ОПТИ́ЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВА́ТЕЛИ ЧАСТОТЫ́
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
Книжная версия:
Электронная версия:
ОПТИ́ЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВА́ТЕЛИ ЧАСТОТЫ́, оптич. устройства, позволяющие преобразовывать частоту лазерного излучения как в более коротковолновый спектральный диапазон в результате генерации гармоник основного оптич. излучения или сложения частот двух лазеров, так и в более длинноволновый – при использовании процесса генерации разностной частоты или параметрич. генерации света. Действие О. п. ч. основано на нелинейной зависимости поляризации P среды от напряжённости E электрич. поля световой волны при распространении в среде лазерного излучения: P=ϰE+χ(2)E2+χ(3)E3+…,, где ϰ – линейная диэлектрич. восприимчивость среды, χ(n) – тензор нелинейной восприимчивости n-го порядка (см. Нелинейная оптика).
Первым нелинейным оптич. эффектом, который наблюдался в среде с квадратичной нелинейностью, определяемой χ(2), был процесс генерации 2-й гармоники, т. е. удвоение частоты лазерного излучения в анизотропном кристалле. О. п. ч., осуществляющий такой процесс, называется оптическим удвоителем частоты. Эффективность преобразования лазерного излучения во 2-ю гармонику определяется свойствами нелинейного кристалла [отношением (χ(2))2/n3, где n – показатель преломления] и его длиной l, а также характеристиками пучка преобразуемого излучения (пространственным и временным профилем, энергией импульса или мощностью непрерывного излучения). К числу наиболее распространённых нелинейных кристаллов относятся KDP (KH2PO4), KТР (KTiOPO4), LBO (LiB3O5), BBO (BaB2O4), ниобат лития (LiNbО3) и др. Если показатели преломления на частотах ω1 и ω2=2ω1 одинаковы, то на протяжении всего пути в нелинейной среде вдоль направления фазового синхронизма происходит переход энергии от исходной волны ко 2-й гармонике. Максимально 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, а при преобразовании фемтосекундного лазерного излучения во 2-ю гармонику приближается к 70%.
Генераторы суммарной частоты преобразуют две волны с разными частотами ω1 и ω2 в волну с частотой ω3=ω1+ω2 в средах с квадратичной нелинейностью. Генераторы суммарной частоты в осн. используются для преобразования частоты лазерного излучения в более коротковолновый диапазон (для каскадного получения 3-й, 5-й, 7-й гармоник осн. излучения), а также для преобразования ИК-излучения в видимый и ближний ИК-диапазоны, где чувствительность фотоприёмников существенно выше.
Генераторы разностной частоты применяют для преобразования двух волн с частотами ω1 и ω2 в волну с частотой ω3=ω1−ω2 в нелинейных оптич. средах с квадратичной нелинейностью для получения когерентного излучения в ИК-области спектра вплоть до субмиллиметровых волн как в непрерывном режиме, так и в импульсном с нано-, пико- и фемтосекундной длительностью.
Параметрические генераторы света позволяют эффективно преобразовывать излучение с фиксированной частотой ω в две перестраиваемые по частоте волны с частотами ω1 и ω2, удовлетворяющими соотношению ω1+ω2=ω. Они широко используются как источники мощного перестраиваемого когерентного излучения ИК-диапазона (с длиной волны 2–10 мкм). Энергетич. кпд импульсных перестраиваемых параметрич. генераторов света достигает 60%.
Новые возможности при решении задач нелинейно-оптич. преобразования частоты демонстрируют кристаллы с регулярной доменной структурой. С их помощью можно увеличить эффективность преобразования за счёт включения в процесс компонент тензора нелинейной восприимчивости, которые в кристаллах не используются в силу невозможности осуществить синхронное взаимодействие из-за дисперсии света в кристалле. К наиболее распространённым нелинейным кристаллам с регулярной доменной структурой относятся KТР, ниобат лития (LiNbО3), танталат лития (LiTaO3) и др. Эффективность нелинейно-оптич. преобразования излучения непрерывных диодных лазеров и твердотельных лазеров с диодной накачкой в условиях квазисинхронного взаимодействия составляет ок. 20%.
Взаимодействие высокоинтенсивного (порядка 1014 Вт/см2) фемтосекундного лазерного излучения видимого и ближнего ИК-диапазонов с атомами инертных газов может приводить к генерации высших гармоник оптич. излучения, лежащих в области вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения. Спектр гармоник содержит участок, в пределах которого амплитуды гармоник разл. порядков примерно равны, а эффективность генерации достигает величины 10–4%. Взаимная фазировка этих гармоник позволяет формировать последовательность аттосекундных импульсов с длительностью менее 10–15 с. Генерация высоких гармоник – одно из широко исследуемых явлений.
О. п. ч. позволяют существенно расширить диапазон длин волн когерентного излучения: от инфракрасного до рентгеновского. О. п. ч. используются в мощных многокаскадных лазерных системах для проведения экспериментов по взаимодействию сверхинтенсивного (> 1016 Вт/см2) фемтосекундного лазерного излучения с веществом, по лазерному термоядерному синтезу, при решении аналитич. спектроскопич. задач, включая исследование состава атмосферы.