Прикладная нелинейная оптика: Генераторы второй гармоники и параметрические генераторы света - Дмитриев В.Г.
Скачать (прямая ссылка):
Однако, как отмечается в [44], реализация ПГС обратной волны затруднена из-за недостаточно сильного двулучепреломления в нелинейных кристаллах. Синхронизм вида (5.7.1) возможен только в существенно невырожденном режиме и при наличии сильного двулучепреломления. Значительно легче реализовать этот синхронизм в слоистых нелинейных средах, где условие (5.7.1) принимает вид
©1 + ®2 = и3; — k2 = k3 — 2л10 (5.7.10)
(10 — пространственный период модуляции показателя преломления и, следовательно, коэффициента нелинейной связи). Создание таких сред вполне осуществимо на современном уровне развития пленочной технологии.
Параметрическая генерация в пикосекундном диапазоне длительностей импульсов (накачка ультракороткими импульсами). Возможность получения с помощью ПГС ультракоротких импульсов (УКИ) излучения, перестраиваемого в ИК диапазоне, привлекает исследователей, работающих в области ИК спектроскопии с высоким и сверхвысоким временным разрешением. Один из путей получения такого излучения связан с накачкой нелинейного кристалла ультракороткими лазерными импульсами. Вслед-
*Перестройка частоты в ПГС обратной волны осуществляется поворотом кристалла относительно пучка накачки или изменением температуры (как и в ПГС обычного типа).
5.7. Специальные вопросы параметрической генерации света 327
ствие очень высокой импульсной мощности УКИ возможно эффективное усиление параметрической люминесценции в поле УКИ-накачки (параметрическая сверхлюминесценция). В результате на выходе нелинейного кристалла в отсутствие зеркал резонатора возникает волна сверхлюминесценции с мощностью, достаточной для многих практических применений.
Будем рассматривать параметрическую сверхлюминесценцию в поле УКИ-накачки как источник плавно перестраиваемого ИК излучения в пикосекундном диапазоне длительностей импульсов. Как известно (см. § 3.4), в этом диапазоне проявляются эффекты группового запаздывания импульсов и (в меньшей степени) дисперсионного расплывания. Плотность пиковой мощности УКИ твердотельных лазеров с синхронизацией продольных моД достигает 109 Вт/см2, что соответствует амплитуде поля накачки в импульсе а30л;6-105 В/см (в кристалле LiNb03). Это приводит к значениям коэффициента усиления за проход порядка 10го. При таком усилении уже на одном проходе световой волной нелинейного кристалла может сказаться нелинейный режим параметрической сверхлюминесценции (обратная перекачка энергии от параметрических волн в волну накачки). Параметрическая сверхлюминесценция в поле УКИ-накачки описывается тремя уравнениями для комплексных амплитуд Аг, А2, А з, включающими члены с первыми и вторыми производными амплитуд по времени, учитывающие соответственно групповое запаздывание и дисперсионное расплывание импульсов (см. § 3.6). Выпишем только уравнение для амплитуды Ах-
dAJdz = igxd2Axld\i2 — vudAJd\i — г сг И 3А \ —
-ЬхАх, (5.7.11)
где \1 — t—zlux — локальное время [см. (3.4.13)]; иг —
групповая скорость импульса с амплитудой Ax', gx = X
X d^/dcoi — коэффициент дисперсионного расплывания; vjx = uj1 — «71 — расстройка групповой скорости импульса с А} относительно групповой скорости импульса с Аг (очевидно, что vn = 0; однако, v21=^ 0, vз1Ф 0).
Подробный анализ параметрической сверхлюминесценции в поле УКИ-накачки проведен в [45]. Установлено, что импульсы параметрических волн по мере усиления в кри-
328
Гл. 5. Параметрическая генерация света
сталле проявляют тенденцию к сужению. Согласно расчетам с помощью параметрического усиления в поле УКИ возможно получение фемтосекундных импульсов (ти » 6 х X 10~14 с для LiNbOg). При больших импульсных плотностях мощности УКИ-накачки максимальный коэффициент преобразования достигается при небольших (около 4 см для KDP) длинах взаимодействия и ограничивается обратной перекачкой в волну накачки. Уменьшение плотности мощности накачки повышает предельно возможный коэффициент преобразования; однако требуемая для этого длина кристалла возрастает. На рис. 5.29 представлены зависимости t]s от I для кристалла KDP, = 0,53 мкм, тн = 5 пс. Эти зависимости построены при различных значениях S30: 20 ГВт/см2 (кривая /); 15 ГВт/см2 (2); 10 ГВт/см2 (3); 5 ГВт/см2 (4) [45].
В экспериментах по возбуждению параметрической сверхлюминесценции в поле УКИ-накачки достигнуты значения Tls 10 -н 12% [46, 47]. Особенно эффективны схемы на двух последовательно расположенных кристаллах а-НЮ3; однако эксплуатационно более удобны кристаллы группы KDP (r)s я* 6 -f- 8%). Экспериментальные исследования показали, что при возбуждении параметрической сверхлюминесценции возбуждаются также конкурирующие процессы и в первую очередь вынужденное комбинационное рассеяние, снижающее эффективность преобразования на 20— 30%.
Расходимость излучения накачки и векторные параметрические взаимодействия приводят к уширению спектра сверхлюминесценции и к уменьшению спектральной яркости выходного излучения (особенно при оое-синхронизме). Реальные значения ширины спектра составляют примерно 120 см-1 для вырожденного режима и 10 см-1 для невырожденного (у = 0,4) в кристалле LiIOs. При оее-синхронизме спектр сверхлюминесценции для кристалла KDP составляет 4—5 см-1 для любых y, что объясняется меньшей крутизной перестроечных кривых для оее-взаимодействия по сравнению с кривыми для оое-взаимодействия (см. рис. 5.5).
