Параметрический генератор ультракоротких импульсов оптического диапазона

Параметрический генератор ультракоротких импульсов оптического диапазона

Реферат

 

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА, содержащий резонатор с расположенным внутри него линейным кристаллом, и генератор импульсов накачки, отличающийся тем, что, с целью снижения пороговой плотности мощности накачки и увеличения степени когерентности генерируемого излучения при малом числе импульсов накачки, в него введены оптически связанные по лучу накачки, по крайней мере, два отражательных элемента, расположенных относительно нелинейного кристалла, так, что падающий на каждый из элементов и отраженный от него луч проходит через центр нелинейного кристалла по образующим конуса синхронизма, а расстояние от центра кристалла до каждого отражательного элемента равно расстоянию от центра кристалла до зеркала резонатора, расположенного по ту же сторону от нелинейного кристалла, что и данный отражательный элемент.

2. Параметрический генератор ультракоротких импульсов оптического диапазона по п.1, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, один из отражательных элементов представляет собой зеркало, а остальные - призмы полного внутреннего отражения, причем зеркало установлено перпендикулярно падающему на него лучу накачки после выхода этого луча из призмы. Изобретение относится к квантовой электронике, в частности, к параметрическим генераторам ультракоротких импульсов (УКИ) оптического излучения с плавной перестройкой частоты и представляет интерес в технике освоения видимого и инфракрасного диапазонов, а также может быть использовано в различных областях оптики и спектроскопии, фотобиологии и фотохимии. В настоящее время известны два типа перестраиваемых по частоте генераторов УКИ, в которых излучение накачки преобразуется в плавно изменяемое по частоте излучение параметрически связанных волн: генераторы на основе параметрической суперлюминесценции; и резонаторные генераторы, в которых используется обратная связь по одной или двум параметрическим связанным волнам. Недостатком суперлюминесцентных генераторов является то, что для их работы, при использовании известных кристаллов,требуется высокая пороговая плотность мощности излучения накачки (несколько сотен мегават на квадратный сантиметр). Снижение пороговой плотности мощности накачки в суперлюминесцентных генераторах достигается при использовании схемы, в которой нелинейный кристалл устанавливает внутри оптической линии задержки. Однако в таких генераторах практически невозможно получить высокую степень когерентности излучения. В значительной мере свободен от указанных недостатков резонаторный генератор, который наиболее близок по конструктивным признакам предлагаемому генератору. Этот резонаторный генератор содержит резонатор с расположенным внутри него нелинейным кристаллом, а также генератор накачки. В таком генераторе, по сравнению с суперлюминесцентным, за счет обратной связи при большом (больше 10) числе импульсов накачки существенно снижаются требования на величину пороговой плотности мощности накачки, а также повышается степень когерентности выходного излучения. Однако при накачке малым числом импульсов (порядка 10 и меньше) в этом генераторе, так же, как и в суперлюминесцентном, требуется высокая пороговая плотность мощности импульсов накачки. Кроме того, при накачке одиночным импульсом такая схема генератора вообще не является работоспособной, хотя такая накачка важна для ряда практических применений генератора. Целью предлагаемого изобретения является понижение пороговой плотности мощности накачки и увеличение степени когерентности генерируемого оптического излучения при малом числе импульсов накачки. Поставленная цель достигается тем, что в известный параметрический генератор ультракоротких импульсов оптического диапазона, содержащий резонатор с расположенным внутри него нелинейным кристаллом, и генератор импульсов накачки, дополнительно введены оптически связанные по лучу накачки, по крайней мере, два отражательных элемента, расположенных относительно нелинейного кристалла так, что падающий и отраженный лучи от каждого элемента проходят через центр нелинейного кристалла по направлениям, лежащим на конусе синхронизма, а расстояние от центра нелинейного кристалла до каждого отражающего элемента равно расстоянию от центра кристалла до зеркала резонатора, расположенного по ту же сторону нелинейного кристалла, что и данный отражательный элемент. Целесообразно в качестве одного отражательного элемента использовать зеркало, а в качестве остальных призмы полного внутреннего отражения. При этом зеркало должно быть установлено перпендикулярно падающему на него лучу накачки после отражения этого луча от последней призмы. На чертеже представлен один из возможных вариантов предлагаемого параметрического генератора ультракоротких импульсов оптического диапазона, при использовании трех отражательных элементов (N 3). Генератор содержит резонатор, образованный зеркалами 1 и 2. Зеркало 1 является отражающим для генерируемого излучения, а зеркало 2 (выходное) полупрозрачным. В резонаторе установлен нелинейный кристалл 3 (конуса синхронизма по накачке этого кристалла показаны на фиг.1 пунктиром). Вершина конусов синхронизма совпадает с центром 4 кристалла 3. Отражающие излучение накачки элементы 5 и 6 выполнены в виде призм полного внутреннего отражения и расположены на конусах синхронизма по разные стороны от кристалла 3. Каждая из вышеуказанных призм 5 и 6 выполнена так, что в плоскости, перпендикулярной ребру двугранного угла, образованного отражающими гранями, луч накачки при отражении от призмы меняет направление распространения на угол _кс где _кс угол раствора конуса синхронизма по накачке. Призмы 5 и 6 могут быть выполнены либо в виде 90 градусной призмы полного внутреннего отражения, совмещенной с биопризмой Френеля, либо, как показано на чертеже, в виде призмы, у которой угол, образованный отражающими гранями, отличен от 90^о на величину, однозначно связанную с углом . Призмы 5 и 6 ориентированы так, что падающий на каждую призму и отраженный от нее луч распространяется по образующим конуса синхронизма. Призма 5 удалена от кристалла 3 на такое расстояние, что оптический путь l₁ луча, исходящего из центра 4 кристалла 3 по образующей конуса синхронизма к призме 5 и возвращающегося после отражения в этой призме в центр 4, равен оптическому пути L₁ луча, падающего из центра 4 на зеркало 1 и возвращающегося после отражения в центр 4. Призма 6 удалена от кристалла 3 на такое расстояние, что оптический путь l₂ луча, распространяющегося между центром 4 и призмой 6, соответственно равен оптическому пути L₂луча, распространяющегося между центром 4 и зеркалом 2. В качестве третьего отражательного элемента использовано зеркало 7, оно установлено перпендикулярно лучу накачки, отраженному призмой 6, и удалено от кристалла 3 на такое расстояние, что оптический путь l₃падающего из центра 4 и отраженного зеркала 7 луча от центра 4 равен оптическому пути L₁. Накачка осуществляется генератором накачки 8, излучающим цуг из малого числа импульсов или один импульс, например неодимовым лазером, работающим в режиме резонансной модуляции потерь. Плавная перестройка частоты генератора в оптическом диапазоне выполняется за счет поворота кристалла 3 вокруг оси АА. Генератор работает следующим образом. Генератор накачки 8 излучает импульс. При первом прохождении этого импульса по одному из направлений синхронизма через нелинейный кристалл 3 в последнем возникает и усиливается излучение параметрической резонансной волны с частотой _р, определяемой условиями синхронизма. Степень когерентности этого излучения еще низка. Возникающий импульс резонансной волны проходит путь L₁ от кристалла 3 до зеркала 1 и вновь возвращается в кристалл 3. Импульс накачки за это время по образующей конуса синхронизма доходит до призмы 5 и направляется ею по другой образующей конуса в кристалл 3, т.е. проходит путь l₁. За счет равенства оптических путей L₁ и l₂ импульсы резонансной волны и накачки приходят в кристалл 3 одновременно, что обуславливает дальнейшее усиление импульса резонансной волны. При этом за счет преимущественного усиления спектральных компонент излучения вблизи центра линии усиления в нелинейном кристалле 3 происходит обужение углового и частотного спектров резонансной волны. Усиленный импульс резонансной волны поступает затем на зеркало 2 резонатора и отражается в кристалл 3, проходя при этом путь L₂, а импульс накачки по образующей конуса синхронизма доходит до призмы 6 и направляется ею по другой образующей конуса синхронизма также на кристалл 3 и проходит при этом путь l₂. За счет равенства оптических путей L₂ и l₂ импульсы вновь приходят в кристалл одновременно и в нем происходит дальнейшее усиление импульса резонансной волны и уменьшение ширины его частотного и углового спектров. При дальнейшем распространении импульс накачки отражается в зеркале 7 и снова попадает в кристалл 3, пройдя путь l₃. В кристалл одновременно с импульсом накачки за счет равенства оптических путей l₃ и L₁ приходит импульс резонансной волны, отраженный от зеркала 1, и происходит очередное усиление импульса резонансной волны и обужение его углового и частотного спектров, т.е. повышение степени когерентности резонансной волны. Отражаясь от зеркала 7, импульс накачки возвращается в кристалл 3 и затем проходит в обратном направлении через отражающие призмы 5 и 6, т.е. сначала проходит через призму 6, а потом через призму 5. В результате осуществляются еще дополнительно три взаимодействия импульса резонансной волны, прибегающего в резонаторе, образованном зеркалами 1 и 2, с импульсом накачки. На этом оканчивается взаимодействие одного импульса накачки с излучением резонансной волны. При накачке цугом из нескольких импульсов каждый импульс цуга будет взаимодействовать с импульсом резонансной волны аналогично, при этом должны быть согласованы оптические длины резонаторов параметрического генератора L и генератора накачки: они должны быть кратны друг другу. Таким образом введение в параметрический генератор трех отражательных элементов обеспечивает шестикратное прохождение импульса накачки через одну и ту же область нелинейного кристалла 3 одновременно с импульсом резонансной волны, что обуславливает усиление импульса резонансной волны и уменьшение ширины его частотного и углового спектра за счет конечной ширины линии и угла усиления нелинейного кристалла. Аналогично N отражательных элементов обеспечивают 2N кратное прохождение импульса накачки через одну и ту же область нелинейного кристалла и соответственно 2N кратное взаимодействие его с импульсом резонансной волны. Поскольку каждый импульс накачки проходит через кристалл 2N раз, то коэффициент усиления при взаимодействии с одним импульсом накачки равен G_i 2Ng, где g коэффициент усиления при однократном прохождении волн через кристалл g d, где - эффективный коэффициент нелинейности кристалла, S_o пиковое значение плотности мощности накачки, d длина кристалла. Поэтому выражение для пороговой плотности мощности этой волны имеет вид S_опор , где G_н 10-15, G_н коэффициент усиления от уровня шумов до начала нелинейного режима, n число проходов импульса резонансной волны по резонатору. Таким образом, введение в генератор N отражательных элементов снижает пороговую плотность мощности накачки примерно в N²раз. При этом степень когерентности генерируемого излучения с увеличением числа N растет, поскольку поперечный размер области взаимодействия резонансного излучения с излучением накачки в предлагаемом генераторе при d << L₁ + L₂ практически не увеличивается с ростом числа проходов импульса накачки через нелинейный кристалл, а ширина углового и частотного спектров пропорциональна Кроме того, в предлагаемом генераторе при прочих равных условиях увеличивается с ростом N коэффициент преобразования по числу фотонов, поскольку нелинейный режим генерации, при котором начинается существенное излучение генерируемой резонансной волны, наступает тем раньше, чем больше N. Следует отметить, что предлагаемая схема параметрического генератора УКИ позволяет легко реализовать дополнительную селекцию углового и частотного спектров излучения за счет многократного взаимодействия генерируемого излучения резонансной волны и интерферометром Фабри-Перо. Эта селекция легко осуществляется благодаря тому, что импульс резонансной волны многократно пробегает в резонаторе вдоль отрезка прямой, заключенного между зеркалами. Установка интерферометра Фабри-Перо в таком резонаторе позволяет без затруднений получать предельно малую ширину частотного и углового спектра генерации.

Формула изобретения

1. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА, содержащий резонатор с расположенным внутри него линейным кристаллом, и генератор импульсов накачки, отличающийся тем, что, с целью снижения пороговой плотности мощности накачки и увеличения степени когерентности генерируемого излучения при малом числе импульсов накачки, в него введены оптически связанные по лучу накачки, по крайней мере, два отражательных элемента, расположенных относительно нелинейного кристалла, так, что падающий на каждый из элементов и отраженный от него луч проходит через центр нелинейного кристалла по образующим конуса синхронизма, а расстояние от центра кристалла до каждого отражательного элемента равно расстоянию от центра кристалла до зеркала резонатора, расположенного по ту же сторону от нелинейного кристалла, что и данный отражательный элемент. 2. Параметрический генератор ультракоротких импульсов оптического диапазона по п.1, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, один из отражательных элементов представляет собой зеркало, а остальные - призмы полного внутреннего отражения, причем зеркало установлено перпендикулярно падающему на него лучу накачки после выхода этого луча из призмы.

РИСУНКИ

Рисунок 1