8.4.1.2. Параметрическая генерация

Перейдем теперь к обсуждению процесса параметрической генерации. Начнем с замечания, что идеи, высказывавшиеся ранее в связи с ГВГ, нетрудно распространить на случай двух падающих волн с частотами суммирующихся в волну с частотой (генерация суммарной частоты). Генерацию гармоник можно в действительности представить как предельный случай генерации суммарной частоты с Физическая картина опять очень похожа на случай ГВГ: благодаря наличию нелинейного соотношения (8.41) между рнелин и полным полем между волной с и волной с возникнут биения, что приведет к образованию компоненты поляризации с частотой Это затем приведет к излучению электромагнитной волны с частотой Таким образом, в случае генерации суммарной частоты можно написать следующее равенство:

которое в представлении фотонов, а не полей означает, что исчезают один фотон с частотой и один фотон с частотой в то время как образуется фотон с частотой Поэтому мы предполагаем, что в этом процессе импульс фотонов также сохраняется, т. е.

Это соотношение записано в своей общей форме, причем является вектором. Соотношение (8.576), которое выражает условие фазового синхронизма в случае генерации суммарной частоты, можно рассматривать как прямое обобщение этого условия для ГВГ [ср. с соотношением (8.516)].

Оптическая параметрическая генерация представляет собой в действительности процесс, обратный генерации на суммарной

частоте. В этом случае волна с частотой (частота накачки) генерирует две волны (называемые паразитной и сигнальной волнами) с частотами таким образом, что полные энергия и импульс фотона сохраняются, т. е.

Физический процесс, имеющий место в этом случае, можно представить себе следующим образом. Вообразим сначала, что в нелинейном кристалле присутствуют одновременно сильная волна с частотой и слабая волна с частотой . В результате нелинейного взаимодействия (8.41) волна с частотой образует биения с волной, имеющей частоту что приводит к возникновению компоненты поляризации с частотой Если удовлетворяется условие фазового синхронизма (8.586), то волна с частотой будет нарастать по мере своего прохождения через кристалл. При этом полное поле Е будет в действительности суммой трех полей а между волнами с частотой возникают биения, что приводит к появлению компоненты поляризации с частотой Эта поляризация также вызовет нарастание волны Следовательно, от волны с частотой энергия будет передаваться волнам с частотами и исходная слабая волна с частотой будет усилена. Из этой картины видно, в чем состоит коренное отличие параметрической генерации от Если в последнем случае для осуществления процесса ГВГ необходимо иметь лишь один сильный пучок на основной частоте, то в первом случае необходимо иметь также и слабый пучок волн с частотой причем система ведет себя как усилитель для волны с частотой . Однако на практике нет необходимости вводить слабый пучок от внешнего источника (например, от другого лазера), поскольку он генерируется внутри кристалла в виде шума (называемого параметрическим шумом). Из этого шума можно затем генерировать когерентные пучки способом, аналогичным тому, который применяется в лазерном генераторе. С этой целью в оптический резонатор помещается нелинейный кристалл, который накачивается соответствующим сфокусированным пучком накачки (рис. 8.8). В таком параметрическом генераторе оба зеркала (1 и 2) имеют высокий коэффициент отражения (например,

Рис. 8.8. Схематическое представление оптического параметрического генератора.

либо только на частоте (однорезонаторный генератор), либо на двух частотах (двухрезонаторный генератор). Для пучка накачки зеркала являются достаточно прозрачными. Генерация возникает, когда усиление, обусловленное параметрическим эффектом, начнет превышать потери в оптическом резонаторе. Следовательно, для начала генерации нужна некоторая пороговая энергия входного пучка накачки. Когда этот порог достигнут, генерация наступает как на частоте так и на а конкретное сочетание величин определяется соотношениями (8.58). Например, при условии фазового синхронизма типа I, в котором участвуют необыкновенная волна с частотой и обыкновенные волны с частотами из соотношения (8.586) получаем

При данном значении угла (т. е. при известном наклоне нелинейного кристалла по отношению к оси резонатора) соотношение (8.59) определяет связь между , а вместе с соотношением (8.58а) оно позволяет вычислить обе частоты Можно реализовать условия фазового синхронизма как типа I, так и типа II (например, в отрицательном одноосном кристалле), а перестройку можно осуществлять изменением либо наклона кристалла (угловая перестройка), либо температуры (температурная перестройка). В заключение заметим, что если усиление, обусловленное параметрическим эффектом, достаточно велико, то можно обойтись и вовсе без зеркал, а интенсивное излучение на частотах происходящее от параметрического шума, можно получить за один проход через кристалл. Это внешне очень похоже на явления суперлюминесценции и усиленного спонтанного излучения, которые рассматривались в разд. 2.7, и иногда (довольно необоснованно) называется суперлюминесцентным параметрическим излучением.

На практике применяются как однорезонаторные, так и двухрезонаторные оптические параметрические генераторы. Двухрезонаторную параметрическую генерацию можно получить при накачке от непрерывных и импульсных лазеров. При этом оказалось, что в случае непрерывной накачки пороговые мощности составляют всего несколько милливатт. Но наличие резонанса сразу на двух частотах вызывает некоторую нестабильность излучения на выходе как по амплитуде, так и по частоте. Однорезонаторная параметрическая генерация была осуществлена лишь при накачке от импульсных лазеров, поскольку в случае резонанса на одной частоте пороговая мощность накачки оказывается значительно более высокой (на два порядка величины),

чем в случае двухчастотного резонанса. Однако в однорезонаторных генераторах стабильность сигнала на выходе намного лучше, а требования к зеркальным покрытиям не столь строги. Вследствие этого наиболее распространенной является однорезонаторная схема. В настоящее время достаточно хорошо разработаны оптические параметрические генераторы, дающие когерентное излучение, в диапазоне длин волн от видимого до инфракрасного (0,5-3,5 мкм). Наиболее успешной конструкцией является та, в которой используется кристалл ниобата лития с накачкой от Nd : YAG-лазера. Однако эти генераторы имеют конкурентов со стороны лазеров на центрах окраски, которые работают в том же ИК-диапазоне. Оптические параметрические генераторы могут также генерировать когерентное излучение и на более длинных волнах ИК-диапазона (примерно до 14 мкм), если использовать в них такие кристаллы, как прустит и селенид кадмия Эффективность этих генераторов может быть также очень высокой (приближаясь к теоретической 100%-ной фотонной эффективности).