Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике - Петров М.П.
Скачать (прямая ссылка):
6.5. Оптические генераторы и пассивные схемы ОВФ на основе ФРК
Как и всякий когерентно-оптический усилитель света, ФРК, накачиваемый внешним лазером, может использоваться для создания оптического генератора. Для этого фоторефрактивный кристалл, очевидно, должен быть помещен в оптический резонатор, обеспечивающий положительную обратную связь по сигнальному пучку.
6.5.1. Кольцевой генератор на основе двухволнового взаимодействия
При использовании усиления за счет двухволнового взаимодействия в ФРК таким резонатором может быть обычный кольцевой резонатор (рис. 6.6). Режим генерации здесь, как и в обычном лазере, реализуется в том случае, если для какой-нибудь из собственных мод: потери в резонаторе окажутся скомпенсированными за счет энергообмена с пучком накачки на смещенной голограмме в объеме ФРК:
М exp (Td) > 1. (6.29),
118
Здесь коэффициент пропускания М характеризует полные потери света при •однократном прохождении по кольцу: на зеркалах, в объеме образца, за счет френе-левских отражений на его гранях, на светоделителе и т. д.
Экспериментально режим генерации при двухволновом взаимодействии в кольцевом резонаторе был впервые реализован в ВаТЮ3 при накачке гелий-неоновым [6.39] и аргоновым [6.40,
6.41] лазерами, а также в BSO на длине волны криптонового Лазера (Я = 568 Нм) Рис. 6.6. Схема кольцевого генератора на [6.42 ]. Экспериментальный основе двухволнового взаимодействия в ФРК. коэффициент преобразования
энергии накачки в генерируемую волну в указанных работах достигал 20ч-60/о.
Важнейшей особенностью оптических генераторов на основе ФРК является наличие частотного сдвига До) между частотой лазерного пучка накачки и частотой световой волны, возбуждаемой в резонаторе. Впервые экспериментально наличие такого сдвига величиной порядка обратного характерного времени формирования голограммы в ФРК (Tsc) было обнаружено именно в рассматриваемой нами здесь схеме кольцевого резонатора [6.41, 6.42]. Предложенное в двух последних работах объяснение данного эффекта, основанное на рассогласовании частот опорного и сигнального световых пучков при наиболее эффективном энергообмене в двухволновом взаимодействии на несмещенной решетке, проходит лишь для кристаллов BSO [6.42], в которых запись осуществлялась во внешнем постоянном поле. Наличие же аналогичного эффекта в ВаТЮ3 [6.41], где за счет диффузионного механизма формируется чисто смещенная голограмма и наиболее эффективным образом двухволновой энергообмен наблюдается при равенстве частот (До) = 0) световых пучков, заставляет предполагать наличие более общей причины, не связанной с конкретным механизмом голографической записи.
Такая фундаментальная причина была впервые разобрана в [6.43]. Она связана с тем, что в рассматриваемой схеме (рис. 6.6), как и во всяком другом генераторе, должно выполняться не только условие энергетического баланса (6.29), но также и условие фазового согласования. Последнее означает, что генерируемая световая волна при полном обходе оптической схемы должна получать фазовый сдвиг, равный целому числу 2л.
1___________1
0 d z
119
В обычных лазерных средах ширина линии усиления, как правило, оказывается гораздо больше частотного сдвига между двумя соседними модами резонатора (=2пс/L, где с — скорость света, L — длина кольцевого резонатора). Поэтому условие фазового согласования здесь выполняется автоматически за счет того, что генерируемые лазером световые волны практически точно отвечают собственным модам резонатора. Незначительным же эффектом «затягивания» мод к центру линии усиления [6.44], как правило, пренебрегают.
При использовании ФРК в качестве активной усилительной среды ситуация изменяется. Эффективная ширина полосы усиления, центрованной около частоты накачки со0, определяется характерным временем формирования голограммы в ФРК fe1 ~ 1 + 103 Гц при приемлемых уровнях накачки) и оказывается гораздо меньше межмодового сдвига 2nc/L ~ 109 Гц. В свою очередь условие энергетического баланса (6.29), очевидно, разрешает генерацию световой волны с частотой со, лежащей около частоты накачки со0, которая может оказаться сильно отличной от ближайшей частоты одной из собственных мод резонатора со; (| Асо,-| = | cot- —• со01 > tJ<!).
Условие фазового согласования может быть удовлетворено здесь только в том случае, когда избыточный фазовый набег AtOjL/c будет скомпенсирован за счет некоторого отклонения Асо частоты генерации со от центральной частоты линии усиления ФРК ©0. Действительно, для подобной сдвинутой по частоте сигнальной волны коэффициент пропускания ФРК в схеме двухволнового взаимодействия на смещенной фазовой решетке в приближении заданного поля накачки оказывается равным [6.43]
Si(d) Г I'd
TS“"exp ЬтПЛЕЙ^Г 1 -еч>
Td
2(1+ Дш2^)
ехр
—/ГЯДоугя
2 (1 + ДоЛ|с)] ' (6.30>
Это фактически означает уменьшение эффективного коэффициента-усиления ФРК и появление дополнительного фазового сдвига из-за-эффекта перекачки фазы, наблюдаемого при наличии частотного сдвига Асо. Условие фазового согласования, выполнение которого-необходимо для возникновения генерации в схеме, приведенной на рис. 6.6, имеет следующий вид:
