principy_nelinejnoj_optiki_1989 (769482), страница 25
Текст из файла (страница 25)
В реальном эксперименте регистрировалась мощность излучения 1 мВт на частоте 8,1 см ', генерировавшаяся в кристалле длиной 0,047 см [4]. При смешении излучения двух лазеров на СО, мощностью 25 Вт в кристалле баАз было получено дискретно перестраиваемое по частоте непрерывное излучение мощностью 10-' Вт в далеком ИК диапааоне. Перестраиваемое излучение в далеком ИК диапазоне может также генерироваться при вынужденном рассеянии на поляритонах и на переходах, связанных с переворотом спина. Обсуждение этих эффектов мы откладываем до гл.
10. 8.3 Генерация излучения в далеком ИК диапазоне при оптическом детектировании сверхкоротких импульсов В предыдущих разделах наш анализ генерации ИК излучения в процессе оптического смешения относился к случаям, когда лучи накачки являются квазимонохроматическими. Предполагалось, что оба импульса накачки являются достаточно длинными, а ширина спектральной линии выходного ИК излучения, обычно коррелирующая с ширинами спектров лазеров, ограничивается длительностью импульса. Теперь мы рассмотрим случай генерации излучения в далеком ИК диапазоне одиночным коротким лазерным импульсом [8, 9]. Если длительность лазерного импульса составляет 1 пс, то его спектральная ширина будет не менее 15 см '.
В нелинейном кристалле различные спектральные компоненты этого импульса вследствие биений друг с другом будут генерировать излучение в далеком ИК диапазоне вплоть до субмиллиметрового диапазона. Можно считать этот эффект процессом оптического выпрямления, при котором генерируется пикосекуидный импульс постоянного электрического поля.
Однако, в отличие от случая, рассмотренного в разделе 51, здесь нас интересует только излучаемая компонента выпрямленного поля. Генерация этой компоненты подвержена влиянию фазового синхронизма, дифракции, отражения на границе раздела, других факторов [10]. 121 Генерация излучения в далеком ИК диапазоне сверхкороткими импульсами, как всегда, описывается волновым уравнением с Ч Х(Ч ХЕ)+ — — еЕ~ = — — — Р' (г, г). (8.И) 1 д 1 4я д (е) с дг с дг Если поляризация Р'"(г, г) задана, то уравнение (8.11)' с соответствующими граничными условиями можно, по крайней мере в принципе, решить и найти мощность ИК излучения и его спектр.
Решение для случая генерации ивлучения в далеком ИК диапазоне д 6 Е В П Ю 6 6 16 а~,сн ' М а 6 Рис. 8.2. а — Рассчитанный спектр сигнала в далеком ИК диапазоне, генерируемого импульсом неодимового лазере длительностью 2 пс, нормально падающим на плоскопереллельвый образец 1лгтЬОе толщиной 1 мм. Кристалл ориентировав так, что его ось с параллельна плоскопереллельвым граням образца, а лазерный импульс поляриеовап вдоль оси с кристалла. Сплошнеи кривая под штриховой огибающей обусловлена интерференцией в плоскопервллельиом образце.
6 — Кривые, иллюстрирующие три основных вклада, првводящих к спектру, показанному на рис. а. Крввая а соответствует спектру мощности выпримлевного входного импульса. Кривая 6 описывает аффект фазового свнхровиема при ы = О, кривая в — зависимость эффективности излучения двполя от частоты [б) одиночным коротким импульсом в тонкой пластинке из нелинейного кристалла было получено путем преобразования Фурье Е(г,г)' и Рои(г, г) без учета дисперсии е и 2'ю в соотношении Р'*'(г, 1) 2<ы:Е(г, 1)Ее(г, г) [10).
Мы остановимся здесь лишь на физической картине, базирующейся на этом решении. На рис. 8.2а показан рассчитанный спектр излучения далекого ИК диапазона, генерируемого импульсом пводимового лазера длительностью 2 пс в пластине из кристалла ЫХЬО, толщиной 1 мм. Прежде всего, плоскопараллельная пластина кристалла образует эталон Фабри — Перо, что приводит к появлению интерференционной картины под штриховой огибающей. Далев, сама эта огибающая определяется произведением трех составляющих, приведенных на рис.
8.2б: кривая а дает спектр мощности выпрямленного входного импульса, кривая б есть кривая фазового синхронизма, имеющая максимум при в=О для такой ориентации кристалла, когда его ось с лежит в плоскости входной грани пластинки, а кривая в 122 соответствует прямой пропорциональной зависимости эффективности излучения от ю* с более резким спадом при ю- 0 вследствие дифракции. Таким образом, рассчитанный спектр (рис. 8.2а) становится понятным с физической точки зрения. Этот теоретический расчет дает очень хорошее согласие с экспериментом.
На рис. 8.3а приведен результат сравнения теории с экспериментом для случая генерации далекого ИК излучения Р Е 3 П Р 1 3 а М а о а~, сч-' Рпс. 3.3. а — Спектр спгнеле далекого ИК диапозоне, генерируемого в крпствлле Ыг1ЬОе импульсами лазера с спнхронпаовавнымп модемн в условиях, когда сннхронпем достпгеется ве нулевой частоте.
Эксперпмевтельные точки получены с помощью ннтерферометре Мейкельсопе, е кривые соответствуют теоетпческому расчету в предположении, что импульсы имеют гауссовскую рму с шириной 1,3 пс. 6 — Спектр сигнале далекого ИК дпепеаонв, генерпруемого вмпульсвмв лазера с спнхроппеовеняымп модема в кристалле глЫЬО„орвевтнрованпом таким образом, что фазовый спвхровпем для процессов генерации долевого ИК палучеппя в нвпревленпях вперед и назад достигается па частотах 13,3 и 6,7 см-' соответственно. Экспернментельвые точки получены с помощью ннтерферометре Мейкельсове.
Сплошная н штрпховея крввые соответствуют расчету для гауссовских лазерных импульсов о шириной 2,3 и 1,3 пс соответственно [31 в кристалле Е1ХЬО, толщиной 0,775 мм с осью, лежащей в плоскости входной грани, при использовании цуга импульсов лазера на неодимовом стекле с синхронизованными модами, излучение которого падало на кристалл по нормали [81 Интерференция, типичнап для эталона Фабри — Перо, здесь не видна, поскольку спектр был усреднен с фактическим разрешением прибора.
Меняя, ориентацию кристалла, чтобы получить синхроннзм при конечноя величине ю, можно ожидать, что, согласно приведенным выше рассуждениям, в спектре выходного иалучения будет доминировать один пик, соответствующий выполнению условия синхронизма при ю чьО. Этот случай иллюстрирует рис. 8.3б. И вновь мы видим прекрасное согласие теории с экспериментом. Два пика в теоретических кривых отвечают синхронной генерации далекого ИК излучения в направлении вперед и назад соответственно. Как видно из этого рисунка, мы можем получить перестраиваемое излучение в далеком ИК диапазоне с помощью простого поворота нелинейного 123 кристалла.
При этом импульс имеет довольно большую ширину спектра, свидетельствующую о том, что это импульс пикосекундной длительности. Тем не менее, поскольку ширина спектра выходного импульса значительно меньше, чем ширина спектра лаэера, выходной импульс должен быть гораздо длиннее входного*). То обстоятельство, что сигнал на выходе все еще присутствует, когда входной импульс практически окончился, является интересным фактом, принимая во внимание, что отклик среды на входной импульс в данном случае является мгновенным. При использовании импульсных лаверов с пиковой мощностью 0,2 ГВт и с поперечным сечением пучка $ см' в кристалле 1А)чЬО, толщиной 0,78 мм было получено излучение в далеком ИК диапааоне с пиковой мощностью 200 Вт ~8). ч) Б более поздних экспериментах подобного рода, выполненных Остовом с сотрудниками )Аитоп В. П., Саеипу Е.
Р., уо1отоп1з 1. А., К1е1птап В. р РЬуе. Неч. Ьегь — 1984. Ч. 53. Р. 1555) с сильно фокусироианвыми субпакоч секундными вмпульсами, использовалось черевкоаское условие сввхронизма. Благодаря етому были получены ИК импульсы ва частоте около 1,5 ГГц длительностью в одна период колебаний, см. также [Аимапов С. А., Вмслоуи В. А., Чирпии А. С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов.— Ми Наука, 1988. Гл. 3].
(Примеч. ред.) Глава Э ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ УСИЛЕНИЕ И ГЕНЕРАЦИЯ Трехволновое взаимодействие, рассмотренное в предыдущих главах, сопровождается передачей энергии от двух полей с меньшими частотами к полю суммарной частоты, и наоборот. Последнее происходит при генерации разностной частоты, которая может происходить и при наличии лишь одного поля накачки на суммарной частоте.
Процесс генерации разностной частоты можно в этом случае рассматривать как процесс, обратный генерации суммарной частоты. Он получил название параметрического преобразования. Параметрическое усиление и генерация в радио- и микроволновом диапазонах были исследованы еще до появления лазеров (Ц. Ожидалось, что этот процесс должен иметь место и в оптическом диапазоне, и он был действительно экспериментально реализован в $965 г. (2].
С тех пор параметрическое усиление и генерация приобрели большое значение, поскольку позволяют создать перестраиваемые в широком диакаэоне источники когерентного ИК излучения, принцип действия которых основан на управляемом расщеплении частоты накачки. В данной главе мы подробно рассмотрим теорию параметрической флуоресценции, усиления и генерации, а также сформулируем практические рекомендации. 9Л Параметрическое усиление Поскольку процесс параметрического усиления является обратным процессу генерации суммарной частоты, то описывающие его основные уравнения фактически те же самые, что и в теории генерации разностной частоты. Различие двух этих процессов состоит лишь в разных начальных условиях.
Мы обычно считаем, что параметрическое усиление есть процесс, инициируемый одной волной накачки. в то время как процесс генерации разностной частоты возбуждается двумя волнами накачки со сравнимыми интенсивностями. Различие между двумя этими процессами теряется, когда заметная часть энергии накачки передается двум низкочастотным полям.
Таким образом, теоретическое описание параметрического усиления в случае бесконечных плоских волн снова начинается с системы трех связанных волновых уравнений (3.4). В приближении'медленно меняющихся амплитуд, при использовании представления для полей Е (в~) = Ю', (з) ехр [Г (й, . г — в/ + <р<) ) и при наличии плоской границы при г 0 они принимают вид (см. разделы 3.3 и 6.7) ьР а Корой. оюза+аз, а а ~аа — ьР "а К~ ~'е-азо*-аеа ааа аоР 3 Ква ва \ьза ае й„ д да д а да (9Л) д да вз — авз "а каИ, ь О. (9.2) (ат — иа) Отсюда мы получаем следующее решение (при условии, что КЮ'з считается вещественным): Я' [С +е-еаlа ~ Сд ееаЦ еыза/а„ 3'а [С +е-еарз "[- С ееяа) е-аоза/а (9.3) в Й (айй -р л) й'а (0) — — ' ( — '* ) лой'; (0) в (1ЛЙ ~ е)ай'з (0) + †' ( †'*) боГа (0) ва а,аза) Полученное решение обладает следующими фиэическими свойствами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
