Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
/день; 500 руб./час Аренда маленькой беседки 500 руб./день; 500 руб./час Дополнительная мебель 500 руб....полностью>>
'Документ'
В соответствии с Комплексным планом работы Министерства здравоохранения Республики Татарстан на 2013 год и в целях совершенствования оказания специали...полностью>>
'Документ'
Предлагаем принять участие в издании сборника научных статей в III Выпуске Ученых записок Тамбовского регионального отделения Российского союза молоды...полностью>>
'Документ'
Проект, разработанный МНЛ Петровского района на основе Методических рекомендаций органам государственной власти субъектов РФ и органам местного самоуп...полностью>>

Главная > Документ

Сохрани ссылку в одной из сетей:
Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

Генерация оптических гармоник в нелинейных кристаллах

Целью данной лабораторной работы является ознакомление с физическими основами процессов генерации гармоник и суммарных частот лазерного излучения в нелинейных оптических кристаллах.

Оборудование.

  1. Импульсный твердотельный лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом.

  2. Вспомогательный газовый гелий-неоновый лазер.

  3. Измеритель энергии лазерного излучения ИМО-2.

  4. Нелинейные кристаллы – генераторы оптических гармоник.

  5. Оптическая скамья, юстировочные столики, держатели оптических фильтров и т.д.

Введение.

Создание в начале 60-х годов ХХ века мощных источников когерентного оптического излучения (лазеров или оптических квантовых генераторов (ОКГ)) инициировало развитие совершенно новых направлений исследований, открыло новые физические эффекты и, как следствие, огромное количество научных и технических возможностей. Среди них особое место занимает целая область современной физики – нелинейная оптика.

В «долазерный» период своего развития оптика имела дело с такими явлениями, как поглощение света веществом, отражение его от границ раздела сред, рассеяние излучения на различных неоднородностях, интерференционные и дифракционные эффекты и т.д. Главными факторами, определяющими характеристики этих процессов, являлись частота и поляризация световой волны. Такой ее параметр как амплитуда в подавляющем большинстве оптических эффектов не влиял на характер явления. Количественные, а тем более качественные результаты экспериментов, проводимых с нелазерными источниками света, не зависели от интенсивности излучения, какие бы максимально мощные излучатели не использовались.

Здесь и далее под интенсивностью, или плотностью потока, будем понимать величину

I = P / S 1)

где Р – мощность излучения, а S – площадь поперечного сечения луча.

Лазеры способны обеспечить интенсивности света до 108 – 1011Вт/см2, что в 109 – 1010 раз выше интенсивностей, достигаемых обычными источниками. Эксперименты с такими плотностями потока световых волн привели к открытию новых черт в уже известных оптических явлениях, например в рассеянии света на внутримолекулярных колебаниях (комбинационное рассеяние) и в рассеянии света на акустических волнах (рассеяние Мандельштама-Бриллюэна). Однако самое главное, эти эксперименты обнаружили целый ряд совершенно новых оптических явлений не известных ранее в «долазерной» оптике. Среди них генерация суммарных и разностных частот в оптическом диапазоне (синонимы: параметрическое преобразование частоты вверх или вниз, ап- или даун-конверсия), самофокусировка и самодифракция света, просветление или затемнение оптической среды и др.

Оптические эффекты, характер которых зависит от интенсивности излучения, называются нелинейными, а область оптики, изучающую такие явления, оптику мощных световых потоков, называют нелинейной оптикой. Оптику же слабых световых потоков, для эффектов которой уровень интенсивностей действующих излучений несущественен, называют линейной оптикой.

Физические основы явления

  1. Нелинейная поляризация.

Эффект генерации суммарных частот заключается в том, что при поступлении в среду излучений на частотах 1 и 2 на выходе возникает электромагнитная волна с частотой 3.

1 + 2 = 3 2)

Если 1 = 2 = , т.е. в среду поступает волны одной частоты, то излучение на суммарной частоте является их второй гармоникой

 +  = 2 3)

Рассмотрим причину появления этого эффекта. Взаимодействие световой волны с веществом на классическом языке описывается вектором поляризации Р. Эта поляризация, вообще говоря, является некоторой функцией Р = f(Е) напряженности электрического поля Е световой волны. В приближении соответствующем области линейной оптики поляризация связана с напряженностью поля Е линейно

Р = Е 4)

Такое приближение достаточно хорошо работает для не очень высоких значений Е, т.е. для интенсивностей обеспечиваемых обычными, не лазерными источниками света даже самыми мощными. При воздействии на среду лазерного излучения с достаточно высокой плотностью потока соотношение 4) может уже не выполняться. Если отличие связи поляризации Р и поля Е от линейной не слишком велико (а именно так обстоит дело даже в сильных лазерных полях), то функцию Р = f(Е) можно представить в виде ряда

Р = Е + ЕЕ + ЕЕЕ + … 5)

Первый член его является линейной, а остальные - нелинейной составляющей поляризации. Отношение каждого последующего члена ряда к предыдущему  1/Еампл , т.е. последующие члены ряда быстро уменьшаются. Переход от линейной связи Р = Е к нелинейной заставляет пересмотреть все основные аспекты взаимодействия светового излучения с веществом. Величины  и  называют нелинейной поляризуемостью среды.

Следует отметить, что запись разложения 5) в достаточной степени условна, т.к. величины ,  и , вообще говоря, являются тензорами соответственно 2-го, 3-го и т.д. рангов.

Появление второй гармоники связано с квадратичным членом ЕЕ в разложении 5) поляризации Р по степеням электрического поля световой волны. Если в среду входит гармоническая световая волна вида Е = Аcos(t – kz), то в силу 5) переизлученное поле в среде будет содержать не только частоту , но и ее гармоники на частотах 2, 3 и т.д.. Действительно, второй член ряда 5) можно представить в виде

Е2 = 0,5А2 + 0,5А2cos2(t – kz) 6)

Второй член в выражении 6) описывает переизлученное электроном поле на частоте 2 второй гармоники падающей волны. Величину  (тензор третьего ранга) называют квадратичной нелинейной поляризуемостью вещества. Необходимым условием генерации второй гармоники (ГВГ) является отличие от нуля. Это осуществляется в анизотропных средах, не имеющих центра симметрии. Действительно, если вещество изотропно, или имеет центр симметрии, то при изменении направления приложенного электрического поля Е поляризация Р должна менять знак. Чтобы удовлетворить этому требованию, члены, содержащие четные степени в разложении 5), должны отсутствовать, т.е. величина  должна быть равной нулю.

Кроме того, конечно, в среде должно отсутствовать поглощение для всех взаимодействующих волн.

  1. Условие фазового синхронизма.

Генерация излучения на суммарной (или разностной) частоте происходит наиболее эффективно, если волна с частотой 3, приходящая к данному элементу объема от предшествующих элементов, находится в нужной фазе с излучением на этой же частоте, которое порождается в этом элементе объема. Интенсивность генерации в таком случае возрастает на несколько порядков, поскольку ее накопление происходит по всей длине нелинейной среды. Такое благоприятное соотношение фаз реализуется, если для волновых векторов выполняется равенство

k1 + k2 = k3 7)

Выражение 7) называют условием фазового (волнового, пространственного) синхронизма. В отличие от линейной оптики, это условие является характерным и важнейшим для всех нелинейных оптических явлений.

3. Генерация второй оптической гармоники (ГВГ).

Как уже упоминалось, ГВГ есть частный случай для взаимодействия вида 2) когда

1 = 2 = . Условие коллинеарного фазового синхронизма, когда волновые вектора лежат на одной прямой, можно записать так

k + k = k2 8)

где k,2 – есть модули векторов k,2. Величина k называется волновым числом. Если волна распространяется в среде с показателем преломления n, то k = 2n / . Учитывая это из уравнения 8) получим n + n = 2n2, т.е. для выполнения условия синхронизма при ГВГ необходимо чтобы в нелинейной среде

n = n2 9)

В оптических средах с нормальной дисперсией показателя преломления выполнение этого равенства невозможно, т.к. функция n(ω) растет с увеличением частоты. Однако в некоторых оптически анизотропных (двулучепреломляющих) кристаллах можно выбрать такое направление распространения, для которого показатель преломления обыкновенного луча основной частоты равен показателю преломления необыкновенного луча второй гармоники. На Рис.1 схематически показано сечение поверхностей показателей преломления (индикатриса показателя преломления) для отрицательного одноосного кристалла, т.е. для которого на данной фиксированной частоте nе < nо (практически наиболее важный случай). Текущие значения необыкновенных показателей преломления (при произвольном угле  между волновым вектором и оптической осью кристалла) обозначаются индексом «е» вверху – nе. Как видно из Рис.1,

nie = nie | = 90 nio = nie | = 0 i = 1, 2

Существует целый ряд кристаллов, не обладающих центром симметрии, для которых выполняется равенство n1o = n2e()2 при распространении волн с частотами соответственно  и 2 под некоторым углом с к оптической оси кристалла, как показано на Рис.1. Следовательно, по этому направлению выполняется условие синхронизма 9) для процесса ГВГ. Угол между оптической осью нелинейного кристалла и волновыми векторами взаимодействующих волн называют углом фазового (волнового, пространственного) синхронизма.

Рис. 1. Индикатриса показателя преломления отрицательного одноосного кристалла. С – оптическая ось. Сплошные кольца – сечения поверхностей показателей преломления обыкновенной волны, n1o – его значение для основной частоты, n – для второй гармоники. Пунктирные эллипсы – сечения поверхностей показателей преломления необыкновенной волны, n – его минимальное значение для основной частоты, n2e – для второй гармоники. с – угол синхронизма.

Таким образом, направив излучение основной частоты в нелинейном кристалле как обыкновенную волну под углом с, в среде будет происходить эффективная генерация ее второй гармоники как необыкновенной волны вдоль этого же направления. Такое взаимодействие называется взаимодействием типа оое (или I типа), т.к. в этом случае две линейно поляризованные волны основного излучения (обыкновенные в данном кристалле) взаимодействуют с необыкновенной волной второй гармоники, которая, конечно, имеет ортогональную им линейную поляризацию.

Для многих нелинейных оптических кристаллов оказывается возможной синхронная ГВГ при взаимодействии обыкновенной и необыкновенной волн основного излучения с необыкновенной волной второй гармоники, т.е. взаимодействие оее (или II типа).

Несколько упрощая реальную ситуацию, можно сказать, что направление синхронизма в кристалле характеризуется некоторой, достаточно малой, угловой шириной. Ее можно представить как с , где  - угол расстройки, это означает, что по направлениям  > с +  и  < с -  синхронное взаимодействие отсутствует. Обычно угловая ширина синхронизма 2 составляет не более одной, двух минут. Кроме того, условие фазового синхронизма определяет некоторый максимальный частотный интервал () для взаимодействующих волн. Характерная полоса взаимодействующих частот, или требуемая монохроматичность исходных волн, обычно не превышает нескольких ангстрем.

Отсюда вытекают требования к лазерному излучению на основной частоте - расходимость должна быть меньше угловой ширины синхронизма, а его монохроматичность не больше частотной ширины. В противном случае в параметрическом процессе сложения частот будет участвовать не вся мощность лазерного излучения.

Интенсивность излучения второй гармоники при точной настройке на синхронизм пропорциональна квадрату интенсивности основной частоты и квадрату длины нелинейного кристалла

I2 = a(I)2 l2 10)

Коэффициент a = a( , i, ni) характеризует «качество» нелинейного оптического кристалла. Он зависит от нелинейной поляризуемости среды  (см. разложение 5)), от частот взаимодействующих волн I и от показателей преломления среды ni на этих частотах.

Практическим результатом исследований генерации суммарных частот явилось создание высокоэффективных (с КПД более 50%) удвоителей частоты лазерного излучения и каскадных умножителей для генерации третьей, четвертой, пятой и более высоких гармоник. Эти устройства находят широкое применение в самых разных областях науки и техники.

4. Генерация суммарных частот (ГСЧ).

Для общего случая генерации суммарных частот выполнение условия фазового синхронизма в определенных направлениях распространения их в анизотропных кристаллах можно проиллюстрировать при помощи поверхностей волновых векторов в отрицательном одноосном кристалле. Конфигурация поверхностей волновых векторов аналогичны конфигурации поверхностей показателей преломления в этом кристалле. На Рис.2 показаны сечения поверхностей волновых векторов плоскостью XZ, когда ось Z параллельна оптической оси С. Пусть в процессе 1 + 2 = 3 волны с частотами 1 и 2 имеют линейную поляризацию и распространяются в кристалле как обыкновенные волны, т.е. вектора напряженности электрического поля волн Е1,2 ортогональны плоскости, определяемой направлением луча (т. е. волновым вектором) и осью С. При выполнения условия синхронизма в отрицательном кристалле волна 3 обязательно будет необыкновенной, т. е. линейно поляризованной, с вектором Е3 лежащим в плоскости проведенной через ось C и векторы k1 и k2. Т.е. взаимодействие оое (I тип).

Рис. 2. Взаимное расположение поверхностей волновых векторов на частотах ω1,2,3, взаимодействие оое. C – оптическая ось кристалла. а) – Синхронизм отсутствует при любом k2, б) – случай касательного синхронизма, в) – случай критичного векторного синхронизма, г) – случай одномерного критичного синхронизма

Построим, прежде всего, поверхность волнового вектора k1 (сфера) и зафиксируем какое-либо его направление. Взяв конец этого вектора за начало координат новой системы с осями параллельными исходной, построим поверхность для вектора k2 (также сфера). Наконец, построим в исходной системе поверхность вектора k3 (эллипсоид вращения).

В зависимости от угла 1 возможны различные ситуации. Пока он достаточно мал (случай Рис.2а), k3 > | k1 + k2 | при любом направлении k2 ввиду нормальной дисперсии в области прозрачности (n > n1,2о). Однако, вследствие искривления поверхности k3 при достаточно большом 1 может наступить касание поверхностей k2 и k3 (случай Рис.2б), если, конечно, степень анизотропии достаточно велика. Для точки касания треугольник векторов k1,2,3 замыкается, и условие 7) выполняется. Этот случай называется некритичным или касательным синхронизмом. При дальнейшем увеличении 1 касание сменяется пересечением в двух точках А и В (Рис.2в). При такой геометрии волновых векторов говорят о критичном векторном синхронизме. Вблизи направления касательного синхронизма существует коллинеарный (одномерный) критичный синхронизм, показанный на Рис.2г. В этом случае угол между оптической осью нелинейного кристалла и волновыми векторами взаимодействующих волн так же называют углом фазового (волнового, пространственного) синхронизма.

В отрицательных кристаллах возможно выполнение условий волнового синхронизма и для взаимодействий типа оeе и еое (II тип). При этом, конечно, поверхностями волновых векторов соответствующих необыкновенных лучей в диаграммах на Рис.2 будут уже не сферы, а эллипсоиды вращения.

Параметрическое преобразование частот вверх 1 + 2 = 3 применяется для детектирования инфракрасного ИК-излучения. Например, в нелинейном оптическом кристалле ИК-сигнал с частотой 2 можно смешать со вспомогательным излучением видимого диапазона 1, которое обычно называют накачкой, при этом волна на суммарной частоте 3 также принадлежит видимой области спектра. Она может быть отфильтрована от накачки и сигнала и зарегистрирована обычными приемниками и анализаторами излучения видимого диапазона, которые имеют значительные преимущества перед их аналогами в ИК-области. При наложении некоторых, не очень жестких, ограничений на качество излучения накачки (расходимость, монохроматичность), излучение на суммарной частоте сохраняет информацию, заложенную в пространственно-угловой, спектральной и временной структуре сигнала. Таким образом, на основе этого эффекта возможно создание нелинейных оптических регистраторов ИК изображений, ИК-спектрометров и ИК фотохронографов с предельно возможными разрешениями лучших приборов видимой области спектра.

Легко заметить, что для взаимодействующих квантов уравнения 2) и 7) означают

выполнение законов сохранения энергии Е =  и импульса р = k.

Нелинейные оптические материалы и экспериментальная установка.

  1. Кристаллы.

В задаче применяются два вида нелинейных оптических кристаллов. Первым является дигидрофосфат калия КН2РО4 (техническое название – КДП) – это одноосный, отрицательный пьезокристалл. Класс симметрии42m. Диапазон прозрачности 0,2-1,5мкм.

КДП и АДП (NH4H2PO4) – первые кристаллы, в которых была получена синхронная ГВГ. Отработаны методики выращивания их из водных растворов, что позволяет получить монокристаллы высокого оптического качества объемом до нескольких кубических дециметров. КДП обладает высокой лучевой прочностью (т. е. не подвергается разрушению при воздействии экстремально высоких интенсивностей светового излучения), очень низким уровнем поглощения в области прозрачности и слабой температурной зависимостью n(T) показателя преломления. Благодаря этим свойствам КДП применяется в качестве умножителя частоты излучения греющего мишень (т.н. драйвера энергии) в крупных импульсных лазерных установках, на которых приводятся эксперименты по управляемому термоядерному синтезу с инерциальным удержанием плазмы. Переход в коротковолновую часть спектра существенно улучшают условия нагрева термоядерной мишени. Эффективность преобразования во вторую гармонику для уровня интенсивностей излучения таких устройств достигает 60%.

К недостаткам КДП следует отнести его гигроскопичность, что требует принятия при работе с ним соответствующих мер.

Вторым применяющимся в работе кристаллом является ниобат лития – LiNbO3, также одноосный, отрицательный пьезокристалл. Класс симметрии 3m. Диапазон прозрачности 0,4–5мкм. Показатели преломления этого кристалла существенно зависят еще и от температуры n(T) образца.

Этот кристалл выращивают методом вытягивания из расплава, он стоек к влаге, но его линейные размеры с необходимым оптическим качеством существенно меньше, чем у КДП. Лучевая прочность не уступает последнему.

Коэффициент «качества» a( , i ,ni ) ниобата (см. 10)) выше, чем у КДП, но довольно высокая температурная зависимость показателя преломления n(T) и несколько более высокий уровень поглощения в области прозрачности приводят к нарушению условия фазового синхронизма из-за быстрого разогрева кристалла при действии на него излучения с предельно высокой интенсивностью, например такого как излучение лазерных термоядерных установок. Вместе с тем, благодаря этой температурной зависимости, ниобат лития позволяет реализовать выгодный 90 касательный синхронизм ГВГ для излучения с длиной волны около 1мкм при термостатировании его при температурах 70-90С.

ВНИМАНИЕ. Все нелинейные кристаллы помещены в специальные контейнеры из органического стекла, на которых указано направление оптической оси. При работе с нелинейными кристаллами категорически запрещается касаться чем-либо их поверхностей.

2. Экспериментальная установка.

Оптическая схема установки приведена на рис.3.

Рис.3. Общая оптическая схема установки. 1 – юстировочный гелий-неоновый лазер, 2 – лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, 3 – нелинейный кристалл для генерации второй гармоники, 4 – нелинейный кристалл для генерации третьей или четвертой гармоник, 5 – светофильтр, 6 – приемная головка измерителя энергии излучения.

Установка смонтирована на оптической скамье. 1) – излучатель вспомогательного гелий-неонового лазера, луч которого служит для юстировки системы, т.е. размещения всех оптических элементов системы строго вдоль оптической оси. 2) – генератор основного излучения. Им является импульсный твердотельный лазер на синтетическом кристалле иттрий-алюминиевого граната легированного неодимом (YAG:Nd3+). Источником лазерного излучения являются ионы неодима. Длина волны 1,064мкм (1064нм) – это ближний инфракрасный диапазон спектра, длительность импульса генерации 15нс – это т.н. режим гигантских импульсов, который реализует максимально возможную мощность лазера, а, следовательно, и интенсивность (см. формулу 1)) взаимодействующих лучей. Излучение имеет линейную поляризацию в горизонтальной плоскости. Гранатовый лазер может работать как в моноимпульсном режиме, так и с частотой повторения импульсов до 50Гц. Это существенно облегчает настройку на синхронизм нелинейных кристаллов. 3) и 4) – нелинейные кристаллы для генерации гармоник на поворотных (юстировочных) столиках, 5) – светофильтр для отсечки ненужного излучения при измерениях энергии или наблюдениях третьей и четвертой гармоник. 6) – приемная головка измерителя энергии лазерного излучения ИМО-2.

ВНИМАНИЕ. Прямое и зеркально отраженное излучение гранатового лазера и его гармоник представляет опасность для зрения! Включать этот прибор разрешается только в присутствии и по указанию преподавателя!

Экспериментальная часть.

Упражнение 1. Лазер на иттрий-алюминиевом гранате, измерение его энергии и к.п.д.

По указанию преподавателя включить лазер и проверить совпадение направления распространения лучей гелий-неонового и гранатового лазеров.

Рис. 4. Оптическая схема для измерения энергии лазерного импульса. 1 – юстировочный гелий-неоновый лазер, 2 – лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, 3 – светофильтр ИКС-1, 4 – приемная головка измерителя энергии излучения.

Установить приемную головку прибора ИМО-2 по лучу юстировочного лазера на расстоянии не менее 1,5м от гранатового излучателя (см. Рис. 4), и, установив перед головкой фильтр ИКС-1 для отсечки излучения лампы накачки и флуоресценции граната, измерить энергию одиночных лазерных импульсов при различных напряжениях на накопительных конденсаторах блока питания лазера. Измеряемый импульс нагревает чувствительный элемент, расположенный в головке ИМО-2, и прибор фиксирует поглощенную энергию.

Накопительные конденсаторы разряжаются через импульсную лампу-вспышку, которая освещает кристалл граната, обеспечивая его накачку и, следовательно, лазерную генерацию. Начинать измерения необходимо с напряжения 950В, уменьшая его с шагом 50В. Для каждого уровня накачки лазера снять 5 измерений. Определить пороговое напряжение, при котором генерация лазера срывается (возникает).

Учитывая, что запасенная энергия конденсатора W=CU2/2 и что в сам кристалл граната энергии вкладывается примерно в три раза меньше электрической, определить пороговую энергию накачки данного лазера и его кпд. Емкость накопительных конденсаторов С = 75мкФ.

Упражнение 2. Генерация второй гармоники и измерение энергии излучений.

Выставить уровень накачки гранатового лазера 950В. Снять светофильтр ИКС-1. Установить в 20-30см от лазера рейтер с юстировочным столиком. Установить перед головкой ИМО-2 экран из белой бумаги.

В качестве удвоителя частоты используется кристалл КДП. Он вырезан вдоль направления синхронизма для взаимодействия оое и помещен в контейнер из органического стекла. На контейнере риской обозначено примерное положение оптической оси. Контейнер необходимо закрепить на юстировочном столике вдоль луча гелий-неонового лазера, так чтобы горизонтально поляризованный луч основного излучения проходил сквозь кристалл как обыкновенный, т.е. вектор напряженности электрического поля световой волны Е должен быть ортогонален плоскости, положение которой определяется направлением луча и оптической осью кристалла.

Рис. 5. Оптическая схема для генерации второй гармоники. 1 – юстировочный гелий-неоновый лазер, 2 – лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, 3 – нелинейный кристалл КДП или ниобата лития для генерации второй гармоники, 4 – светофильтр СЗС-22 или ИКС-1, 5 – приемная головка измерителя энергии излучения.

Поворачивая юстировочным винтом контейнер с кристаллом на небольшие углы в плоскости перпендикулярной поляризации основного излучения, наблюдать визуально на экране зеленое пятно от излучения второй гармоники (длина волны – 0,532мкм). Максимальная яркость его соответствует настройке на фазовый синхронизм. Поляризация второй гармоники будет ортогональна поляризации исходного луча, т.е. вектор Е световой волны ориентирован вертикально.

Установив после удвоителя фильтр СЗС-22, для отсечки основного излучения, и убрав экран, измерить энергию второй гармоники следующим образом. Чувствительность прибора ИМО-2 недостаточна для регистрации одиночного импульса второй гармоники, поэтому, необходимо быстро нажимая на кнопку запуска лазера отсчитать 50 импульсов. Общая поглощенная энергия разогревает чувствительный элемент прибора до регистрируемой величины. Снимаются его показания и делятся на 50 для определения энергии одного импульса. Процесс повторяют 2-3 раза.

Заменив фильтр СЗС-22 на ИКС-1 измерить энергию остаточного, т. е. не преобразованного основного излучения.

Такие же операции проделать с кристаллом ниобата лития (взаимодействие оое).

Зная энергию основного излучения из упражнения 1, найти в процентах энергетическую эффективность параметрического преобразования кристаллов.

Учитывая, что длина кристалла КДП 40мм, а ниобата лития 15мм, найти отношение их коэффициентов «качества» аниоб : акдп (см. выражение 10)). Напомним I = P / S = E / τS (см. выражение 1)). С некоторым допущением можно принять, что длительности импульсов и поперечные сечения пучков второй гармоники и основной частоты одинаковы.

Упражнение 3. Генерация третьей гармоники.

Третью гармонику излучения гранатового лазера с неодимом можно получить при сложении в нелинейном оптическом кристалле остаточного после ГВГ основного излучения с собственной второй гармоникой, т.е. реализовать генерацию суммарных частот (параметрическое преобразование частот вверх) вида

  • + 2 = 3

Здесь удобно применить коллинеарный синхронизм по схеме, представленной на Рис.2г. Однако отличием будет то, что лучи с частотами  и 2 выходящие из нелинейного удвоителя ортогонально поляризованы, поэтому в кристалле – генераторе третьей гармоники выгодно использовать взаимодействие типа оее либо еое в зависимости от того обыкновенной или необыкновенной волной является в этом кристалле излучение основной частоты.

В упражнении используется кристалл КДП, т.к. третья гармоника граната с неодимом (длина волны 0,355мкм) лежит уже в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, а ниобат лития в этой области спектра непрозрачен.

Для получения генерации с частотой 3 в 20-30см после удвоителя с ниобатом лития надо установить второй рейтер с юстировочным столиком (см. Рис. 6). После него поставить светофильтр УФС-1 для устранения исходных излучений. Убрать головку ИМО-2 и вместо ее поместить экран из отбеленной бумаги, она хорошо флуоресцирует в синей области спектра под действием УФ излучения, и будет служить индикатором появления третьей гармоники.

Рис. 6. Оптическая схема для генерации третьей и четвертой гармоник. 1 – юстировочный гелий-неоновый лазер, 2 – лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, 3 – нелинейный кристалл ниобата лития для генерации второй гармоники, 4 – нелинейный кристалл КДП для генерации третьей или четвертой гармоник. 5 – светофильтр УФС-1, 6 – экран из белой бумаги.

Кристалл КДП вырезан вдоль направления синхронизма для взаимодействия еое, угол с = 58. Положение оптической оси обозначено на контейнере кристалла. Его необходимо закрепить на столике вдоль луча юстировочного лазера таким образом, чтобы луч основной частоты с горизонтальной поляризацией проходил в кристалле как необыкновенный, при этом луч второй гармоники в кристалле автоматически будет обыкновенным, т.к. его поляризация ортогональна поляризации основного излучения.

Настройку на синхронизм проводить поворотом кристалла в плоскости перпендикулярной направлению поляризации второй гармоники. Максимальная яркость флуоресценции бумажного экрана будет наблюдаться при точной настройке на синхронизм.

Упражнение 4. Генерация четвертой гармоники.

Для этой цели используют удвоение частоты уже полученной второй гармоники. Параметрическое преобразование происходит в кристалле КДП по типу оое совершенно аналогично упражнению 2. Угол синхронизма в этом случае с = 78. Оптическая схема представлена на Рис.6.

С юстировочного столика надо снять контейнер с кристаллом - генератором третьей гармоники и закрепить контейнер с кристаллом для четвертой, так чтобы волна второй гармоники, являющейся здесь основной, проходила в кристалле как обыкновенная. Настройка на синхронизм проводится как в упражнении 3. После кристалла необходимо установить светофильтр УФС-1, а излучение четвертой гармоники с длиной волны 0,266мкм наблюдать по флуоресценции того же экрана из отбеленной бумаги.

При сдаче работы должны быть представлены обработанные результаты измерений, расчеты, требуемые в упражнениях и дополнительные по указанию преподавателя.

Литература.

  1. Г.С.Ландсберг, «Оптика», Москва, «Наука».

  2. Д.В.Сивухин, «Общий курс физики», т.IV, Москва, «Наука».



Похожие документы:

  1. Генерация и усиление ультракоротких лазерных импульсов

    Учебно-методическое пособие
    ... 5.6. Волоконные лазеры на фотонных кристаллах 5.7. Солитонный лазер 5.8. Модель ... Природа нелинейно-оптических эффектов 7.1.2. Уравнения Максвелла в нелинейной среде 7.1.3. Нелинейная среда 7.1.4. Генерация второй гармоники 7.1.5. Генерация суммарных ...
  2. Учебно-методический комплекс курса «основы лазерной физики» Направление Инженер-разработчик гибридных твердотельных лазеров Модуль Переподготовка. Основы лазерной физики и волоконно-оптических систем связи умк

    Учебно-методический комплекс
    ... двулучепреломляющих кристаллов используются, как правило, нелинейные кристаллы типа KDP ... которой совпадает четвертая гармоника Nd:YAG-лазера. ... генерация оптического излучения. Нелинейные эффекты в ВОЛС. Управление временными параметрами оптического ...
  3. Учебно методический комплекс Для специальности 100101 Сервис Москва

    Учебно-методический комплекс
    ... . Формула Вульфа-Брэгга. Изучение структуры кристаллов. Оптические схемы микроскопа, телескопа, фотоаппарата, бинокля ... . Генерация второй гармоники. 51. Нелинейные эффекты кубичной поляризации. 52. Самофокусировка света и разрушение оптического волокна ...
  4. Учебное пособие Направление 2, модуль 2 Москва 2012 краткий конспект лекций «Нелинейное преобразование света в кристаллах» Введение

    Конспект лекций
    ... пластинки, электро-оптические и акусто-оптические кристаллы, нелинейные смесители оптических частот). Вводится ... 90-синхронизм, разрушения кристаллов при генерации гармоник в синхронизме). Требования к нелинейным кристаллам: принадлежность к ...
  5. Программа вступительного экзамена в магистратуру по направлению 510400 «Физика»

    Программа
    ... Нелинейные восприимчивости. Распространение волн в нелинейной среде. Метод медленно меняющихся амплитуд. Условие синхронизма. Генерация оптических гармоник ... поляритонах. Спектроскопия дефектных состояний в кристаллах. Автолокализация экситонов и дырок ...

Другие похожие документы..