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 (генераторы второй оптич. гармоники) позволяют эффективно преобразовывать излучение лазера с частотой со в излучение с удвоенной частотой. Преобразование осуществляется в нелинейных кристаллах, обладающих ненулевой квадратичной нелинейностью (кристаллы без центра инверсии) при распространении взаимодействующих волн вдоль т. н. направления фазового синхронизма. Наиб. распространённые нелинейные кристаллы: KDP, ADP, CDA, Ba₂NaNb₅O₁₅, КТР₃, LiNbО₃. Эффективность преобразования осн. излучения во вторую гармонику определяется свойствами нелинейного кристалла, а именно: отношением(п - показатель преломления) и его длиной l, а также характеристиками пучка преобразуемого излучения (пространственным и временным профилем, энергией импульса или мощностью непрерывного излучения). Напр., при удвоении монохроматич. излучения с плоским фронтом мощность волны второй гармоники зависит от отношения l/l_нл ( - длина волны и Е - амплитуда поля осн. излучения). По мере распространения осн. волны в кристалле её мощность уменьшается, а мощность второй гармоники возрастает (рис.) и при l = 3l_пл достигает 99% от мощности осн. волны. При удвоений частоты излучения лазера с = 1 мкм и интенсивностью 10⁶ Вт/см² в кристалле ниобата лития l_нл = 3 см. Для реальных лазерных пучков с ограниченной апертурой, а также в импульсном режиме работы эффективность оптич. удвоителей ниже, чем в случае плоских волн. Макс. достигнутая энергетич. эффективность оптич. удвоителя составляет 90% при интенсивности накачки 3 ГВт/см², длительности импульса 0,5 нс в кристалле KDP длиной l = 3 см.

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

Генераторы суммарной частоты преобразуют две волны с разными частотами и в волну с частотой В качестве среды с квадратичной нелинейностью в этих генераторах обычно используются те же кристаллы, что и в оптич. удвоителях. Генераторы суммарной частоты используются: а) в многокаскадных генераторах гармоник для дальнейшего преобразования частоты лазерного излучения в более коротковолновый диапазон (напр., при получении третьей, четвёртой, пятой и т. д. гармоник осн. излучения лазера); б) для смещения перестраиваемого диапазона частот в более коротковолновый диапазон (гл. обр. УФ) путём сложения частот перестраиваемого лазера и лазера с фиксиров. частотой; в) преобразования ИК-сигналов и изображений в видимый диапазон, где чувствительность фотоприёмников существенно выше.
Генераторы разностной частоты, использующие также квадратичную нелинейность поляризации, предназначены для уменьшения частоты, для преобразования двух волн с частотами и в волну с частотой Они применяются для получения когерентного излучения в ДВ-области спектра вплоть до субмиллиметровых волн, как в непрерывном режиме, так и в импульсном с нано- и пикосекундной длительностью.
Параметрические генераторы света позволяют аффективно преобразовывать излучение с фиксиров. частотой в две перестраиваемые по частоте волны с частотами и удовлетворяющими соотношению Они являются перспективными источниками мощного перестраиваемого когерентного излучения ИК-диапазона ( > 1 мкм). Энергетич. кпд импульсных перестраиваемых параметрич. генераторов света достигает 60%.
Для преобразования частоты лазерного излучения используются также и нелинейности поляризации более высокого порядка (кубическая, четвёртой степени и и т. д.). Оптические умножители частоты, использующие высшие нелинейности, позволяют в одном каскаде получать высшие гармоники осн. излучения лазера, т. е. осуществлять прямые процессы преобразования и т. д. Таким способом получено самое коротковолновое когерентное излучение в вакуумной УФ-области спектра с = 53,5 и 38,8 нм путём генерации пятой и седьмой гармоник на нелинейностях и в Не и Ne. На нелинейности в парах Na получена девятая гармоника излучения лазера на неодимовом стекле с =117 нм. Однако эффективность таких процессов обычно невелика вследствие малости величин соответствующих нелинейных восприимчивостей среды, и поэтому заметное преобразование можно получить лишь при достаточно высоких интенсивностях осн. излучения (к-рые ограничиваются лучевой прочностью среды), реализуемых, как правило, для импульсов пикосекундного диапазона. В большинстве случаев для оптич. умножителей частоты более эффективным оказывается использование неск. каскадов последоват. удвоения частоты.
Важный класс О. п. ч. составляют преобразователи, использующие вынужденное комбинац. рассеяние света (см. Вынужденное рассеяние света) - взаимодействие световых волн и фононов оптич. частоты на кубич. нелинейности среды, приводящее к преобразованию излучения лазера с частотойв волны 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. Комбинационный лазер).
О. п. ч. разл. типов позволяют существенно расширить диапазон длин волн когерентного излучения и даже получать перестраиваемое излучение в разл. областях УФ-, ИК- и видимого диапазонов. Среди многочисл. применений О. п. ч. следует выделить использование их в мощных многокаскадных лазерных системах, предназначенных для проведения экспериментов по лазерному термоядерному синтезу. Эфф. преобразование излучения таких систем в более коротковолновый диапазон даёт принципиально новые возможности в решении этой 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., Принципы нелинейности оптики, пер. с англ., М., 1989.

Б. В. Жданов.