ОПТИ́ЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВА́ТЕЛИ ЧАСТОТЫ́

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: $P=\varkappa E+\chi^{(2)}E^2+\chi^{(3)}E^3+\dots,$, где $\varkappa$ – ли­ней­ная ди­элек­трич. вос­при­им­чи­вость сре­ды, $\chi^{(n)}$ – тен­зор не­ли­ней­ной вос­при­им­чи­во­сти $n$-го по­ряд­ка (см. Не­ли­ней­ная оп­ти­ка).

Пер­вым не­ли­ней­ным оп­тич. эф­фек­том, ко­то­рый на­блю­дал­ся в сре­де с квад­ра­тич­ной не­ли­ней­но­стью, оп­ре­де­ляе­мой $\chi^{(2)}$, 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 $(\chi^{(2)})^2/n^3$, 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 $\omega_1$ и $\omega_2=2\omega_1$ 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 $\omega_1$ и $\omega_2$ в вол­ну с час­то­той $\omega_3=\omega_1+\omega_2$ 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 $\omega_1$ и $\omega_2$ в вол­ну с час­то­той $\omega_3=\omega_1-\omega_2$ 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 $\omega$ в две пе­ре­страи­вае­мые по час­то­те вол­ны с час­то­та­ми $\omega_1$ и $\omega_2$, удов­ле­тво­ряю­щи­ми со­от­но­ше­нию $\omega_1+\omega_2=\omega$. 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.