Материал: Sb95840

Распространение оптического излучения в среде происходит в результате эффекта переизлучения. Он состоит в том, что при падении внешнего излучения на вещество в области взаимодействия происходит поляризация среды. Ее следствиями являются возникновение собственного излучения среды, поляризация соседних областей, новое собственное излучение среды и т. д. Степень поляризации среды, или электрический дипольный момент, наведенный в среде внешним излучением, определяется диэлектрической восприимчивостью среды и напряженностью электрического поля Е внешней волны: Р = Е. При низких уровнях Е (линейная оптика) f (E). В интенсивных пучках мощных лазеров напряженность световой волны возрастает до уровня напряженности электрического поля атома, что приводит к проявлению зависимости свойств среды от Е. В частности, в этих условиях для изотропной среды диэлектрическая восприимчивость = f (E) = I + II Е +

+III Е2 + …, где I, II, III – диэлектрические восприимчивости для первой, второй и третьей гармоник соответственно. Тогда выражение Р = IЕ +

+II Е2 + III Е3 + … будет характеризовать нелинейно-оптический эффект в среде. В зависимости от значений диэлектрических восприимчивостей II,

среды подразделяют на квадратичные, кубические и т. д. При распро-

странении излучения в квадратичной среде ( II III) вдоль оси z излучения

Таким образом, при воздействии на квадратичную среду интенсивного монохроматического, обычно лазерного, излучения с исходной частотой I в ней дополнительно может возникнуть вторая гармоника излучения с частотой II = 2 I. Условием возможности передачи энергии от первой гармоники ко второй является равенство скоростей их распространения в среде условие волнового синхронизма: vI = vII или с / nI = с / nII и, следовательно, nI = = nII, где c скорость света в вакууме; nI, nII показатели преломления сре-

16

ды для первой и второй гармоник излучения.

Для генерации второй гармоники чаще всего используют одноосные двулучепреломляющие кристаллы, в которых могут существовать “обыкно-

(рис. 2.1). Напротив, скорость vе и показатель преломления nе “необыкновенного” луча зависят от направления распространения.

пересекаются, то имеется такое направление распространения излучения =

при котором neII noI и условие волнового синхронизма выполняется. Состояние волнового синхронизма очень критично направлению рас-

пространения: отклонение на единицы градусов от условия = с приводит к спаду мощности второй гармоники на 50 %. Для всех нелинейно-оптических кристаллов показатели преломления nе, nо являются функциями температуры среды и длины волны (частоты) излучения. В итоге эффективность генерации второй гармоники зависит не только от свойств кристаллов, используемых в качестве нелинейных сред, их геометрии и пространственной ориентации относительно оси лазерного пучка, но и от степени монохроматичности и направленности пучка основной гармоники лазерного излучения.

Как видно из (2.1), второе слагаемое в функции поляризуемости среды, отвечающее за формирование второй гармоники, сильно квадратично зави-

17

сит от напряженности электрического поля падающей волны Е. Это означает, что эффективность генерации второй гармоники тем выше, чем больше Е, т. е. чем выше плотность исходного лазерного излучения. Увеличение эффективности генерации второй гармоники при неизменном уровне мощности накачки лазера может быть достигнуто при переходе от непрерывного к импульсному режиму. Наилучшие результаты достигаются в режиме модулированной добротности резонатора, который характеризуется высокой импульсной мощностью лазерного излучения.

Нелинейно-оптическая среда, в которой происходит преобразование основной гармоники во вторую, принципиально может размещаться внутри или вне основного резонатора лазера. Внутрирезонаторное преобразование гармоник более эффективно, так как плотность когерентной мощности, циркулирующей внутри оптического резонатора и воздействующей на нелинейную среду, во много раз выше, чем в выходном излучении лазера. В этом случае

генерация второй гармоники имеет высокий КПД преобразования II, достигающий при оптимальном согласовании десятков процентов.

При расположении нелинейно-оптического кристалла вне резонатора реализуется однопроходное преобразование, а в лазерном пучке за кристаллом присутствуют одновременно и первая, и вторая гармоники. Для повышения эффективности внерезонаторного преобразования применяют фокусировку лазерного пучка. Чтобы не увеличивалась расходимость преобразованного пучка, используют две софокусно расположенные одинаковые линзы, между которыми устанавливают нелинейный кристалл.

Широкое распространение получили преобразователи гармоник на основе нелинейного кристалла титанила фосфата калия (KTiOPO4, сокращенно

KTP), имеющего высокие значения диэлектрической восприимчивости II для второй гармоники. Помимо KТР для генерации второй гармоники используются также кристаллы дигидрофосфата калия, дигидрофосфата аммония, ниобата лития и др. В настоящее время в импульсных твердотельных лазерах за счет высокой плотности мощности достигнута генерация третьей (борат бария) и четвертой (борат лития) гармоник лазерного излучения.

Описание лабораторной установки. Лабораторная установка по-

строена на базе твердотельного лазера (ТТЛ), активной средой которого служит кристалл ортованадата иттрия (YVO4 : Nd+3), легированный неоди-

18

мом (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Структурная схема ТТЛ с преобразователем второй гармоники

Оптическая накачка кристалла ортованадата иттрия осуществляется излучением ИППЛ с λ3 = 808 нм. Для повышения коэффициента использования излучения накачки между ИППЛ и активной средой ТТЛ устанавливается согласующая линза. Лазер генерирует основную, первую гармонику на длине волны λ1 = 1064 нм. Преобразователь гармоник на основе кристалла титанила фосфата калия располагается соосно с резонатором ТТЛ. При прохождении через нелинейный кристалл частота излучения первой гармоники удваивается и формируется вторая гармоника с частотой излучения, соответствующей видимой области спектра: λ2 = 532 нм. Для уменьшения расходимости лазерного пучка используется выходная линза.

Схема включения лазера представляет собой регулируемый стабилизатор тока на операционном усилителе (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Принципиальная электрическая схема лабораторной установки

Спектр излучения исследуемого лазера может включать все три составляющие: излучение первой Iλ1 , второй Iλ2 гармоник и накачки Iλ3. Для контроля спектра лазера используется призменный монохроматор УМ-2.

Для измерения интегральной абсолютной мощности излучения предусмотрена возможность установки на пути лазерного луча радиационного

19