Прикладная нелинейная оптика: Генераторы второй гармоники и параметрические генераторы света - Дмитриев В.Г.
Скачать (прямая ссылка):
3.2. Учет тепловых самовоздействий
167
Рис. 3.11 Рис. 3.12
вающие не экстремальный, а определенный уровень мощности второй гармоники.
На рис. 3.10 предполагалось, что vx«v2. В этом случае увеличение крутизны и появление гистерезисного участка наблюдается на левом склоне кривой синхронизма, т. е. в области «недогрева« кристалла. При vx >v2 аналогичные явления возникнут в области «перегрева» кристалла (на правом склоне кривой синхронизма).
Заметим, что на практике обычно vx < v2. Это объясняется, во-первых, тем, что длина волны второй гармоники лежит ближе к УФ-краю полосы поглощения в кристалле, чем длина волны основного излучения. Во-вторых, заметный вклад в б2 может давать нелинейное (двухфотонное) поглощение (см. § 3.3).
Генерация второй гармоники одиночными импульсами [19, 24]. Если основное излучение представляет собой мощный одиночный импульс, длительность которого ти меньше характерного времени установления стационарного температурного поля (т„ < 10 нс), то происходит локальный нагрев нелинейного кристалла; при этом процессы переноса тепла из одной точки кристалла к другой оказываются практически несущественными. Температура в данной точке (а следовательно, и тепловая расстройка) увеличивается во времени по мере возрастания поглощенной кристаллом энергии. В результате условие синхронизма в течение импульса все более нарушается, что приводит к «завалу» импульса второй гармоники на этапе спада. Это видно иа рис. 3.11, где качественно показана форма импульса второй гармоники для разных значений параметра v (Vx < v2 < v3). Входной импульс основного излучения имел в данном случае прямоугольную форму.
Отметим, что тепловые самовоздействия для мощных одиночных цмпульсов обусловливают предельную длительность импульса ос-
168
Гл. 3. Специальные вопросы генерации второй гармоники
Рк
1L-2
,4
-4 -2 О
а)
2 АТ,К ~3-2-1 0 1 2 3 х.мм
б)
Рис. 3.13
новного излучения. Увеличение длительности импульса сверх предельного значения не приводит к возрастанию энергии импульса второй гармоники [24].
О важности учета тепловых самовоздействий. Учет тепловых самовоздействий очень важен при рассмотрении генерации второй гармоники, например, в кристаллах LiNbOg, CDA, DCDA, возбуждаемых излучением мощных импульсных лазеров на ИАГ: Nd3+, работающих в периодическом режиме. Очевидно, что коэффициент преобразования г]2 монотонно падает с ростом средней входной мощности основного излучения <РХ (0)> (даже если для каждого значения <.PL (0)> подбирать оптимальную температуру термостата). На рис. 3.12 показаны теоретические и экспериментальные зависимости ц 2 от •<Р1 (0)> в кристаллах CDA и DCDA [23]. Видно, что если принять минимально допустимый коэффициент преобразования равным 10%, то кристалл CDA может использоваться лишь при <Pi (0)> < 10 Вт; при более высоких значениях <Рi (0)> тепловые самовоздействия приводят к уменьшению т]2 До значений ниже 10%. В кристалле DCDA, обладающем меньшим поглощением, тепловые самовоздействия проявляются в меньшей степени; этот кристалл можно использовать до значений <Рг (0)>, равных примерно 40 Вт.
На рис. 3.13 представлена кривая синхронизма для кристалла DCDA в 90-градусном синхронизме (на рисунке использовано обозначение р = <Р§ (/)>/<Р? (0>щ»х-
3.3. Дополнительные ограничивающие факторы
•При этом <РХ (0)>= 20 Вт, Aj. == 1064 нм, / = 310 Гц; размеры кристалла: 1x1x4 см. Там же представлены соответствующие разным точкам на кривой синхронизма поперечные (по координате х) распределения плотности выходной мощности второй гармоники S2 (/, х). Так, точке 1 на кривой синхронизма соответствует колоколообразное распределение плотности мощности (ближняя зона), точке
2 (максимальная эффективность преобразования) — кольцевая структура поля второй гармоники.
Для уменьшения вредного влияния тепловых эффектов надо уменьшать потери излучения в нелинейном кристалле. В этой связи представляется перспективным отказ от традиционной аксиально-симметричной геометрии пучков и кристаллов, использование «щелевых», эллиптических, «кольцевых» пучков и т. п.
3.3. НЕКОТОРЫЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ФАКТОРЫ, ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГЕНЕРАЦИИ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ
С появлением частотных импульсных лазеров на ИАГ: Nd3+, сочетающих в себе высокие пиковые мощности (десятки мегаватт) с высокой средней мощностью излучения (десятки ватт), был выявлен ряд дополнительных факторов, ограничивающих эффективность преобразования во вторую гармонику [23].
Нелинейное поглощение. Предположим, что в диэлектрике распространяются волна основного излучения (плотность мощности Sx) и волна второй гармоники (плотность мощности 5а). Если не принимать во внимание нелинейное взаимодействие волн, приводящее к преобразованию излучения одной частоты в излучение другой частоты, то можно записать следующие выражения для производных dSJdz и dS2/dz с учетом как линейного, так и нелинейного поглощения излучения в среде [25, 26]:
dSjdz = —(бх -f- PxjSx + P12S2) ^i’> ds2/dz = --(б2 -f- р22*^2 4" Pl2*^l) *^2- (3.3.1)
Члены 6 1S1 и S2S2 учитывают обычное (линейное) поглощение. Остальные члены в правых частях уравнений (3.3.1) учитывают нелинейное поглощение, обусловленное
