Оптика - Годжаев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
Рп л Ы = 4 ЗС(2) Е0, нЕ01 cos Ы - {К - h) х]. (18.27)
Как следует из (18.23) и (18.27), за счет взаимодействия волны
накачки с волнами на частоте сщ и ш2 возникают волны нелинейной
* См.: А х м а н о в С. А., X о х л о в Р. В. ЖЭТФ, 43, 7, 351, 1962, они
же. Проблемы нелинейной оптики. М., 1964, УФЛт 88 выи. 3, 1966.
407
поляризации Ян/Л ((щ) и Рн/л (ш2), что равносильно переизлучению на
соответствующих частотах. Усиление световых волн на частотах кц и со2 за
счет перекачки энергии от волны накачки к слабым волнам произойдет, если
разность фаз между волнами на частотах кц и ш2 и соответствующими волнами
нелинейной поляризации будет сохраняться постоянной на достаточно больших
расстояниях. Это и есть условия максимального взаимодействия между ними.
Условие генерации. Выясним условие усиления световой волны одной из
частот, например саи в нелинейной среде. Как следует из (18.24) и
(18.26), разность фаз между волной нелинейной поляризации Ри/Л (mj) и
световой волной частоты (щ будет постоянной при любых значениях х, если
kH-k2 = k1 (18.28)
или
k1-\-k2 = ka. (18.28а)
Как следует из (18.25) и (18.27), аналогичное условие
усиления
волны о>2 будет - kx = k2, что совпадает с условием (18.28а).
Итак, условие (18.28а), так называемое условие синхронизма (аналогично
условию генерации второй гармоники), есть условие генерации частот кц и
ш2.
Поскольку в нашем случае все три волны распространяются в одном
направлении, т. е. имеет место так называемое одномерное
параметрическое взаимодействие, то выражение (18.28а) можно нарисать и в
^ векторном виде:
й1+й2=/гн. (18.286)
2 Выражение (18.286) более общее, и оно
верно не только при распространении всех трех волн в одном направлении,
но также и в случае распространения волн kt и k2 под некоторыми углами к
волне накачки. В этих случаях также возможны усиления волн.
Практическое осуществление генерации света. Как осуществить практическую
генерацию (усиление) световых волн на частотах кц и <о2? Для этого нужно
направить на нелинейный прозрачный кристалл, поляризация которого имеет
вид (18.22), мощную волну накачки (рис. 18.10). При этом усиливаются те
из всех возможных * внутри кристалла пар волн, суммарная частота которых
удовлетворяет условию синхронизации (18.28а). Если же в кристалле
распространяется лишь одна сигнальная волна частоты (щ, то в среде
автоматически возникает другая волна с частотой ю2 = <он - о"! и
происходит одновременное их усиление. Для получения эффективного усиления
нелинейный кристалл располагают между зерка-
Зеркало
ifpucrrmi
*тг
Рис. 18.10
* Слабые волны (так называемые сигнальные волны) могут возникнуть в
результате собственных тепловых флуктуаций, всегда имеющих место в
кристалле.
408
лами, обладающими достаточно большими коэффициентами отражения для
усиливаемых ("ц и ш2) волн, но малыми для волны накачки. Но все это еще
не есть решение поставленной в начале этого параграфа задачи о создании
мощного генератора света с перестраиваемой частотой.
Осуществление перестройки частоты. Как осуществить перестройку частоты?
Известно, что в анизотропных кристаллах существуют направления
синхронизма, вдоль которых возможно параметрическое усиление одновременно
двух, но вполне определенных для данного направления волн, для которых
выполняются (одновременно) уже известные нам два условия:
со,, = o>i + ш2 (частотное соотношение), (18.29)
ka = К + ^2 (условие синхронизма).
Если менять направление распространения волны накачки по отношению к
оптической оси кристалла (например, путем вращения самого кристалла при
неизменном направлении распространения волны накачки), то очевидно, что
условие синхронизма для волн cox и ю2 нарушится и никакое их усиление не
произойдет. Однако по новому направлению условие синхронизма выполняется
уже для других, отличных по частоте от прежних на некоторую величину ш
волн, а именно:
X (со,,) =Х ("ц-f со) 4- k2 (со2 - со). (18.30)
Поскольку и в этом случае частотное соотношение остается в силе
(Шц = COi + Сй5 = СЙ! + СО' С02 со' = COj + со2), то в этом новом
направлении произойдет усиление волн с частотами col = cox + со
и соа = со2 - со. Величина со зависит от угла О между
направле-
нием распространения волны накачки и оптической осью кристалла.
Следовательно, плавно меняя каким бы то ни было способом этот угол, можно
осуществить плавную перестройку частот.
В первых работах С. А. Ахманова, Р. В. Хохлова и их сотрудников,
заложивших основы осуществления параметрического генератора света, в
качестве нелинейного кристалла был применен кристалл длиной I = 3 см KDP,
использование которого позволило, в частности, освоить более
коротковолновые диапазоны, а изменение угла О производилось механическим
вращением кристалла в резонаторе. Использование механической системы
перестройки позволило авторам создать более широкодиапазонный генератор
света, чем генератор Джордмейна и Миллера, и добиться значительно лучшей
