Лекции по наноматериалам и нанотехнологиям
Нелинейные оптические эффекты в ПДС
жүктеу/скачать 12,63 Mb. Pdf көрінісі
|
Nanomateriali i nanotehnologii bak
| 3.13.4. Нелинейные оптические эффекты в ПДС
Генерация оптических гармоник Известно, что в атомной системе, наведенная электрическим полем, поляризация нелинейно зависит от напряженности поля 1 2 3 ... i ij j ijk j k ijkl j k l P E E E E E E где 2 ijk - нелинейная восприимчивость второго порядка (тензор третьего ранга), отвечает за генерацию второй гармоники, параметрическое усиление и параметрическую генерацию; 3 ijkl -нелинейная восприимчивость третьего порядка (тензор четвертого ранга), отвечает за генерацию третьей гармоники и комбинационное рассеяние. Резонансное взаимодействие оптических волн в неоднородной среде Линейный рост интенсивности второй гармоники осуществляется за счет такого выбора размера доменов, чтобы на каждой границе между ними происходил сдвиг обобщенной фазы на угол . Условие квазисинхронизма для второй гармоники принимает вид [7] 2 1 2 0 m k k k k , где 2 2 2 2 n k , 1 1 1 2 n k - волновые вектора второй гармоники 2 и основной частоты ; 1 n , 2 n - показатели преломления на основной частоте и второй гармонике соответственно. Для фазового согласования когерентных оптических пучков предлагалась использовать одноразмерную пространственную периодическую модуляцию нелинейной диэлектрической восприимчивости. Если нелинейная диэлектрическая восприимчивость 2 ijk описывается тензором третьего ранга, то на границах доменов в средах без центра симметрии, такие восприимчивости меняют знак (см. рис. 3.33 а). Они представляются распределениями вида[7]: 0 4 1 cos m r k r m где 2 / m k m D - волновой вектор периодической доменной структуры (ПДС). 171 Рис. 3.33.а) Нелинейные восприимчивости 2 ijk меняют знак на границах доменов. б) Генерация второй гармоники в пучке, распространяющемся в одну сторону (слева направо). в) В ПДС генерация второй гармоники в пучке, распространяющемся в обратную сторону. г) В ПДС генерация третьей гармоники за счет трехволнового взаимодействия 2 3 . [7] На рис. 3.34.показана зависимость интенсивности второй гармоники в монодоменном образце и в ПДС. Рис. 3.34. Зависимость интенсивности второй гармоники при распространении в монодоменном образце (внизу), в периодической доменной структуре «голова к хвосту» (верхняя кривая).[7] Периодические и квазипериодические доменные структуры (ПДС и КПДС) имеют следующие преимущества перед однородными нелинейными структурами: 1. Повышение коэффициента эффективности нелинейного преобразования 2 2 1 2 eff d n n и использование наиболее эффективных нелинейных оптических коэффициентов. При использовании доменных структур, коэффициент наибольший, нелинейный элемент 33 d становится пригодным для фазового согласования. Так как m i j i j eff d k d , то коэффициент оптического 172 преобразования возрастает в 2 33 2 ij d d раз. Здесь ij d - нелинейные оптические коэффициенты. Степень эффективности применения ПДС представлена в таблице. Нелинейные коэффициенты качества в материалах с однородной нелинейностью и с периодическими доменными структурами приведены в табл. 3.2.[7] Табл.3.2 Однородно нелинейные материалы Периодически нелинейные материалы Материал i j d 2 2 1 2 eff d n n Материал i j d 2 2 1 2 eff d n n 3 LiNbO 1 5 6 d 3,4 3 LiNbO 33 30 d 34 4 KTiOPO 2 4 4 d 2,7 4 KTiOPO 33 17 d 18 3 LiTaO 3 1 3 d 2,6 3 LiTaO 33 19 d 13 В структурах волноводного типа, сформированных на поверхности кристаллов 3 LiNbO , и содержащих ПДС с периодом 4-7 мкм, была получена генерация голубого света (510-480 нм) от перестраиваемых лазерных диодов (770-1040 нм). При мощности лазерных диодов 120-150 мВт, мощность излучения второй гармоники составляла 25-30 мВт. 2. За счет использования различных видов нелинейных взаимодействий, особенно для квазиПДС, оказалось возможным осуществить многоволновое преобразование во вторую гармонику, и получать вторую гармонику в обратном направлении к входящему пучку (см. рис. 33.3.в). С использованием квазиПДС в танталате лития была получена генерация второй гармоники от перестраиваемого параметрического лазерного генератора в голубом, зеленом, красном и инфракрасном диапазонах с эффективностью преобразования энергии 5% . См. рис. 3.35. Рис. 3.35. Экспериментальный спектр второй гармоники, преобразованной на квазиПДС в танталате лития. [7]. Длина волны второй гармоники равна половине длине волны основной гармоники. Слева направо (в мкм): 0,48 – голубая, 0,54 - зеленая, 0,64, 0,68 – красные, 0,785 – инфракрасная. 173 3. Использование ПДС позволяет повысить быстродействие вследствие сокращения длины взаимодействующих волн. Это позволяет преобразовать во вторую гармонику импульсы длительностью в несколько фемтосекунд ( 15 10 сек ). Параметрическое преобразование Оптические параметрические генераторы, предложенные в 1962 г. С.А. Ахматовым и Р.В. Хохловым применяются в качестве источника когерентного излучения в новых частотных диапазонах. Считая, что все волновые вектора коллинеарны, условие волнового синхронизма для ПДС при параметрическом взаимодействии первого порядка следующее[7] 1 2 0 p m k k k k k при 1 2 p , где p k , p - волновой вектор и частота поля накачки, 1 2 1 2 , , , k k - волновые вектора и частоты параметрически генеририруемых колебаний. Путем изменения периода ПДС можно изменять длины волн параметрически генерируемых колебаний см. рис. 3.36. Рис. 3.36. Соотношение длин волн параметрически генерируемых сигналов и периода ПДС: е –обыкновенный луч, о-необыкновенный луч. По вертикали отложен период ПДС (мкм). По горизонтали (вверху) - длина волны сигнала (мкм). По горизонтали (внизу) – длина волны накачки (мкм). [7] Пример. С использованием ПДС с размерами доменов 2-4 мкм создан параметрический генератор с накачкой волной второй гармоники от лазера на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом ( 0,53 мкм ). |