленный выпуск П. г. с. Источником накачки служит излучение лазера (импульсного и непрерывного действия) или его оптических гармоник. Существующие П. г. с. перекрывают диапазон длин волн от 0,5 до 4 мкм. Разрабатываются П. г. с., перестраиваемые в области l 10—15 мкм. Отдельные П. г. с. обеспечивают перестройку частоты в пределах 10% от w_н. Уникальные характеристики П. г. с. (когерентность излучения, узость спектральных линий, высокая мощность, плавная перестройка частоты) превращают его в один из основных приборов для спектроскопических исследований (активная спектроскопия и др.), а также позволяют использовать его для избирательного воздействия на вещество, в частности на биологические объекты.

  Лит.: Ахманов С. А., Хохлов Р. В., Параметрические усилители и генераторы света, «Успехи физических наук», 1966, т. 88, в. 3, с. 439; Ярив А., Квантовая электроника и нелинейная оптика, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1973.

  А. П. Сухоруков.

Рис. 3. Нелинейный кристалл, помещенный в оптический резонатор; З₁ и З₂ — зеркала, образующие резонатор.

Рис. 2. а — условие синхронизма в нелинейном кристалле; J — угол между оптической осью кристалла и лучом накачки; J_с — направление синхронизма; б — изменение длины волнового вектора k_н необыкновенной волны накачки и обыкновенных генерируемых волн k₁ и k₂ при повороте кристалла; в — зависимость частот w₁ и w₂ генерируемых волн от J.

Рис. 1. Зависимость показателя преломления n от частоты волны w при нормальной дисперсии.