principy_nelinejnoj_optiki_1989 (769482), страница 101
Текст из файла (страница 101)
Волновой вектор моды волновода в общем случае зависит от раэмеров волновода и окружающих его сред. В тонкопленочном волноводе можно менять относительные величины К(а) и К(2е) путем подбора толщины пленки или погружая пленочный волновод в жидкость и подбирая покаватель преломления жидкости. Как было показано экспериментально, этим способом можно добиться выполнения условия синхронизма К(2е) = 2К(е) для процесса генерации второй гармоники (3, 4). При выполнении условия синхрониэма наблюдалась даже генерация второй гармоники в УФ диапазоне в непрерывном режиме при мощности накачки всего 0,5 Вт Я.
Однако существуют определенные трудности, которые не позволяют использовать на практике тонкопленочные волноводы в качестве удвоителей частоты лазерного излучения. Во-первых, обычно толщина пленки не является однородной. В результате атого условие синхрониэма не может выполняться по всей длине волновода. Чтобы получить когерентную длину больше 1 мм, иаменение толщины пленки не должно превышать нескольких процентов (5). Кроме того, несовершенство поверхности волновода может привести к сильному поглощению волноводных мод (4). Даже если бы удалось спроектировать и сделать более совершенные волноводы, все равно остались бы трудности, свяэанные с обеспечением эффективного ввода и вывода волн из волновода, с оптическим повреждением.
Заметим, что нелинейный сигнал, генерируемый Р'", не обязательно должен быть модой волновода, хотя до сих пор наш аналиэ ограничивался именно этим случаем. В общем случае сигнал на выходе может быть 'объемной волной, распространяющейся в глубь среды, окружающей волновод. Граничные условия требуют, чтобы проекции волновых векторов Р" и объемной волны на границу раздела были равны; это условие определяет направление распространения объемной волны. Этот случай очень блиэок к случакг генерации объемной волны при смешении поверхностных волн, рассмотренному в раэделе 25.2.
Генерацию объемных волн второй гармоники волноводными модами в тонкопленочном волноводе можне легко наблюдать экспериментально (5). В то время как тонкопленочные волноводы часто используются для генерации второй гармоники, суммарной и разностной частот, оптические волокна больше подходят для наблюдения других типов нелинейных оптических процессов. Оптические волокна обычно иэготовляют из стекловидных материалов, обладающих центральной симметрией. Следовательно, низшим раэрешенным порядком нелинейных процессов в них будет третий.
Однако в отличие от тонко- 47Э пленочных волноводов оптические волокна структурно более совершенны. Они могут иметь постоянную затухания всего 0,2 дБ/км и когерентную длину синхронного волнового взаимодействия, превышающую несколько метров. Из-за большой длины взаимодействия С,дб/(ки з1) нелинейные оптические эффекты третьего порядка могут легко наблюдаться в волокне даже с лазерами непрерывного действия. Среди этих эффектов — ВКР г6, 7], 8ни ВРМБ ]8, 9], четырехволновое смешение ]16], четырехволновое параметрическое усиление [11], оптичед ский эффект Керра ]12] и фазовая з газ езз ввз ззз самомодуляция ]13, 14].
ого, сн-' ВКР в оптических волокнах Рис. 26.1. Спектр комбинационного было предметом интенсивных исусилеиия С(Лм) в волокне иа план- следований. При этом использовалеиого кваРца с сердцевиной диамет- лись как обычные стеклянные вором 3,3 мкм, имеющем коэффициент потерь П дВ/км. Длина волны на- локна, так и волокна С жилкой качки 614,6 нм [7) сердцевиной. Последние облада- ют тем преимуществом, что поаволяют использовать в качестве КР-активной среды жидкость с большим сечением комбинационного рассеяния, причем величина комбинационной отстройки может меняться путем замены жидкости.
В то же время стеклянные волокна имеют гораздо меньшее сечение Яг,иле Р ц э" г хг //ее «еед ла я я! яе Рис. 26.2. Схема многочастотного ВКР-генератора на оптическом волокне. Е1 и Ьр — 20-кратные объективы от микроскопа с просветляющим покрытием, М вЂ” выходное аеокало аргонового лазера и одновременно общее зеркало ВКР- генератора, Ме, Мь Мт и Мэ — аеркала для волн накачки, первой, второй и третьей стоксоаых компонент, Р, бь Яг и 8э — дифракциовные максимумы накачка, первой, второй и третьей стоксоаых компонент соответственно Пб] комбинационного рассеяния на единицу частоты, зато они обладают очень широким спектром комбинационного рассеяния ]15], как это видно из рпс.
261. Это позволяет перестраивать сигнал ВКР по частоте в широком диапазоне. 460 С помощью оптического резонатора (рис. 26.2) при ВКР была получена генерация перестраиваемого по частоте излучения [16[. В случае, показанном на рис. 26.2, когда излучение аргонового лазера непрерывного действия накачизало стометровое волокно из плавленого кварца с коэффициентом потерь 17 дБ/км, комбинационный лазер перестраивался в диапазоне более 8 нм, причем диапазон перестройки можно было бы еще расширить при использовании импульсных лазеров. В волоконном комбинационном лазере могут генерироваться и высшие стоксовы компоненты. В случае, показанном на рис.
26.2, наблюдались четыре порядка стоксова излучения. С их помощью область перестройки выходного излучения можно расширить до величины, превышающей 35 нм в видимом диапазоне. Коэффициент преобразования излучения в стоксову компоненту в волоконном комбинационном лазере может превышать 20с/с [17[. Таким образом, как источник перестраиваемого излучения волоконный комбинационный лазер может рассматриваться в качестве весьма привлекательной альтернативы непрерывным лазерам на красителе.
И все же он имеет тот недостаток, что ему присуща довольно большая ширина линии выходного излучения (больше 10 ГГц), которую не удается уменьшить, помещая эталон в резонатор. Как упоминалось в разделе 11.1, стационарный коэффициент усиления при ВРМБ в общем случае превышает коэффициент ВКР- усиления. Следовательно, можно ожидать, что ВРМБ назад наступит в оптическом волокне раньше ВКР, по крайней мере при накачке излучением лазера непрерывного действия.
В таком случае трудно будет получить генерацию излучения за счет ВКР без того, чтобы на выходе не появились также компоненты, связанные с ВРМБ. Однако из-за того, что спектр комбинационного усиления в волокне намного шире спектра усиления при ВРМБ, лазер, имеющий ширину линии, превышающую спектральную ширину компонент Мандельштама — Бриллюэна, может эффективно накачивать комбинационный лазер и не накачивать при этом лазер на ВРМБ. В этом случае порог для комбинационной генерации может оказаться ниже порога генерации за счет ВРМБ. Однако при достаточно узкой линии лазера действительно будет доминировать процесс ВРМБ-генерации.
На рис. 26.3 показана схема кольцевого лазера на ВРМБ [18]. Одномодовый лавер непрерывного действия на ионах аргона с шириной линии меньше, чем ширина линии мандельштам-бриллюзновского рассеяния (около 150 МГц), служил для накачки кольцевого лазера, состоящего из одномодового кварцевого волокна диаметром 2,4 мкм и длиной 9,5 м. Этот лавер имел порог по накачке 25 мВт и выходную мощность 20 мВт при мощности накачки 750 мВт. При оптимизации коэффициентов отражения зеркал можно было получить коэффициент преобразования до 20%.
Более аффективная накачка ВРМБ-лазера получалась при прямом двухзеркальном резонаторе, в котором входное зеркало одновременно являлось выходным зеркалом аргонового лазера, выступающего в качестве накачки [19]. При высокой мощности накачки 31 и. г. шев 461 появляются высшие стоксовы компоненты, как показано на рис. 26.4. В эксперименте наблюдались стоксовы компоненты до 21 порядка при общем стоксовом сдвиге по частоте 714 ГГц.
Генерировались также антистоксовы компоненты. Захват фаз многих стоксовых и антистоксовых линий может привести к появлению на выходе сигнала в форме импульсов лазера с синхронизованными модами 1201. Диафрагма 1оо %-ний ожра Рис. 26.3. Схема кольцевого лазера иа ВРМБ. Кольцо резонатора образовано онтвческнм волокном и двуми отражателями: 50 $ и 4 гв. Цифрами обозначены: г — сиаиирующий интсрфоромстр Фабри — Перо, 2 — измеритель мощности луча наиачки, 3 — 20-иратныо объективы, 4 — волна, частота которой сдвинута аа счет ВРМБ [18) Генерация антистоксовых компонент является частным случаем четырехволнового смешения, когда ог = 2го~ — ог.. В общем случае разность (ю~ — ог.) не обязательно должна быть в резонансе с каким-либо переходом вещества, из которого состоит волокно.
При малой разности между частотами а, и го, условие синхронизма почти выполнено, если все волны распространяются в одном направлении. В кварцевом волокне когерентная длина может превышать 2 км при ог~ — го. = 1 см '. С увеличением (ов — ог.) все большее значение начинает играть частотная дисперсия среды. Вследствие этого условие.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
