Синхронизм

Возможность наблюдения многофотонных процессов, в частности – удвоения частоты, основана на нелинейном взаимодействии интенсивного монохроматического излучения с оптическими диэлектриками без центра инверсии, индуцированная поляризация которых имеет нелинейную зависимость от вызывающего ее электрического поля.

Условие синхронизма

Таким образом, эффективность процесса генерации второй гармоники будет зависеть от фазовых соотношений между основной волной и излучением суммарной частоты, т.е. второй гармоникой. Возникает своеобразная интерференция, способная либо усилить, либо ослабить этот процесс. Для обеспечения эффективного процесса генерации излучения с суммарной частотой, т.е. для максимальной перекачки энергии от основной волны ко второй гармонике, необходимо создать такие условия, при которых фазовые скорости распространения волны поляризации и излучения c суммарной частотой были бы равны, т.е. волна второй гармоники оставалась бы в фазе с создающей ее волной поляризации. Отсюда вытекает условие эффективной генерации второй гармоники при коллинеарном взаимодействии - так называемое условие фазового синхронизма

,

т.к. , то , или , или .

В обычных средах в оптическом диапазоне всегда существует дисперсия, в силу чего (обычно показатель преломления в средах с нормальной дисперсией возрастает с увеличением частоты). Поэтому для волн одного и того же типа (обыкновенных или необыкновенных), но с разными частотами, удовлетворить условию фазового синхронизма невозможно. Равенство фазовых скоростей для различных частот создают искусственно, используя свойства волн различной поляризации при их распространении в анизотропной среде. Коэффициент преломления для обыкновенного луча не зависит от направления распространения излучения и для частот и может быть представлен собой окружностями разных радиусов (см. рис.3).

Коэффициент преломления для необыкновенного луча зависит от направления распространения и соответствующие сечения представляют собой эллипсы с разными величинами главных полуосей (для обыкновенного луча - окружности). Из рис.3 видно, что в анизотропной среде можно найти направление (например, расположенное под углом к его оптической оси), вдоль которого показатели преломления для обыкновенной волны с частотой и для необыкновенной волны с частотой совпадают

; ,

т.е. выполняется условие фазового синхронизма. Тогда

,

откуда

. (12)

Рис.3. Нормальные поверхности показателей преломления

Этот метод, основанный на применении анизотропных кристал­лов, обладающих естественным двулучепреломлением, превышающим дисперсию, и является наиболее распространенным методом обеспечения условия фазового синхронизма.

Как было показано выше, для отрицательных двулучепреломляющих кристаллов основная волна должна являться обыкновенным лучом ( -луч), а вторая гармоника - необыкновенным ( -луч). Синхронным является взаимодействие двух (обыкновенной и необыкновенной) основных волн с обыкновенной волной второй гармоники в положительном кристалле и с необыкновенной волной второй гармоники в отрицательном кристалле. Если на входе основные волны имеют одну линейную поляризацию, то синхронизм относится к I типу, разную - то ко II типу.

Фазовый синхронизм возможен и в двухосных кристаллах. Здесь различают также 4 случая взаимодействия (если рассматривать по­ляризацию двух основных волн на входе и волны второй гармоники на выходе):

1) ; 2) (I тип);

3) ; 4) (II тип).

Хотя волновые поверхности для обыкновенного и необыкновенного лучей имеют более сложную (чем у одноосных кристаллов) поверхность, направление синхронизма также образует конус вокруг (двух) оптических осей, но уже не обязательно кругового сечения.

Рис. 6. Температурная зависимость показателей преломления ниобата бария-натрия для длин волн 1064 и 532 нм

Подстройка на синхронизм осуществляется при помощи термостабилизации нелинейного кристалла

При первом приближении не зависит от начального (ненасыщенного) коэффициента усиления , т.е. не зависит от накачки - в отличии от обычных лазеров, у которых оптимальное пропускание выходного зеркала зависит от уровня накачки. Учитывая зависимость от , т.е. фазового рассогласования, которое в свою очередь зависит от направления распространения излучения и температуры, необходимо подчеркнуть, что, меняя ориентацию кристалла или температуру, можно изменять .

Следует иметь в виду также тот факт, что 100%-ное преобразование генерируемого в лазере излучения во вторую гармонику возможно лишь для линейно поляризованного первичного излучения; в случае неполяризованного излучения эффективность преобразования может достигать в лучшем случае 50%, а для однонаправленного преобразования неполяризованного излучения и то только в случае, если сам нелинейный кристалл не вносит существенных потерь и не приводит к значительному увеличению лазера, а также не искажает его волновой фронт. Жесткое требование высокого оптического качества нелинейного кристалла обуславливает требование чрезвычайно малых коэффициентов поглощения на частотах основного излучения и второй гармоники, т.к. даже малое поглощение может привести к заметному разогреву кристалла и в результате - к нарушению фазового синхронизма (и, что особенно страшно, к образованию в нелинейном кристалле тепловой линзы).

Экспериментальная установка и порядок проведения работы. В данной лабораторной установке исследуются характеристики малогабаритного твердотельного лазера ЛТИ-407, работающего в импульсном режиме с частотой повторения импульсов 25 или 100 Гц. В нем активной средой служит алюмоиттриевый гранат (Y₃Al₅O₁₂), легированный неодимом (YAG:Nd ³⁺); накачка осуществляется светоизлучающими полупроводниковыми диодами, длина волны излучения которых согласована с одной из интенсивных полос поглощения Nd ³⁺ в области 0,81 мкм.

В качестве преобразователя частоты генерируемого излучения (с длиной волны λ = 1064 нм ) в зеленую область спектра (длина волны λ= 532 нм ) используется нелинейный кристалл ниобата бария-натрия (Ba₂NaNb₅O₁₅) – двулучепреломляющий кристалл класса mm2 с орторомбической структурой; его в первом приближении можно считать одноосным отрицательным кристаллом, поскольку n_Z < n_Y ≈ n_X (при комнатной температуре n_Y -n_Z =0,1153; n_X -n_Y =0,0017). Этот кристалл прозрачен в диапазоне волн от 0,37 мкм до 5 мкм и не обладает (в отличии от ниобата лития LiNbO₃ ) оптически наведенной неоднородностью, что позволяет с его помощью получить весьма эффективную ГВГ излучения YAG -лазера.

С редняя мощность излучения лазера ЛТИ-407 при f _Н =100 Гц и токе накачки ~1,8A составляет не менее 1мВт, угол расходимости пучка 2θ_0,5 <3 мрад, диаметр пучка лазерного излучения 2ω_1/e ≤2 мм, размер перетяжки 2ω₀ ≅50мкм, Δν_ОДН =1,35*10¹¹ Гц, δ_Д ≈2*10^-2. Лазер имеет зеркала(поз. 5,7 на рис. 4), высокоотражающие на длине волны 1,06мкм и пропускающие излучение на длине волны λ₁ =0,53 мкм. Телескопическое устройство 11 вмонтировано в оправу выходного зеркала и служит для формирования излучаемого пучка. Два штуцера 1 , расположенные на основании излучателя (поз. 13 на рис. 4, поз. 10 на рис. 5) служат для подключения шлангов с охлаждающей̆ жидкостью (водой с температурой не более 30^oC ), что обеспечивает принудительное водяное охлаждение с расходом (0,7 ± 0,3) л мин .

А

1 - корпус

2 - активная среда

3 - линейки светодиодов

4 - зеркало со светофильтром

5 - зеркало

6 - блок с нелинейным элементом

7 - регулировочный винт

8 - телескопическая система

9 - крышка

10 – разъем для подвода воды

ктивный элемент (поз. 3 на рис. 5) выполнен в виде параллелепипеда размером 1,1x 2 x 45 мм с торцами, срезанными под углом Брюстера. Источник накачки включает 4 линейки (каждая из которых содержит по 8 светоизлучающих ИЛ диодов), приклеенные с помощью оптического клея на широкую боковую площадку активного элемента. Противоположная светоизлучающим диодам сторона активного элемента, на которую нанесено медное отражающее покрытие, приклеена с помощью теплопроводящего клея к пластине-теплопроводу 4. Пластина 4 охлаждается термоэлектрическим микрохолодильником ТЭМО-6, который, в свою очередь, находится на водяном радиаторе 2. Термостат, состоящий из нелинейного преобразователя частоты 8, юстировочного устройства 9 и регулятора 7, устанавливается на основание 10 и может юстироваться относительно активного элемента для совмещения оси нелинейного кристалла с осью лазерного пучка.

Рис. 3.

В конструкции лазера использованы излучающие диоды ИК-диапазона, гетероэпитаксиальные, бескорпусные. Изготавливаются на основе твердых растворов арсенид галлия – арсенид алюминия. Диоды выпускаются на радиаторах ( кристаллодержателях) с гибридными выводами. При монтаже крепятся винтами к теплопроводящему основанию аппаратуры. Масса не более 6 г.

АЛС134А-2, 3ЛС134А-2

1. Включить охлаждение и питание лазера; при этом установить U_пит =0;

2. После выхода системы термостабилизации на режим ( когда красный светодиод на корпусе лазера почти погас) установить напряжение питания светодиодных линеек U_max=15B.

3. Посмотреть на осциллографе этап начала развития генерации;

4. Меняя частоту накачки увидеть изменение в осциллограмме;

5. Снять полученные данные с осциллографа;

6. Выключить лазер и охлаждающую воду.

Контрольные вопросы:

1. Какие условия необходимо выполнить для эффективного преобразования основного излучения во вторую гармонику ?

2. Перечислить и охарактеризовать виды диодной накачки ТТЛ;

3. Назвать и пояснить назначение основных элементов конструкции лазера.

Для "отличников":

1. Каковы пути увеличения мощности излучения на второй гармонике ?

2. Перечислить основные особенности твердотельных лазеров.

3. Где должен быть установлен нелинейного кристалл для оптимального преобразования излучения во вторую гармонику?