§ 10. ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ С ПОМОЩЬЮ НЕЛИНЕЙНОГО КРИСТАЛЛА, ПОМЕЩЕННОГО ВНУТРЬ ОПТИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА

После создания непрерывных лазеров на кристаллах граната, активированного неодимом, возникла чрезвычайно важная проблема преобразования инфракрасного излучения этих лазеров в видимое. Вторая гармоника лазера на YAG : Nd3+ представляет собой пучок зеленого света, весьма удобного для всевозможных оптических исследований. Размещение нелинейного кристалла за пределами лазерного резонатора обычно позволяет при ГВГ получить КПД, равный 20—30%, разумеется, при выполнении условий фазового синхронизма. Более эффективными оказались системы, в которых нелинейный кристалл помещался внутри резонатора.

В 1968 г. Гейсик и др. 144] создали систему с эффективностью преобразования частоты, равной 100%. Рассмотрим эту систему несколько подробнее, поскольку ее создание было сенсационным событием в области нелинейной оптики. Схема лазера Гейсика и др. приведена на рис. 17.17. Кристалл чрезвычайно однороден и обладает высоким энергетическим порогом повреждения. Одно из зеркал лазера имело радиус кривизны другое — причем оба зеркала обеспечивали коэффициент отражения основного пучка мкм), равный 99,8%. Выходное зеркало обладало пропусканием 98% для зеленого излучения,

Рис. 17.17. Лазер на YAG : Nd3+ с нелинейным кристаллом внутри оптического резонатора [44]: основной пучок преобразуется во вторую гармонику с КПД, равным 100%.

которое представляло собой вторую гармонику основного пучка. Накачка лазера на YAG : Nd3+ осуществлялась одной вольфрамо-йодной лампой мощностью снабженной эллиптическим рефлектором. Нелинейный кристалл (банан) имел длину 3,4 мм, на его торцы были нанесены покрытия, предотвращающие отражение на длине волны мкм. Температура кристалла была тщательно стабилизирована для обеспечения фазового синхронизма в направлении оси а (коэффициент нелинейной восприимчивости , как следствие этого, максимальной мощности второй гармоники. Лазер на YAG : Nd3+ без нелинейного кристалла генерировал инфракрасное излучение на моде с мощностью Вт. При поддержании температуры кристалла на уровне пучок излучения второй гармоники, выходивший из резонатора справа, имел мощность мВт. Поскольку такую же мощность имел зеленый пучок, распространявшийся в противоположном направлении, полная мощность зеленого излучения была равна мощности основного пучка. Таким образом, эффективность преобразования частоты достигала 100%. Действие нелинейного кристалла в резонаторе в какой-то степени эквивалентно действию полупрозрачного зеркала, которое отводит определенную мощность из резонатора. Кристалл отбирает энергию у основного пучка и преобразует ее во вторую гармонику, которая практически полностью покидает резонатор.

Предположим 144], что по отношению к основному лучу коэффициент отражения одного из зеркал равен единице, а второе зеркало обладает пропусканием Т. Условие стационарности генерации имеет вид

где V — длина активного элемента лазера, коэффициент усиления на единицу длины в условиях, далеких от насыщения, а — коэффициент потерь в лазерном материале на единицу длины, — другие потери в системе (например, поглощение света в зеркалах), 5 — параметр насыщения, — мощность, распространяющаяся в одном направлении в резонаторе. Выходная мощность на частоте достигает максимума, когда

Следовательно,

Если предположить, что на частоте отражение обоих зеркал составляет 100%, то условие стационарности для случая, когда

в резонатор лазера помещен нелинейный кристалл, имеет вид

где длина кристалла, — коэффициент потерь энергии в кристалле на единицу длины, а коэффициент и равен [42]

Здесь — число генерируемых мод, — коэффициент нелинейной восприимчивости, — радиус светового пятна в кристалле, Последнее выражение можно записать в виде

где — это значение к в условиях фазового синхронизма, т. е. при Мощность пучка второй гармоники равна

Эта мощность достигает максимума, когда

Следовательно,

Поскольку

мощность пучка с частотой практически равна мощности всего основного пучка, генерируемого лазером. Авторы [44] измерили коэффициент усиления света на один проход и другие параметры лазера и определили значения следующих величин:

Рис. 17.18. Система для эффективного преобразования излучения с длиной волны 1,06 мкм во вторую гармонику [45].

Рассмотрим вкратце также лазер на YAG : Nd3+, запущенный в 1971 г. Дмитриевым и др. [45]. Кристалл обычно не помещали внутри резонатора для ГВГ, так как этот кристалл слишком неоднороден. При температуре кристалла, превышающей неоднородности исчезают, однако при такой температуре генерация второй гармоники невозможна без двойного лучепреломления. В нормальном кристалле угол фазового синхронизма, равный 90°, достигается при температуре . В нестехиометричных кристаллах область синхронизма можно сместить до Авторы [45] применили такой кристалл и поддерживали его температуру с помощью термостата (рис. 17.18). Резонатор состоял из двух вогнутых зеркал, отражающих 99,9% излучения мкм. Кроме того, выходное зеркало обеспечивало пропускание 93% излучения на длине волны мкм. Выбор радиусов кривизны зеркал обеспечивал стабильную работу резонатора. Торцы активного элемента, изготовленного из иттрий-алюминиевого граната, имели покрытия, препятствующие отражению основной волны. Кристалл длиной всего лишь 8 мм был вырезан перпендикулярно оптической оси. На его торцы были нанесены покрытия, препятствующие отражению на обеих длинах волн. В оптимальных условиях лазер генерировал одномодовый пучок мощностью (при мощности накачки После нагревания кристалла до 165 °С начиналась эффективная генерация второй гармоники, также на моде с выходной мощностью (в обоих направлениях вдоль оси резонатора). Таким образом, полная мощность составляла а эффективность процесса ГВГ — 16%.

Нелинейный кристалл можно также поместить внутрь резонатора импульсного лазера. Интересную систему такого типа, позволяющую к тому же перестраивать частоту пучка в пределах ширины линии люминесценции иона неодима, описали Кравченко, Смирнов и Соскин [46]. Схема их лазера изображена на рис. 17.19. Внутри резонатора установлен дисперсионный элемент в виде

Рис. 17.19. Лазер, генерирующий вторую гармонику с перестраиваемой частотой [46].

призмы и нелинейный кристалл KDP. Накачка стержня из неодимового стекла длиной 130 мм осуществлялась двумя линейными лампами. В кристалле KDP в результате взаимодействия типа возникает пучок излучения второй гармоники, который на обратном пути отклоняется в сторону за счет дисперсии призмы и выходит из резонатора. Эффективность ГВГ максимальна, когда плоскости поляризации волн с частотами образуют угол 45° друг с другом. Это условие обеспечивается введением в резонатор пластинки из кристаллического кварца. При энергии накачки 3500 Дж энергия наносекундного импульса второй гармоники составляет 0,2 Дж, а мощность — 814 Вт. В оптимальных условиях эффективность преобразования частоты достигает 40%.