8.2.2. Оптическая параметрическая генерация

Оптические параметрические генераторы наряду с лазерами на красителях являются наиболее важными источниками перестраиваемых по частоте ультракоротких световых импульсов. Под параметрическим усилением и генерацией понимают нарастание интенсивности или генерацию двух световых волн с частотами в определенной среде, облучаемой сильной световой волной, называемой волной накачки, с частотой Параметрическое взаимодействие следует рассматривать как процесс, обратный процессу смешения частот. Если исходное излучение является монохроматическим, то частоты усиливаемых и генерируемых волн связаны с частотой исходной волны соотношением

Это соотношение выражает закон сохранения энергии взаимодействующих фотонов. Интенсивность волн с частотами возникающих при взаимодействии с нелинейной средой волны с частотой сильно увеличивается при выполнении соответствующего условия фазового синхронизма

связывающего волновые векторы взаимодействующих волн. В случае коллинеарного взаимодействия условие (8.24а) сводится к скалярному равенству

Это соотношение можно рассматривать как закон сохранения импульса фотонов. Параметрическая генерация света является аналогом параметрического усиления или параметрической генерации высокочастотных электромагнитных колебаний. В последнем случае термин «параметрический процесс» вводится по той причине, что речь идет о периодическом изменении одного из параметров колебательного контура, чаще всего его емкости. В результате такого воздействия имеет место усиление или генерация колебаний на определенных частотах. При оптическом параметрическом усилении или оптической параметрической генерации колебательный контур заменяется нелинейным оптическим кристаллом. Под воздействием интенсивной волны накачки диэлектрическая проницаемость среды меняется с частотой этой волны, что соответствует периодическому изменению емкости упомянутого выше колебательного контура. Параметрическое взаимодействие в оптическом диапазоне также представляет важные возможности практического применения.

Устройство действует как параметрический усилитель в том случае, когда наряду с волной накачки с частотой в кристалл направляется сигнальная волна с частотой В процессе усиления возникает третья волна с частотой и волновым вектором Эту волну называют вспомогательной, или «холостой». Под воздействием достаточно мощной волны накачки параметрический процесс может протекать и в отсутствие сигнальной волны. В этом случае роль входного сигнала играет фотонный шум и усилитель превращается в генератор. Частоты преимущественно генерируемых световых волн здесь определяются условием фазового синхронизма и геометрией взаимодействия. Изменение действующих показателей преломления нелинейного оптического кристалла для участвующих в процессе волн (например, при повороте кристалла или изменении его температуры) позволяет перестраивать частоты Области перестройки для некоторых кристаллов и длины

волн накачки в импульсном режиме представлены на рис. 8.5 [8.16].

При параметрической генерации в пикосекунднои области, как и в случае генерации гармоник, необходимо согласование параметров импульса и кристалла. Такое согласование имеет целью компенсировать неполное удовлетворение условия фазового синхронизма, вызванное широким спектром импульсов, а также разбегание импульсов с различными средними частотами, обусловленное разбросом групповых скоростей. Эти эффекты ведут к снижению коэффициента преобразования и уширению импульсов. Обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных отмеченной проблеме, дан в [8.16]. Особое внимание обращается на обеспечение высоких значений коэффициентов преобразования Предельно короткие импульсы были получены Кайзером и сотр. (см., например, [8.17]). После параметрического генератора они использовали второй кристалл как параметрический усилитель. Минимальные длительности сигнального импульса достигались выбором задержки между сигнальным импульсом и импульсом накачки в усилителе. Подобная установка с двумя кристаллами облегчает также перестройку длины волны.

Рис. 8.5. Области перестройки параметрического генератора света. (По [8.16].) В качестве волны накачки используется излучение неодимового лазера с синхронизацией мод или гармоники этого излучения. В качестве нелинейных оптических кристаллов применялись KDP, и