Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 71
Текст из файла (страница 71)
Также лазеры на основе Т(-сапфира и на красителях функционируют с умножением частоты, генерируя коротковолновое, перестраиваемое излучение. 19.4. Параметрические генераторы Если в кристалле распространяются две волны с разными частотами ш, и ш„то, согласно уравнению (19.6), образуются нелинейные составляющие поляризации, которые колеблются с суммарной и разностной частотой шз + шз и излучают соответствующие волны.
Образование разностной частоты может использоваться только для параметрического усиления света. При этом в нелинейный кристалл поступает интенсивная волна накачки с частотой ш и усиливаемая сигнальная Р (объектная) волна с частотой оз, (рис. 19.6). В кристалле формируется волна с разностной частотой: (19.12) (О, = аз — О), ЗР Р так называемая вспомогательная, или промежуточная волна (англ. Ы!ег иаче). Чтобы этот процесс протекал достаточно эффективно, требуется согласование показателей преломления, то есть должно иметь силу; (19.13) иго =и ш — пас Р Р 55.5. П р ° р -« .м„р,,р ЗЗД~Е~ Теперь упомянутая промежуточная волна, в свою очередь, взаимодействует с сигнальной волной и волной накачки. В результате формирования разностной частоты волны накачки и промежуточной волны (причем согласно уравнению 19.! 3 также имеет место согласование показателей преломления) образуется волна с частотой ю = о) — а) На основе этого процесса усиливается поглощенная сигнальная 5 Р волна.
С помощью кристаллов (.(ХЬОз длиной в несколько сантиметров достигаются, например, коэффициенты усиления для сигнальной волны до С7 = 100. а] ез (Сигнальная волна) ир (Волне накачки) ьй (Промежуточная волна) = ы -ыр Нелинейный кристалл б) Рве. 19.6. (в) Параметрический усилитель, (б) параметрический генератор Параметрический генератор состоит из нелинейного кристалла, облучаемого интенсивной волной накачки и заключенного между двумя зеркалами (рис, 19.6). При постоянно существующем шуме электромагнитного поля в результате параметрического усиления усиливается та световая волна, для частоты которой согласованы показатели преломления по уравнению (19.13). В силу отражения зеркалами сигнальная волна многократно проходит через кристалл и в итоге усиливается, если усиление в кристалле больше, чем потери в резонаторе.
Таким образом, в конце концов устанавливается стационарная амплитуда. Одновременно в процессе усиления формируется промежуточная волна с частотой ат = а) — о) Р При дважды резонансном генераторе коэффициент отражения зеркал для сигнальной и промежуточной волн достаточно высок. В этом случае уже теряет смысл наличие разницы между сигнальной и промежуточной волнами. Параметрический усилитель либо параметрический генератор может перестраиваться при постоянной частоте накачки, причем показатели преломления варьируются, и в итоге достигается фазовое согласование для различных пар частот сигнальной и промежуточной волн.
Показатель преломления может изменяться, например, путем вращения кристалла (рис. 19.7) или посредством регулирования температуры. Параметрические генераторы представляют интерес, прежде всего, как непрерывно перестраиваемые источники света для инфракрасной области спектра, для которой не существует лазеров на красителях. Известно, что в лабораторных устройствах достигалась эффективность преобразования во вторую гармонику до (~4» г г». пр»р нескольких десятков процентов. С лазером на основе ЫХЬОз удавалось получить параметрическую генерацию в непрерывном режиме, причем накачка осуществлялась лазером на Хд: ИАП 3,5 З,о й 2,5 в 2,0 е О „", 1,5 ~ 1,0 0,5 0 10' 20' 30' 40' 50' 50' 70' 50' Угол фазового согласования Рис.
)К7. Кривая перестройки параметрического генератора из ВВО. Угол показывает направление распространения света относительно оптической оси. С углом, например, 40' и длиной волны накачки)» =266 мкм формируется параллин волн около 0,3 мкм и ),) мкм Р (данные фирмы <Гзенгер») 19.5. Вынужденное комбинационное рассеяние На основе комбинационного рассеяния достигается генерация целого ряда новых частот лазерного излучения. Комбинационное рассеяние можно представить как неупругий процесс рассеяния фотонов молекулами (рнс. 19.8), к которым подводится либо у которых отнимается колебательная энергия.
Падающий квант света )!у; в результате рассеяния переводится в квант )тум причем разностная энергия у()к = а (), — /,) поглощается молекулой. Имеем: 3 Р к' (19. 14) (а) (5) Рис. )ч.а. Комбинационное рассеяние молекулой с частотой колебаний (К. (а) Создание первой стоксовой линии, (5) создание первой антистоксовой линии Сдвиг частоты при комбинационном рассеянии Га зависит от состояний возбуждения молекулы (см. таблицу 19.2).
Представленный на рис. ! 9.8а процесс описывает генерацию первой стоксовой линии. (Д.5. В у д б ц р 3~4~Я зьбдддд 19д. Сдвиг частоты при комбинационном рассеянии/ некоторых молекул Среда Н СН Х НР Сдвиг частоты при комбинационном раесеянииГ, см' 4155 2914 2330 3962 Если молекула перед рассеянием находится в возбужденном состоянии, то рассеянный фотон может обладать (см. рис. 19.8б) более высокой энергией, чем падающий фотон, и тогда полагаем: (19.
15) В этом случае речь идет о генерации первой антистоксовой линии. Промежуточные уровни и н ц на рис. 19.8 могут быть реальными либо виртуальными, то есть описывают только очень кратковременное возбуждение молекул. Рассматриваемое до сих пор спонтанное комбинационное рассеяние является ненаправленным и обладает довольно низким кпд. Поэтому оно не годится для преобразования частоты видимого лазерного излучения. Но при большой поглощенной интенсивности комбинационное рассеяние может быть очень эффективным в прямом или также обратном направлениях, и это будет уже вынужденное рассеяние. Генерируемый в результате этого луч первой стоксовой линии обладает таким же качеством, что и используемый для накачки падающий лазерный луч.
При вынужденном комбинационном рассеянии частота накачки )', возбуждает множество молекул на уровень и, что приводит к инверсии относительно уровня 2. Вследствие этого излучение с частотой г', усиливается вынужденным испусканием, что вызывает — так же, как и в случае сверхизлучателя — направленное излучение. При более высоких плотностях мощности образуются, наряду с первой стоксовой линией, еще и другие линии с частотным интервалом (ю То же касается и первой антистоксовой линии.
Появление этих линий высшего порядка можно объяснить многократным комбинационным рассеянием. Максимальная скорость преобразования т1 для энергии или мощности волны накачки с частотой7р в стоксову волну с частотой/; в результате комбинационного рассеяния составляет; Ч=((, — Г„)/(„ (! 9.16) С величиной )д для метана получаем из таблицы 19.2 — при накачке, например, с помощью лазера на Хд: ИАГ с удвоенном частотой (532 нм) — теоретический коэффициент полезного действия т) = 84 % при длине генерированной волны 630 им. Эффективность, достижимая на практике, будет несколько ниже.
Самым простым устройством генерации излучения со сдвинутой при комбинационном рассеянии частотой представляется достаточно длинная газовая ячейка под высоким давлением порядка 100 бар, наполненная, например, метаном. Для повышения плотности мощности луч накачки фокусируется в газ. Такие рамановские ячейки накачиваются, в частности, с помощью твердотельных лазеров либо лазеров на эксимере (рис. 7.6), причем новые линии создаются в УФ- и И К-диапазонах. Также и в твердотельных лазерах можно наблюдать вынужденное комбинационное рассеяние (рис.
19.9). Сдвиги частоты интенсивных рамановских линий составляют (342 р !р. пр нр нередко около 1000 см ' и, следовательно, гораздо менее значительны, чем у молекул. Если в дополнение к интенсивному излучению накачки на среду комбинационного рассеяния попадает еще и излучение со сдвинутой частотой, то оно усиливается. Стекловолокна из 010, с диодной накачкой используются тогда в роли усилителей комбинационного рассеяния в передающих стекловолоконных линиях. 400 800 800 1000 1200 л (ппл1 700 800 900 1000 1100 л [еп1 В случае простой ячейки комбинационного рассеяния при интенсивной накачке одновременно образуется несколько линий.
Посредством селективных зеркал на концах ячейки или, соответственно, рамановского кристалла может быть создан лазер на комбинационном рассеянии — подобный тому, что показан на рис. 19.10, где происходит подавление нежелательных линий. луч Луч на В 2004 году сотрудниками фирмы «Интел» в Калифорнии был продемонстрирован кремниевый лазер на комбинационном рассеянии. Однако для него предусматривалась оптическая накачка с помощью диодного лазера на полупроводниковом соединении Ан1Вт, так что его нельзя считать кремниевым диодным лазером в полном смысле. Х х я ох йа Зс Ю М а а в х р р е 5 э*о и х а Х ья й Н си н р х 8 ье о х н х б я ха Д яо Рис.
19.9. Спектр вынужденного антистоксова комбинационного рассеяния в кристаллах КОд (9УО4) л и хлората натрия ХаС!О1 с показанной ориентацией. Падающие лазерные импульсы с длиной волны 1064 нм имели длительность 100 пс и фокусировались на пятно диаметром 75 мкм. Длина кристалла составляла 15 — 30 мм. Приведенные сдвиги частоты при комбинационном рассеянии 768 см' и 936 см' зависят от кристалла и его ориентации Рис. 19.10.
Лазер на комбинационном рассеянии; посредством фокусированного луча накачки в кристалле генерируется вынужденное комбинационное рассеяние. Оптическая обратная связь с двумя зеркалами приводит к образованию лазерного луча, который, по сравнению с лучом накачки, сдвинут на величину частоты колебаний. Прн использовании кристалла из КОб (%0„), на основе длины волны накачки, например, 1064 нм создаются длины волн лазера на комбинационном рассеянии!! 77 нм или 1159 нм !Рдс д рр«р Р уу д 34~~) 19.6. Создание непрерывного спектра 1континуума) Интенсивный световой импульс, распространяющийся в материальной среде, в силу высокой напряженности своего поля изменяет показатель преломления.
Этим объясняется разное время распространения различных частей импульса— например, переднего фронта, максимума и среза, а за средой отмечается сильная фазовая модуляция. Поскольку фаза изменяется во времени, варьируется и частота во время распространения импульса (происходит внутриимпульсная частотная модуляция — см. здесь также п.17.5). В результате такой фазовой самомодуляции удается получить с интенсивным световым импульсом широкий спектр, известный под названием «континуума в белом свете». Эти континуумы (рис. 19.11) способны перекрыть всю видимую область спектра и возможны также в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
