principy_nelinejnoj_optiki_1989 (769482), страница 21
Текст из файла (страница 21)
е. к полученному ранее результату. В наших рассуждениях мы предполагали, что интенсивность лазерного излучения в кристалле не лимитируется оптическим повреждением последнего. Это, конечно, не всегда справедливо. В качестве примера рассмотрим кристалл с п = 1,5, длиной 1= 1 см и 100 р 30 мрад. Пусть излучение накачки имеет длину волны Х *1,06 мкм. Тогда В 3,65, и из рис. 72 находим й(В 3,65, $)м = Ьм(В) при 0,2($ < 10. Поскольку г,ее 0,04 см много меньше 1, то Ьм(В)ел 1,сей, и в соответствии с (7.20) т) - У,ее. Сравнивая зтот результат со случаем отсутствия сноса пучков и оптимальной фокусировки 5 1, мы имеем т)о,- 1, и, значит, т)е /т), И ее .2лрЧ/Х = 25. Таквм образом, использование 90'-ного сивхронизма для генерации второй гармоники дает огромные преимущества.
90'- ный синхронизм можно получить во многих кристаллах с помощью температурной перестройки. На рис. 7.3 приведены зависимости длины волны основного излучения, попадающего в 90'-ный синхронизм для процесса генерации второй гармоники, в функции температуры для нескольких кристаллов, изоморфных И)Р (6]. 7.3 Генерация третьей гармоники в кристаллах В кристаллах, обладающих центром инверсии, генерация второй гармоники запрещена в электродипольном приближении, хотя ее можно индуциравать при приложении постоянного внешнего электрического поля [71 С другой стороны, процесс генерации третьей гармоники разрешен всегда. Теория генерации третьей гармоники в приближении заданного поля накачки не отличается от теории генерации второй гармоники, только вместо квадратичной поляризации Р<т>(2го) в формулы войдет кубическая поляризация Роч (Зго) 2'" (Зог в + от + го): Е(от) Е(от) Е(го)'.
Так как величина )ды'! обычно мала (типичные ее значения составляют 10 '* — 10 " СГС по сравнению со аначениями 12'Ч 10 '— — 10 ' СГС), а интенсивность лазерного излучения в кристаллах часто ограничивается началом оптического повреждения, эффективность преобразования при этом нелинейно-оптическом процессе третьего порядка мала.
Кроме того, при этом труднее выполнить условие фазового синхрониим. Поэтому процесс генерации третьей гармоники мало используется на практике. Тем не менее можно построить эффективный генератор третьей гармоники с помощью двух нелинейных кристаллов, стоящих друг за другом(8). Первый генерируетвторую гармонику. Прошедшее основное излучение и излучение второй гармоники затем взаимодействуют во втором кристалле и дают на выходе излучение третьей гармоники, получающееся посредством генерации суммарной частоты. Для обоих процессов можно выполнить условие фазового синхронизма при использовании синхронизма первого или второго типа. При достаточно большой интенсивности основного излучения общий выход третьей гармоники может быть довольно высоким.
Промышленные образцы таких устройств имеют коэффициенты преобразования в третью гармонику, достигающие 20 % е). е) В мощных лееериых системах, предиазиачеивых для упрелляемого тезмоядериого сиитееа, в системах с тщлтельио сформироееииыми пучками КПД такого процесса достигает 707е. (Примеч.
ред.) 101 В принципе, этот процесс двухступенчатой генерации третьей гармоники можно осуществить в одном кристалле. Однако, эа исключением специальных случаев, невоэможно одновременно лолучить синхронном для процессов генерации второй гармоники и генерации суммарной частоты. Поэтому общая эффективность лреобраэования при этом не может быть большой.
7.4 Оптические гармоники в ганах Генерация третьей гармоники возможна и в гасах. Может покаэатыся, что вследствие гораэдо меньшей плотности атомов или молекул в газе по сравнению с жидкостями и твердыми телами кубическая нелинейная восприимчивость гаэовых сред должна быть гораздо меньше, чем кубические восприимчивости жидкостей и твердых тел, и что эффективность процесса генерации третьей гармоники в гасах будет столь низкой, что этот процесс не будет иметь никакого практического значения.
Как было показано Майлсом и Харрисом [ЗЬ это предположение на деле оказывается неверным. Дело в том, что величина 12001 возрастает при реэонансе. Гораздо более узкие линии переходов в гасах поэволяют получить гораздо большую нелинейность вблизи резонансов, особенно вбливи тех, которым соответствуют большие матричные элементы перехода. Кроме того, предельная допустимая интенсивность лаэерного излучения в гасах на несколько порядков выше, чем в конденсированных средах (в газах она превышает несколько гигаватт на квадратный сантиметр, а в твердых телах составляет несколько сотен мегаватт на квадратный сантиметр).
В результате, хотя величина 1дое1 мала, наведенная лаэерным полем большой интенсивности нелинейная поляризация 1Р" 1 может стать сравнимой с поляриэацией 1Р"'1, которую наводит в твердом теле лазер умеренной интенсивности. Рассмотрим для примера пары натрия. Кубическая нелинейная восприимчивость натрия может быть довольно точно оценена с помощью общего выражения для уоо (Зе), полученного в разделах 2.2 и 2.3: ;ф~ (3 = + + ) = — ' ~~ ~(~~)г, (~;),ь (г~) (~~), рфА,~, (7.24) ь г,„,ь, где Аы = [(юы — ю) (о)ы — 2ю) (йъы- Зи) )-'+ + В(юы ю) (гоы 2ю) (®ы+ ю)1 + + [(Озы ю) (шы+ 20))(0)ы+ ю)) + + [(мы+ Зв) (мы+ 2ю) (вы+ ю) ]-'. (7.2Ц Здесь Ж вЂ” число атомов в единице объема, а все частоты предло лагаются лежащими далеко от резонансов, так что постоянные эатухания в знаменателях можно опустить.
Для атомов щелочных г02 металлов частоты переходов и основные матричные элементы обычно известны. Поэтому !2'е(За) ! можно рассчитать по формуле (7.21). Это было сделано Майлсом и Харрисом [91. Результат расчета для натрия приведен на рис. 7.4, где показана также диаграмма уровней атома натрия. Из рисунка видно, что даже когда частота Зв отстоит на несколько обратных сантиметров от резонанса с переходом з- р, за счет околорезонансного усиления величина !)('" !/У может превысить 10 " СГС. При концентрации атомов )У = 10" см * и !Е(в) ! 2 10' СГС, что соответствует интенсивности пучка 1 ГВт/см', наведенная нелинейная поляризация !Р'*'! = !)("'ЕЕЕ! может стать больше 10 ' СГС.
Эта величина сравнима с поляризацией !Роз(2в) ! !у"'ЕЕ! — 10 ' СГС, вызываемой в кристалле КПР квадратичной восприимчивостью !)(со! - 10 ' СГС при напряженности поля !Е! - 10' СГС (что соответствует интенсивности 2,5 МВт/см'). Таким образом, процесс генерации третьей гармоники в парах натрия должен легкО наблюдаться, когда частота Зв лежит вблизи резонанса, т. е. с использованием лазера на неодиме с длиной волны '1,06 мкм.
Для получения высокой эффективности преобразования помимо резонансного увеличения восприимчивости и достаточно высокой интенсивности волны накачки необходимо обеспечить выполнение условия коллинеарного фазового синхронизма и (е) = и (Зв) для процесса генерации третьей гармоники. Поскольку газовая среда изотропна, обычный метод получения синхронизма, использующий двулучепреломление среды, здесь неприменим.
Получается, что в газовой среде не всегда удается выполнить условие фазового сннхронизма для процесса генерации третьей гармоники и оптического смешения частот вообще. Однако, когда между частотами в и Зе есть область аномальной дисперсии, можно добиться синхрониама, используя для компенсации разницы показателей преломления на частотах ю и Зв буферный газ. Эта воэможность иллюстрируется на рис. 7.5. Когда частота в лежит ниже, а частота Зе — выше сильного перехода з- р в спектре атоз)а щелочного металла, в чистых парах металла за счет аномальной дисперсии пз(в)>я~(Зв).
Если к среде примешивается инертный газ (например, ксенон) с нормальной дисперсией и (в)( пз(Зв), то, подбирая его плотность, можно выполнить условие фазового синхронизма, если пь(<О)+ лв(ю)= пл(Зсо)+ пв(За). Использование газовых сред для нелинейного оптического смешения имеет ряд важных преимуществ. 1. Можно легко получить однородную среду длиной более 10 см. 2.
Поскольку среда изотропна, не существует проблемы сноса лучей. Следовательно, для увеличения эффективности преобразования можно испольэовать оптимальную фокусировку. 3. Помимо высокого порога наведения оптических неоднородностей, газовая среда обладает способностью самовосстановления. За 103 ЫУД мкм сей 0 6ЭЕЭ мкм г Уэ 0,60+6 яки )е еэ 4р 5)кбр Яс' 5э 46 ! Х)э)Иоз)) 0 М) эт )О-ээ )О-эе 70-эл 9,5 г,О ),5 1,0 Окр 018 Оку 016 0,5 Рве. 7.4. а — Диаграмма евергетнчеспвх уровней атома натрия.
6 — Кубнчесвая нелинейная полярвеуемость ХР>(Зм)/)т е 4уввцин длины волны основного налучення для натрия )9). Заштриховала область, в которой вспольаованное при расчете приближенна не спрааедлвво исключением особых случаев в среде не образуется постоянного ааряда за счет лазерно-индуцированной ионизации и диссоциация. 4. Атомарные пары прозрачны для излучения почти на всех частотных, лежащих ниже уровня ионивации, за исключением ряда дискретных ливий поглощения.
Кроме того, эти пары являются единственной нелинейной средой, которую можно использовать в далеком ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах. ~,06 а,гг 0,66 х, яки а ~ггун ю' Рис. 7.5. а — Дисперсия покаааталя преломления ВЪ и Хо. 6 — Отиоситояьная иовцанграция атомов Хо в парах атомов щелочных металлов, при которой достигается синхронная генерация третьей гармониин прн различных длинах волн основного иаяучения [9~ Грг 10 2Д 2,0 Г,6 1,0 0,0 0,6 Е ' Л„„,яйм Газовая среда может показаться идеальной для генерации третьей гармоники, особенно в ультрафиолетовом диапааоне.
Высокую эффективность преобразования, предположительно, можно было бы получить, используя лазер большой интенсивности и дост1ь точно длинную газовую ячейку. К сожалению, есть множество факторов, которые зачастую ограничивают эффективность, поскольку они ограничивают допустимую интенсивность лазерного излучения. Укажем, к примеру, следующие. х.
Наличие линейного поглощения на частотах в и Зв вызывает уменьшение эффективности (см. раздел 6.6). Резонансное возрастание !Х'"! сопровождается одновременно ростом линейною поглощения, хотя и не в той же пропорции. 2. Двух- и многофотонное поглощение может играть важную роль в ограничении эффективности преобразования, когда используются лазерные пучки большой интенсивности. 3. Перераспределение населенностей вследствие поглощения пзпучения может приводить к фазовому рассогласованию процесса оптического смешения частот. 4. Фазовое рассогласование может также вызываться другими л аверно-нндуцированными механизмами изменения показателя преломления. 5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
