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
).
174
Достарыңызбен бөлісу: |