ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА


ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА

       
источник когерентного оптич. излучения, в к-ром энергия мощной световой волны фиксированной частоты преобразуется в излучение более низкой частоты. Процесс преобразования осуществляется в нелинейной среде (в среде с нелинейной поляризацией) и имеет много общего с параметрич. возбуждением колебаний радиодиапазона. Параметрич. возбуждение в радиодиапазоне происходит в колебат. контуре при модуляции его параметров, обычно ёмкости. Периодич. изменение ёмкости с частотой накачки wн приводит к возбуждению в контуре колебаний с частотой wн/2 (см. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ И УСИЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИИ). Аналогично могут возбуждаться и световые колебания. Однако в этом случае параметрич. явления носят волн. характер и происходят не в контуре с нелинейным конденсатором, а в нелинейной среде. Последнюю можно представить в виде цепочки колебат. контуров с ёмкостью, модулированной бегущей световой волной. Световая волна большой интенсивности частоты wн (волна накачки), распространяясь в среде с квадратичной нелинейностью, модулирует её диэлектрическую проницаемость e (см. НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА). Если электрич. поле волны накачки
Eн=Eноsin(wнt-kr+jно),
где k — волновой вектор, jно — нач. фаза; r — пространств. координата точки, то e среды также изменяется по закону бегущей волны:
e=e0(1+msin(wнt-kнr+jно)).
Здесь m=4pcЕно/e0 — глубина модуляции диэлектрич. проницаемости, X — нелинейная диэлектрич. восприимчивость, характеризующая нелинейные св-ва среды, e0 — диэлектрич. проницаемость среды без накачки. В каждой точке среды, куда приходит волна накачки, возбуждаются световые колебания с частотами w1 и w2, связанные с wн соотношением: wн=w1+w2 (аналогично параметрич. возбуждению колебаний радиочастоты в двухконтурной системе). Волна накачки отдаёт им свою энергию наиболее эффективно, если во всей области вз-ствия волн между фазами волн сохраняется соотношение:
yн(r)=j1(r)+j2(r). (1)
Т. к. в бегущих волнах фазы изменяются в пр-ве по закону y(r)=-kr+j0, то из (1) следует т. н. условие фазового (или волнового) синхронизма:
kн=k1+k2. (2) Соотношение (2) означает, что волн. векторы волны накачки kн и возбуждаемых волн k1 и k2 образуют треугольник, причём kн?k1+k2. Равенство соответствует распространению волн в одном направлении.
При фазовом синхронизме амплитуды возбуждаемых волн по мере их распространения в глубь среды непрерывно увеличиваются:
E=E0exp(((m/2)?(k1k2)-d)x), (3)
где б — коэфф. затухания волны в обычной (линейной) среде, х — расстояние, проходимое световой волной в среде. Параметрич. возбуждение света происходит, если поле накачки превышает порог: <<Ено>(d/px)?(k1k2). Условие синхронизма (2) выполняется, если показатели преломления nн, n1 и n2 среды для частот wн, w1 и w2 удовлетворяют неравенству:
(nн-n1)w1+(nн-n2)w2?0. (4) В среде с норм. дисперсией, когда n увеличивается с ростом частоты w, параметрич. генерация света неосуществима, Т. К. nн>n1 и nн>n2.
Для выполнения условия синхронизма необходимо, чтобы среда обладала аномальной дисперсией — полной: nн
Такой средой могут служить анизотропные кристаллы, в к-рых могут распространяться два типа волн — обыкновенная о и необыкновенная в (см. КРИСТАЛЛООПТИКА, ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ).
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА1
Рис. 1. Зависимость показателя преломления для обыкновенной n° и необыкновенной n волн в одноосном кристалле от частоты со в случае полной (о) и частичной (б) аномальной дисперсии.
Условие фазового синхронизма может быть осуществлено, если использовать зависимость показателя преломления необыкновенной волны nе в кристалле не только от частоты, но и от направления распространения. Напр., в одноосном отрицат. кристалле показатель преломления обыкновенной волны n° больше пе (волны накачки), зависящего от направления и распространения относительно оптич. оси кристалла. Если волн. векторы параллельны друг другу, то условию фазового синхронизма соответствует определ. направление в кристалле, вдоль к-рого:
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА2
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА3
Рис. 2. а — условие синхронизма в нелинейном кристалле, qс — угол синхронизма; б — изменение длин волн. векторов необыкновенной волны накачки kн и обыкновенных волн k1 и k2 при повороте кристалла; в — зависимость частот (w1 и w2, для к-рых выполняется условие синхронизма, от q.
Угол qс между этим направлением и оптич. осью кристалла наз. углом синхронизма. Он зависит от частот накачки wн и одной из возбуждаемых волн w1 или w2. Изменяя угол q между направлением распространения волны накачки и оптич. осью кристалла, т. е. поворачивая кристалл, можно перестраивать частоту П. г. с. (рис. 2). Существуют и др. способы перестройки частоты П. г. с., связанные с зависимостью n от темп-ры, внеш. электрич. поля и т. д.
Нарастание амплитуд синхронно возбуждаемых волн с расстоянием по экспоненциальному закону (3) происходит в П. г. с. бегущей волны. Однако в таких П. г. с. достаточно большую мощность излучения на перестраиваемых частотах можно получить в очень протяжённых кристаллах диаметром порядка десятков или сотен см. Для увеличения мощности П. г. с. нелинейный кристалл помещают внутри оптического резонатора, благодаря чему волны пробегают кристалл многократно, т. е. за время действия импульса накачки увеличивается эфф. длина кристалла (рис. 3). В процессе возбуждения световых колебаний в резонаторном П. г. с. их амплитуды нарастают во времени до тех пор, пока от волны накачки не будет забираться значит. доля энергии. Перестройка частоты резонаторного П. г. с. происходит небольшими скачками, определяемыми разностью частот, соответствующих продольным модам резонатора.
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА4
Рис. 3. Схема резонаторного параметрич. генератора света: З1 и З2 — зеркала, образующие резонатор для обеих генерируемых волн или для одной из них.
Плавную перестройку частоты можно осуществить, комбинируя повороты кристалла, его нагрев, воздействие внеш. электрич. поля с изменением параметров резонатора. Существуют однорезонаторные схемы П. г. с., в к-рых резонатор имеется только для одной из возбуждаемых световых волн, и двухрезонаторные схемы П. г. с., где есть резонаторы для обеих возбуждаемых волн.
П. г. с. предложен в 1962 С. А. Ахмановым и Р. В. Хохловым. В 1965 созданы первые П. г. с. Джорджмейном и Миллером (США) и несколько позднее Ахматовым и Хохловым с сотрудниками. Источником накачки в П. г. с. служит лазер. Особое значение П. г. с. имеют для ИК области спектра. П. г. с. работают в диапазонах длин волн 1,45—4,2 мкм, 8—10 мкм и 16 мкм. П. г. с. обеспечивают перестройку частоты в пределах 10—20%. Уникальные хар-ки П. г. с.: когерентность излучения, узость спектр. линий, высокая мощность, плавная перестройка частоты — делают его одним из осн. приборов нелинейной спектроскопии (активная спектроскопия и др.), а также позволяют использовать его для селективного воздействия на в-во, в частности на биол. объекты.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА

- источник когерентного оптич. излучения, в к-ром мощная световая волнаодной частоты (частоты накачки), проходя через нелинейный кристалл, преобразуетсяв световые волны других, меньших частот. Частоты параметрически возбуждаемыхволн определяются дисперсией света в кристалле и при её изменении могутплавно перестраиваться при фиксиров. частоте накачки.
П. г. с. предложен в 1962 С. А. Ахмановыми Р. В. Хохловым. Первые эксперим. П. г. с. были созданы в 1965 Дж. Джордмейном(J. Giordmaine) и Р. Миллером (R. Miller), С. А. Ахмановым и Р. В. Хохловымс сотрудниками.
Т. к. размеры нелинейного кристалла многобольше длины световой волны, то процесс параметрич. возбуждения в оптикеносит ярко выраженный волновой характер. Под действием электрич. поля . световой волны большой интенсивности меняется диэлектрич. проницаемостьe нелинейногокристалла:15037-77.jpgгде 15037-78.jpg -квадратичная восприимчивость (см. Нелинейная оптика). Если полеволны накачки 15037-79.jpg15037-80.jpgгде 15037-81.jpg -волновое число, а 15037-82.jpg- нач. фаза, то диэлектрич. проницаемость модулируется по закону бегущейволны:

15037-83.jpg

где 15037-84.jpgпаз. глубиной модуляции, характерная величина к-рой в оптике равна 10-715037-85.jpg10-5.У входной грани кристалла ( х = 0) с переменной во времени диэлектрич. <проницаемостью (1) из шумов возбуждаются эл.-магн. колебания с частотами 15037-86.jpgи 15037-87.jpg и фазами 15037-88.jpgи 15037-89.jpg связаннымисоотношениями

15037-90.jpg15037-91.jpg

аналогично параметрич. возбуждению колебанийв двухконтурной системе (см. Параметрическая генерация и усиление электромагнитныеколебаний).
Колебания с частотами 15037-92.jpgи 15037-93.jpg распространяясьв глубь кристалла в виде двух световых волн с волновыми векторами k1 и k2, взаимодействуют с волной накачки. Если не принятьспец. мер, то на расстоянии х оптимальные фазовые соотношения (2)изменятся вследствие дисперсии на величину 15037-94.jpgгде 15037-95.jpg kH- k1 - k2 - расстройка волновых векторов, <что приводит к ухудшению параметрич. возбуждения или даже его исчезновению. <Поэтому необходимым условием эфф. передачи энергии от волны накачки возбуждаемымволнам на всём пути их распространения является согласование их фазовыхскоростей, или волновых векторов, т. е.15037-96.jpg- 0:

k1 + k2= kH. (3)

Это условие, наз. условием фазового синхронизма, <означает, что волновые векторы волны накачки и синхронно возбуждаемых волнобразуют замкнутый треугольник.
При фазовом синхронизме амплитуды возбуждаемых, <сначала слабых, волн возрастают с пройденным расстоянием за счёт энергиинакички:
15037-97.jpgгде 15037-98.jpg -коэф. затухания волны в линейной среде,15037-99.jpg- коэф. параметрич. усиления. Очевидно, возбуждение происходит, если поленакачки превышает порог:15037-100.jpg
Фазовый синхронизм, обеспечивающий макс. <параметрич. усиление, служит своеобразным волновым фильтром, выделяющимиз всего многообразия частот 15037-101.jpg+15037-102.jpg =15037-103.jpg определ. <пару частот в П. г. с., удовлетворяющую (3). Из (3) следует условие дляпоказателей преломления кристалла на частотах 15037-104.jpg15037-105.jpgи 15037-106.jpg : п н< n1, n2 или n1<n н < n2 В кристаллах с нормальнойдисперсией, когда показатель преломления увеличивается с ростом частоты 15037-107.jpgсинхронное пара-метрич. взаимодействие оптич. волн не осуществимо обычнымспособом, т. к. п нnl, n2. Напрактике условие фазового синхронизма может быть осуществлено в анизотропныхкристаллах, если использовать зависимость показателя преломления не толькоот частоты, но и от поляризации волны и направления распространения. Напр.,в одноосном отрицат. кристалле показатель преломления обыкновенной волны п 0 больше показателя преломления необыкновенной волны п с, к-рый зависит также от направления распространенияотносительно оптич. оси кристалла (рис. 1). Используя дисперсию анизотропногокристалла, можно подобрать направления, в к-рых выполняется условие фазовогосинхронизма. В этом случае возможны два типа парамстрич. взаимодействиясветовых волн: первый - возбуждение необыкновенной волной накачки двухобыкновенных волн:

15037-108.jpg

второй - возбуждение необыкновенной волнойнакачки обыкновенной волны частоты 15037-109.jpgи необыкновенной волны частоты 15037-110.jpg:

15037-111.jpg

В положит. одноосном кристалле также можноподобрать направления, в к-рых выполняется условие (3) и обыкновенной волнойнакачки возбуждаются две необыкновенные или обыкновенная и необыкновеннаяволны:

15037-113.jpg

15037-114.jpg

15037-112.jpg

Рис. 1. Зависимости показателя преломленияобынновенной п 0 и необыкновенной п с волнот частоты (а) и направления распространения (б) в одноосном отрицательномкристалле.

Угол 15037-115.jpgмежду направлением волновых векторов и оптич. осью кристалла, наз. угломсиихронизма, является ф-цией частот накачки и одной из возбуждаемых волн. <Изменяя направление распространения накачки относительно оптич. оси (поворачиваякристалл), можно плавно перестраивать частоту П. г. с. (рис. 2,а). Существуюти др. способы перестройки частоты П. г. с., связанные с зависимостью показателяпреломления п от темп-ры (рис. 2,б), внеш. электрич. поляи т. д.
Для увеличения мощности П. г. с. кристаллпомещают внутри открытого резонатора, благодаря чему возбуждаемые волныпробегают кристалл многократно за время действия накачки (увеличиваетсяэфф. длина взаимодействия, рис. 3). Перестройка частоты такого резонаторногоП. г. с. происходит небольшими скачками, определяемыми разностью частот, <соответствующих продольным модам резонатора. На практике используются одпорезонаторныеП. г. с., в к-рых обратная связь с помощью зеркал резонатора осуществляетсятолько для одной из возбуждаемых волн, и двухрезонаторные П. г. с. с обратнойсвязью на обеих частотах 15037-116.jpgи 15037-117.jpg Порогсамовозбуждения двухрезонаториого
П. г. с. определяется добротностями резонаторов Ql и Q2 на частотах 15037-118.jpgи 15037-119.jpg:.15037-120.jpg В однорезонатор-номП. г. с. порог возбуждения выше: т15037-121.jpgоднаков нём можно выполнять более плавную перестройку частоты и он менее требователенк стабильности частоты накачки и механич. вибрациям зеркал и др. элементов.

15037-122.jpg

Рис. 2. Зависимость длины волны, генерируемойпараметрическим генератором света, от угла синхронизма 15037-123.jpg( а )и температуры Т (б )при 15037-124.jpg=0,266 мкм; е - оо.

15037-125.jpg

Рис. 3. Нелинейный кристалл, помещённыйв оптический резонатор. 31 и 32 - зеркала, <обеспечивающие обратную связь (отражение) для одной из возбуждаемых воли- однорезона-торный параметрн-чееский генератор света, или для обеих волнна частотах 15037-126.jpgи 15037-127.jpg -двухрезонаторный параметрический генератор света.

В существующих П. г. с. диапазон главнойперестройки длин волн от 0,4 до 16,4 мкм перекрывается с помощью набораоптич. кристаллов, имеющих разные области оптич. прозрачности, разные нелинейности, <разл. пороги разрушения (табл.).

Оптические характеристики некоторыхнелинейных кристаллов, используемых в параметрических генераторах света

Материал
Диапазон прозрачности, <мкм
Нелинейность 15037-128.jpg(2)/n3 х10-18, ед. CGSE
Пороговая интенсивностьразрушения, МВт/см 2
ADP
0,2 - 1,1
0,8
500
КDP
0,22 - 1 , 1
0,8
500
LiNbO3
0,35 - 5,0
30
40
Ba2NaNb5O15
0,4 - 5,0
180
10-60
Ag3AsSa
0,64 - 13
100
20
CdSe
0,75 - 25
280
40

Источниками накачки служат лазеры непрерывного, <импульсного и импульсно-периодич. действия и оптич. гармоники их излучения. <Отд. П. г. с. обеспечивают перестройку частоты в пределах 10% от 15037-129.jpgОсобую ценность П. г. с. с плавной перестройкой частоты представляют дляИК-диапазона спектра. Во мн. странах выпускаются промышленные образцы разл. <П. г. с. Уникальные характеристики П. г. с. (когерентность излучения, узостьспектральных линий, высокая мощность, плавная перестройка частоты) делаютего основным, а порой единственным прибором для спектроскопич. исследований(активная спектроскопия и др.), а также позволяют использовать его дляселективного воздействия на вещество (в т. ч. биологическое), для контролязагрязнения атмосферы и в др. целях.

Лит.: Ахманов С. А., Хохлов Р. В.,Параметрические усилители и генераторы света, "УФН", 1966, т. 88, с. 439;Ярив А., Квантовая электроника, пер. с англ., 2 изд., М., 1980; Фишер Р.,Кулевский Л. А., Оптические параметрические генераторы света, "Квантоваяэлектроника". 1977, т. 4, № 2, с. 245; Параметрические генераторы светаи пикосекундная спектроскопия, Вильнюс, 1983.

Л. П. Сухорукое.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА" в других словарях:

  • ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА — (параметрический лазер) генератор когерентного оптического излучения, в котором энергия мощной световой волны фиксированной частоты преобразуется в излучение более низких частот …   Большой Энциклопедический словарь

  • параметрический генератор света — (параметрический лазер), генератор когерентного оптического излучения, в котором энергия мощной световой волны фиксированной частоты преобразуется в излучение более низких частот. * * * ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР… …   Энциклопедический словарь

  • ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА — (па раметрич. лазер), генератор когерентного оптич. излучения, в к ром энергия мощной световой волны фиксиров. частоты преобразуется в излучение более низких частот …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС — явление раскачки колебаний при периодич. изменении параметров тех элементов колебат. системы, в к рых сосредоточивается энергия колебаний (реактивные или энергоёмкие параметры). П. р. возможен в колебат. системах различной физ. природы. Напр., в… …   Физическая энциклопедия

  • ВЫНУЖДЕННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА — рассеяние света в в ве, обусловленное изменением движения входящих в его состав микрочастиц (эл нов, атомов, молекул) под влиянием падающей световой волны очень большой интенсивности и самого рассеянного излучения. Различают: вынужденное… …   Физическая энциклопедия

  • КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР — генератор эл. магн. волн, в к ром используется явление вынужденного излучения (см. КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА). К. г. радиодиапазона, так же как и квантовый усилитель, наз. мазером. Первый К. г. был создан в диапазоне СВЧ в 1955. Активной средой в нём …   Физическая энциклопедия

  • ОПТИКА — (греч. optike наука о зрительных восприятиях, от optos видимый, зримый), раздел физики, в к ром изучаются оптическое излучение (свет), процессы его распространения и явления, наблюдаемые при вз ствии света и в ва. Оптич. излучение представляет… …   Физическая энциклопедия

  • Нелинейная оптика —         раздел физической оптики, охватывающий исследование распространения мощных световых пучков в твёрдых телах, жидкостях и газах и их взаимодействие с веществом. С появлением Лазеров оптика получила в своё распоряжение источники когерентного …   Большая советская энциклопедия

  • НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА — раздел оптики, охватывающий исследования распространения мощных световых пучков в тв. телах, жидкостях и газах и их вз ствия с в вом. Сильное световое поле изменяет оптич. хар ки среды (показатель преломления, коэфф. поглощения), к рые становятся …   Физическая энциклопедия

  • ЛАЗЕР — (оптический квантовый генератор), устройство, генерирующее когерентные эл. магн. волны за счёт вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой, находящейся в оптич. резонаторе. Слово «Л.» аббревиатура слов англ. выражения …   Физическая энциклопедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.