ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

- оптич. устройства для преобразования частоты лазерного излучения на основе нелинейной зависимости поляризации Р среды от напряжённости электрич. поля Е световой волны, распространяющейся в ней (см. Нелинейная поляризация). О. п. ч. разных типов позволяют преобразовывать частоту излучения лазеров как в более коротковолновый, так и в более длинноволновый диапазоны и даже получать перестраиваемое по частоте излучение. Наиб. интерес в практич. отношении в связи с их высокой эффективностью представляют О. п. ч., использующие квадратичную зависимость Р от Е, т. е. первый нелинейный член в разложении нелинейной поляризации по нолю: ( - тензор нелинейной восприимчивости второго порядка). К таким О. п. ч. относятся оптич. удвоители частоты, генераторы суммарной и разностной частот, параметрич. генераторы света.
Оптические удвоители частоты (генераторывторой оптич. гармоники) позволяют эффективно преобразовывать излучениелазера с частотой со в излучение с удвоенной частотой .Преобразование осуществляется в нелинейных кристаллах, обладающих ненулевойквадратичной нелинейностью (кристаллы без центра инверсии) при распространениивзаимодействующих волн вдоль т. н. направления фазового синхронизма. Наиб. <распространённые нелинейные кристаллы: KDP, ADP, CDA,Ba₂NaNb₅O₁₅, КТР ₃,LiNbО ₃.Эффективность преобразования осн. излучения во вторую гармонику определяетсясвойствами нелинейного кристалла, а именно: отношением ( п- показатель преломления) и его длиной l, а также характеристикамипучка преобразуемого излучения (пространственным и временным профилем, <энергией импульса или мощностью непрерывного излучения). Напр., при удвоениимонохроматич. излучения с плоским фронтом мощность волны второй гармоникизависит от отношения l/l _нл (- длина волны и Е - амплитуда поля осн. излучения). По мере распространенияосн. волны в кристалле её мощность уменьшается, а мощность второй гармоникивозрастает (рис.) и при l =3l _пл достигает 99%от мощности осн. волны. При удвоений частоты излучения лазера с = 1 мкм и интенсивностью 10⁶ Вт/см ² в кристалле ниобаталития l _нл = 3 см. Для реальных лазерных пучков с ограниченнойапертурой, а также в импульсном режиме работы эффективность оптич. удвоителейниже, чем в случае плоских волн. Макс. достигнутая энергетич. эффективностьоптич. удвоителя составляет 90% при интенсивности накачки 3 ГВт/см ²,длительности импульса 0,5 нс в кристалле KDP длиной l =3см.

Зависимость (в относительных единицах)интенсивности излучения на основной частоте и на частоте второй гармоники от отношения l/l _нл.

Генераторы суммарной частоты преобразуютдве волны с разными частотами и в волнус частотой В качестве среды с квадратичной нелинейностью в этих генераторах обычноиспользуются те же кристаллы, что и в оптич. удвоителях. Генераторы суммарнойчастоты используются: а) в многокаскадных генераторах гармоник для дальнейшегопреобразования частоты лазерного излучения в более коротковолновый диапазон(напр., при получении третьей, четвёртой, пятой и т. д. гармоник осн. излучениялазера); б) для смещения перестраиваемого диапазона частот в более коротковолновыйдиапазон (гл. обр. УФ) путём сложения частот перестраиваемого лазера илазера с фиксиров. частотой; в) преобразования ИК-сигналов и изображенийв видимый диапазон, где чувствительность фотоприёмников существенно выше.
Генераторы разностной частоты, использующиетакже квадратичную нелинейность поляризации, предназначены для уменьшениячастоты, для преобразования двух волн с частотами и в волнус частотой Они применяются для получения когерентного излучения в ДВ-области спектравплоть до субмиллиметровых волн, как в непрерывном режиме, так и в импульсномс нано- и пикосекундной длительностью.
Параметрические генераторы света позволяютаффективно преобразовывать излучение с фиксиров. частотой в две перестраиваемые по частоте волны с частотами и удовлетворяющимисоотношению Они являются перспективными источниками мощного перестраиваемого когерентногоизлучения ИК-диапазона (кпд импульсных перестраиваемых параметрич. генераторовсвета достигает 60%.
Для преобразования частоты лазерного излученияиспользуются также и нелинейности поляризации более высокого порядка (кубическая, <четвёртой степени и и т. д.). Оптические умножители частоты, использующиевысшие нелинейности, позволяют в одном каскаде получать высшие гармоникиосн. излучения лазера, т. е. осуществлять прямые процессы преобразования и т. д. Таким способом получено самое коротковолновое когерентное излучениев вакуумной УФ-области спектра с = 53,5 и 38,8 нм путём генерации пятой и седьмой гармоник на нелинейностях и в Неи Ne. На нелинейности в парах Na получена девятая гармоника излучения лазера на неодимовом стеклес =117нм. Однако эффективность таких процессов обычно невелика вследствие малостивеличин соответствующих нелинейных восприимчивостей среды, и поэтому заметноепреобразование можно получить лишь при достаточно высоких интенсивностяхосн. излучения (к-рые ограничиваются лучевой прочностью среды),реализуемых, как правило, для импульсов пикосекундного диапазона. В большинствеслучаев для оптич. умножителей частоты более эффективным оказывается использованиенеск. каскадов последоват. удвоения частоты.
Важный класс О. п. ч. составляют преобразователи, <использующие вынужденное комбинац. рассеяние света (см. Вынужденноерассеяние света) - взаимодействие световых волн и фононов оптич. частотына кубич. нелинейности среды, приводящее к преобразованию излучения лазерас частотой вволны с частотами , где - одна из собств. частот молекулярных колебаний среды (стоксов сдвиг),N= 1, 2, 3, ... Эффективность таких О. п. ч. может быть весьма высока (см. Комбинационныйлазер).
О. п. ч. разл. типов позволяют существеннорасширить диапазон длин волн когерентного излучения и даже получать перестраиваемоеизлучение в разл. областях УФ-, ИК- и видимого диапазонов. Среди многочисл. <применений О. п. ч. следует выделить использование их в мощных многокаскадныхлазерных системах, предназначенных для проведения экспериментов по лазерномутермоядерному синтезу. Эфф. преобразование излучения таких систем вболее коротковолновый диапазон даёт принципиально новые возможности в решенииэтой важной проблемы.

Лит.: Цернико Ф., Мидвинтор Д ж.,Прикладная нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1976; Справочник по лазерам, <пер. с англ., под ред. А. М. Прохорова, т. 2, М., 1978; Дмитриев В. Г.,Тарасов Л. В., Прикладная нелинейная оптика, М., 1982; Шен И. Р., Принципынелинейности оптики, пер. с англ., М., 1989.

Б. В. Жданов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.