Прикладная нелинейная оптика: Генераторы второй гармоники и параметрические генераторы света - Дмитриев В.Г.
Скачать (прямая ссылка):
Наконец, к третьему типу отнесем параметрические генераторы света (ПГС). Перестройка частоты осуществляет-
278
Гл. 5. Параметрическая генерация света
ся здесь на основе параметрического взаимодействия световых волн в нелинейном кристалле.
Принцип ПГС и возможные схемы перестройки частоты предложены в 1962 г. в работе Ахманова и Хохлова [5], а также Кролля [6] и Кингстона [7]. Впервые оптическая параметрическая генерация получена в 1965 г. [8]. Вопросы теории параметрических усилителей и генераторов рассматривались в [9—24] и ряде других работ. Отметим также обзоры [25—29J.
В настоящее время наибольшее внимание привлекают перестраиваемые лазеры на красителях и ПГС. Диапазон перестройки лазеров на красителях составляет 0,3—1,2 мкм (в длинах волн излучения), а ПГС = 0,4—22 мкм. Параметрические генераторы на поляритонах позволяют, в принципе, осуществлять перестройку в области от 50 до 1000 мкм.
Трехчастотное параметрическое взаимодействие световых волн в нелинейной среде. В § 1.3 было показано, что при распространении в квадратично-нелинейной среде двух световых волн
= в! Ах ехр [i (<»! t — lqr)] -f к. с.
и
Е2 = y е2 Л2 ехр [г (ю21 — k2 г)] -f к. с. возникает, в частности, волна поляризации
Pil)=-^- х : ele2{AlA*2 ехр [i (cOj.—со2) t —
— i (ki — к2)г] + к. с.},
которая может породить переизлученную световую волну на частоте % — со2 с волновым вектором kt—k2. Предположим, что в среде распространяются три когерентные световые волны: интенсивная волна накачки
Ен(--> 0= у еп Мн (г> 0 ехР [* (®iJ — kn г)] -f- к. с.} (5.1.1а) и две слабых световых волны — сигнальная волна
Ес (г> 0 = у ес {Ас (г, t) ехр [г (сос t — kc г)] -|- к. с. (5.1.1 б)
5.1. Введение
279
и холостая волна
Ex(r> 0 = Yex^x^’^exp[t(®x^k^r)1 + K' с') (5ЛЛв)
(названия «сигнальная» и «холостая», вообще говоря, условны). Нелинейное взаимодействие волны накачки и сигнальной волны может порождать переизлученную волну на частоте сон—со0 с волновым вектором кн—кс, а взаимодействие волны накачки и холостой волны — переизлученную волну на частоте сон—сохс волновым вектором кн—кх. Если частоты и волновые векторы удовлетворяют условиям
©с “Ь ©х = ®н, (5.1.2)
kc + kx = kH, (5.1.3)
то отмеченные выше нелинейные взаимодействия могут приводить к усилению сигнальной и холостой волн за счет перекачки в них части энергии волны накачки. Условие (5.1.3) есть условие волнового (фазового) синхронизма. Вместе с (5.1.2) оно определяет условия эффективного параметрического взаимодействия трех рассматриваемых световых волн (трехчастотное параметрическое взаимодействие).
Параметрические процессы в радиотехнике и в оптике. Параметрические процессы широко используются в радиотехнике. К ним относят процессы, обусловленные периодической модуляцией реактивных параметров контура (емкости или индуктивности); см., например, [30]. При низких частотах модуляция может осуществляться механически, например, за счет быстрого вращения диэлектрической пластины в конденсаторе. В этом случае хорошо видно, что параметрический процесс по своей сути является процессом линейным; это есть модуляционный процесс.
Об этом полезно помнить при переходе к высоким частотам, когда для модуляции параметров контура приходится использовать нелинейные элементы, например, заменять емкость полупроводниковым диодом. Естественно, что при введении в контур нелинейного элемента параметрический процесс приобретает черты нелинейного процесса. Однако его нелинейность непринципиальна в том смысле, что выступает здесь, лишь как средство осуществления высокочастотной модуляции параметров системы.
Переходя к нелинейной оптике, подчеркнем, что и в данном случае параметрические процессы являются в сущ-
280
Гл. 5. Параметрическая генерация света
ности линейными модуляционными процессами (модулируется во времени и пространстве такой «параметр» среды как диэлектрическая проницаемость).
Существенно, однако, что для осуществления модуляции в оптическом диапазоне частот необходима нелинейная среда. Поэтому параметрическое взаимодействие световых волн имеет нелинейный характер и должно рассматриваться в рамках нелинейной оптики.
Приведем в этой связи замечание, сделанное Ахмановым и Хохловым во вступительной статье к монографии [11]. Отмечая, что параметрические оптические эффекты — это «эффекты, протекающие в средах, параметры которых заданным образом меняются с помощью внешних сил», авторы статьи указывают на то, что эти эффекты, строго говоря, не относятся к нелинейной оптике, поскольку «они имеют место и в весьма слабых световых полях, где их протекание не зависит от интенсивности света... Вместе с тем то обстоятельство, что параметрические эффекты определяются теми же физическими свойствами среды, как и оптические эффекты, зависящие от интенсивности световой волны, и, следовательно, всегда проявляются как обратное воздействие среды на поле, методическая общность в теоретическом рассмотрении задач о воздействии поля иа среду и среды с переменными параметрами на поле делает целесообразным включение параметрической оптики в качестве одного из разделов в нелинейную оптику, рассматриваемую в более широком смысле». Дополняя эту мысль, авторы вступительной статьи отмечают тот факт, что если параметры среды модулируются с помощью интенсивной световой волны, то эта ситуация «в равной мере относится и к параметрической оптике, и к нелинейной оптике, понимаемой в узком смысле».
