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. В статье описываются основные нелинейные эффекты в кристаллах и механизмы их возникновения.
Удвоение частоты
Удвоение частоты или генерация второй гармоники - особый случай генерации суммарной частоты, когда две составные частоты равны друг другу. Простейшей схемой удвоения частоты является внерезонаторное удвоение. Лазерный пучок проходит через нелинейный кристалл только один раз, как показано на рисунке ниже. Если плотность мощности лазерного пучка низкая, фокусировка, удвоение и внешний резонанс позволяют увеличить плотности мощности на кристалле.
Рисунок 1. Схематическое изображение преобразования частот в кристалле
Рисунок 2. Преобразование частот с помощью фокусирующей оптики
Рисунок 3. Внутрирезонаторная генерация второй гармоники
Рисунок 4. Внешнерезонаторная генерация второй гармоники
Утроение частоты
Утроение частоты, или генерация третьей гармоники - тоже частный случай генерации суммарной частоты. Можно построить эффективный генератор третьей гармоники с помощью двух нелинейных кристаллов, стоящих друг за другом. Первый генерирует вторую гармонику. Прошедшее основное и излучение второй гармоники затем взаимодействуют во втором кристалле и дают на выходе излучение третьей гармоники, получающееся посредством генерации суммарной частоты. Для обоих процессов можно выполнить условие фазового синхронизма при использовании синхронизма первого или второго типа.
Генерация разностной частоты
Взаимодействие волн в нелинейной среде приводит к их смешению, в результате чего генерируются волны на суммарных и разностных частотах. Физическая интерпретация явления генерации суммарной частоты заключается во взаимодействии волн с частотами w1 и w2, которые приводят к генерации нелинейной поляризации P(2) (w3 = w1 + w2) в кристалле. Поляризация, представляющая собой суперпозицию вкладов двух осциллирующих диполей, служит источником излучения на частоте w3 = w1 + w2. В общем случае излучение суммарной частоты может происходить во всех направлениях.
Рисунок 5. Генерация разностной частоты
Оптическая параметрическая генерация
Параметрическую генерацию света (ПГС) в нелинейных кристаллах можно рассматривать как процесс, обратный генерации суммарных частот. Он заключается в преобразовании энергии волны накачки в две волны с меньшими частотами, которые в сумме равны частоте накачки. Эти волны называют сигнальной и холостой волнами, заимствуя терминологию из радиофизики. Нелинейная оптика и использование ПГС помогают лазерам полностью освоить оптический диапазон, позволяя генерировать когерентное излучение практически на любой заданной длине волны. В настоящее время диапазоны перестройки длины волны генерации для ПГС составляют 0,4 — 22 мкм.
Рисунок 6. Оптическая параметрическая генерация
Рисунок 7. Оптический параметрический осциллятор
Фазовый синхронизм
Фазовый синхронизм, или волновой синхронизм при нелинейном взаимодействии волн - условие наиболее эффективного энергообмена между собственной и вынуждающей волнами среды, имеющими одинаковые частоты. В нелинейной оптике вынуждающей волной может быть волна нелинейной поляризации. Условие фазового синхронизма выражается равенством волнового вектора k волны среды волновому вектору kв вынуждающей волны (k = kв). Разность волновых векторов Dk= k–kв называется фазовой расстройкой.
Открытие условия фазового синхронизма (которому нет аналогов в системах с сосредоточенными параметрами, вроде радиотехнических цепей) в начале 1960-х гг. и разработка методов его достижения позволила создать практически пригодные преобразователи частоты, и обеспечила быстрое развитие прикладной нелинейной оптики.
Некритическая фазовая синхронизация
Рисунок 8. Угол фазового синхронизма в кристалле
Некритический фазовый синхронизм, или синхронизация фазы по температуре – это метод получения фазового согласования в нелинейном процессе. Взаимодействующие пучки ориентированы так, что они распространяются вдоль некоторой оси двулучепреломляющего нелинейного кристалла. Фазовое рассогласование минимизируется путем регулирования температуры кристалла таким образом, чтобы фазовые скорости взаимодействующих лучей были равны.
Рисунок 9. Фазовая синхронизация 1-го типа (вектора поляризации параллельны)
Рисунок 10. Фазовая синхронизация 2-го типа (вектора поляризации ортогональны)
Эффективность преобразования частот
Главное, на что обращают внимание при выборе нелинейного кристалла для приложения – высокая эффективность частотного преобразования. Этот показатель связан с коэффициентом нелинейности (deff), длиной кристалла (L), плотностью входной мощности (P) и фазовой несоответствием (Dk) следующим соотношением:
h∝ PL2⋅[deff ⋅ sin(DkL)/DkL]2
Из формулы видно, что для увеличения эффективности преобразования необходимо увеличить плотность мощности, длину кристалла и коэффициента нелинейности с одновременным уменьшением рассогласованности фаз. Однако на практике существуют ограничения, связанные с порогом повреждения кристалла и максимальной плотностью мощности. В следующей таблице перечислены лазерные параметры, наиболее явно влияющие на параметры кристаллов.
| Параметр лазера | Параметр кристалла |
|---|---|
| Нелинейные процессы | Тип фазовой синхронизации |
| Мощность | Порог повреждения |
| Расходимость пучка | Угол приема |
| Ширина полосы | Спектральная восприимчивость |
| Диаметр пучка | Размер кристалла |
| Ширина импульса | Рассогласованность групповой скорости |
| Внешняя среда | Температура, влажность |
Если лазерный пучок распространяется под углом к направлению фазового синхронизма, эффективность преобразования резко снижается. Угол приема определен здесь как полный угол на уровне половины максимума (FAHM), где q = 0 - направление фазового синхронизма. Например, угол приема кристалла BBO лазерного излучения длиной 1064 нм составляет около 1 мрад-см. Если расходимость пучка составит 3 мрад, более половины входной мощности не будет использована эффективно. В этом случае лучше использовать кристалл LBO, обладающий большим углом приема, около 8 мрад-см.
Кроме того, нужно учитывать спектральную чувствительность кристалла и спектральную полосу пропускания вашего лазера; допустимую температуру кристалла и температуру окружающей среды.
Рисунок 11. Определение угла приема излучения в кристалле
Рассогласование групповой скорости
В преобразовании частоты сверхбыстрых лазеров – титан-сапфировых лазеров и лазеров на красителях, генерирующих импульсы с фемтосекундной длительностью, основной проблемой является уширение фемтосекундного импульса. Его вызывает рассогласование групповой скорости, или дисперсия групповой скорости кристалла. Чтобы снизить влияние уширения импульса, толщина кристаллов должна быть несколько меньше, чем ширина импульса, деленная на дисперсию групповой скорости.
Чувствительность к наклонам
На эффективности частотного преобразования может негативно сказаться наклон вокруг оси горизонтального поворота, перпендикулярной главной плоскости. Рекомендуется выбирать кристалл с угловой точностью около 5’’.
Кристаллографическая плоскость среза
При заказе нелинейного кристалла необходимо знать ориентацию кристалла и размер. Ориентация определяется исключительно нелинейно-оптическим процессом. Например, для удвоения частоты первого типа на длиневолны 1064 нм BBO срезается при q = 22,8° и f = 0 °, где: q - полярный угол между оптической осью и направлением распространения излучения, f - азимутальный угол между проекцией направления распространения на плоскость XY и осью X.
Размер кристалла
Размер кристалла определяется тремя измерениями: шириной (Ш), высотой (В) и длиной (Д), которые обычно обозначают как (Ш x В x Д мм3). Тщательный расчет размера кристалла важен, поскольку от этого напрямую зависит его стоимость. Что еще более важно, эффективность преобразования напрямую зависит от длины кристалла. Чтобы выбрать оптимальную высоту кристалла (H), необходимо учитывать диаметр лазерного пучка: оптимальная высота кристалла должна быть немного (на 1–2 мм) больше диаметра лазерного пучка.
Например, стандартная длина кристаллов BBO и KTP составляет 7 мм и 5 мм соответственно. Однако оптические параметрические генераторы и усилители нуждаются в кристаллах большей длины, а при генерации второй и третьей гармоник используют тонкие кристаллы длиной менее 1 мм. В этом случае компания Dream Lasers поставляет кастомные решения.
Угол Брюстера
Для луча, распространяющегося из воздуха в кристалл угол Брюстера определяется как арктангенс показателя преломления. Под углом Брюстера происходит полная поляризация отраженного и преломленного света. Для того чтобы иметь низкое отражение от поверхности, используются кристаллы, срезанные под углом Брюстера, это стандартная огранка на производстве Dream Lasers. Возможны кастомные решения.
Правила эксплуатации нелинейных кристаллов
При вскрытии пластиковой упаковки кристаллов не допускайте попадания отпечатков пальцев, масел и других веществ на полированные или покрытые поверхности.
Если поверхности загрязнены, продуйте их потоком воздуха из специальной помпы. Если на кристаллических поверхностях все еще остаются загрязнения, очистите поверхности чистящей жидкостью и мягким шелком. Для кристаллов BBO в качестве чистящей жидкости рекомендуется раствор 50% спирта высокой чистоты и 50% эфира высокой чистоты. Обратите внимание, что загрязненные поверхности очень легко повредить.
Некоторые кристаллы имеют низкую восприимчивость к влаге, поэтому рекомендуется обеспечить условия сухой атмосферы как для их использования, так и для их хранения.
© Dream Lasers
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Dream Lasers на территории РФ
В работе предлагается технология производства источников неразличимых фотонов в телекоммуникационном С-диапазоне на основе эпитаксиальных полупроводниковых квантовых точек. Новая методика позволяет детерминировано интегрировать квантовые излучатели в микрорезонаторы из кольцевых брэгговских решёток.
В статье описывается адаптация научной КМОП камеры Tucsen с обратной засветкой с целью улучшения возможностей регистрации когерентного рассеяния мягкого рентгеновского излучения.
В работе представлено два возможных варианта использования источников суперконтинуума: в качестве источника зондирующего излучения для оптической когерентной томографии и в качестве источника возбуждения для флуоресцентной кросс-корреляционной спектроскопии.
В работе реализован протокол BB84 с твердотельным источником одиночных фотонов на основе атомарно тонких слоев WSe2, выделяющийся простотой изготовления и настройки свойств. Система конкурентоспособна в сравнении с передовыми решениями, а с внедрением улучшений в виде микрорезонаторов может превзойти их.
В статье описывается метод широкопольной квантовой микроскопии с пространственным разрешением 1,4 мкм, основанный на схеме с симметричными плечами холостых и сигнальных фотонов. Преимущества метода: высокие скорость, отношение сигнал/шум и устойчивость к рассеянному свету в сравнении с аналогичными методами квантовой визуализации.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
