22. Параметрическая люминесценция (ПЛ)

Параметрическая люминесценция в нелинейных кристаллах ( и др.) была открыта в 1967 г. в трех научных центрах: в Стэнфордском университете Харрисом, Османом и Байером в Корнельском университете Магдом и Маром [2] и в Московском университете им. М. В. Ломоносова Ахмановым, Фадеевым, Хохловым и Чунаевым [3]. Ранее ее предсказали теоретически Луиселл и Ярив [4], Гордон, Луиселл и Уолкер [5] и Вагнер и Хелуорт [6]. Явление параметрической люминесценции объясняется спонтанным распадом фотонов в прозрачной нелинейной среде под влиянием квантовых статистических флюктуаций. Параметрическая люминесценция выступает в качестве источника квантовых шумов в любом параметрическом усилителе или генераторе. В результате указанного распада возникает излучение, которое максимально в направлениях, удовлетворяющих соотношению

где — волновой вектор возбуждающей волны, а — волновые векторы возникших волн. По аналогии с параметрическим усилителем можно было бы обозначить через (волна накачки), через (сигнальная волна), а через к (холостая

Рис. 22.1. а — схема установки для наблюдения параметрической люминесценции [1]; б — путь возбуждающего пучка в кристалле в — векторная диаграмма волновых векторов, иллюстрирующая соотношение (22.1) [9].

волна). Интересно, что в явлении ПЛ не существует порога мощности возбуждающего пучка, поэтому ПЛ можно наблюдать также с помощью газовых лазеров. На рис. 22.1 приведена схема установки для исследования ПЛ и иллюстрация закона сохранения импульса фотонов.

В эксперименте Харриса и др. [1] кристалл температур-но перестраивался так, чтобы соотношение (22.1) выполнялось в широком диапазоне длин волн. Для возбуждения применялся необыкновенный пучок аргонового лазера с длиной волны ; в кристалле в результате спонтанного распада фотонов возникали два обыкновенных пучка, т. е. имело место взаимодействие типа . С помощью скрещенных поляризаторов и фильтров первичный пучок ослаблялся перед входом в детектор на 120 дБ. Мощность наблюдаемой люминесценции составляла около Вт. По мере увеличения температуры происходила параметрическая люминесценция на следующих длинах волн:

до 75°С — инфракрасное излучение, — глубокий красный цвет, 125°С — красный цвет, — излучение, относящееся к средней и коротковолновой частям видимого диапазона.

Положим Мощность спонтанной люминесценции в одной моде на единицу длины кристалла равна где а — коэффициент параметрического усиления, — ширина полосы. Если сфокусировать лазерный пучок на поверхность — длина кристалла), то можно ограничиться учетом спонтанного излучения только от одной моды холостой волны. Мощность Ризл, излучаемая при ПЛ в полосе на одной моде, равна

где — нелинейная восприимчивость для — постоянная Планка, — диэлектрическая проницаемость вакуума, — показатели преломления для пучков: сигнального, холостого и накачки, — мощность пучка накачки. Поскольку мощность прямо пропорциональна квадрату для наблюдения ПЛ следует выбирать кристаллы с возможно большей нелинейной восприимчивостью. Мощность накачки невелика, поэтому параметрическое усиление настолько мало (около что потери лучистой энергии в расчете на один проход (примерно ) значительно превышают усиление. Таким образом, в системе нет ни параметрических колебаний, ни параметрического усиления. Клышко [7] наблюдал параметрическую люминесценцию в полосе от 1,7 до 4 мкм

(при углах от 0 до 30°), а также от 0,7 до 0,55 мкм (от 0 до Кристаллы или ADP возбуждались импульсными пучками (гармониками неодимового или рубинового лазера) (см. рис. 22.2 на вклейке в конце книги).

Форму линий параметрической люминесценции исследовали Криндач, Холодных и Чурин [81. Они рассмотрели трехчастотное взаимодействие типа в нелинейном кристалле, происходящее в соответствии с условием

где — отстройка от пространственного синхронизма. Вектор в основном определяет форму линии ПЛ. Чаще всего ее удается описать с помощью приближенного выражения

где зависит от параметров данного типа взаимодействия волн в среде. Уширение линий ПЛ происходит по следующим причинам: немонохроматичность и расходимость возбуждающего пучка, поглощение света в кристалле, флюктуации двулучепреломления, плохое оптическое качество кристалла и др. В хороших кристаллах длиной 1 см получена полуширина линии что лишь в 1,2 раза превышает значение, рассчитанное теоретически.

Параметрическая люминесценция не только представляет большой научный интерес, но и имеет важное практическое значение. Методом ПЛ можно оценить нелинейные оптические свойства кристаллов. ПЛ определяет также уровень квантовых шумов любой оптической системы с использованием нелинейных эффектов.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)