Генерация гармоник
▶Введение
Что такое технологии оптической гармонической генерации (или нелинейного преобразования частоты)?
Суть гармонической генерации — преобразование входного света в свет других частот за счёт оптических нелинейностей специальных сред. Как важнейшее направление лазерной и нелинейной оптики, техника оптической гармонической генерации является наиболее эффективным способом получения многодиапазонных и настраиваемых фемтосекундных лазеров.
В чём преимущества гармонической генерации? Поскольку генерация гармоник — это умножение частоты электромагнитной волны, при возрастании частоты длина волны уменьшается, период волны сокращается и энергия фотонов растёт. Это усиливает корпускулярные свойства света и его проникающую способность. Более короткий цикл волны также способствует более короткой длительности лазерного импульса.
В последние годы, с появлением новых лазеров и совершенствованием технологий выращивания нелинейных кристаллов, методы нелинейной гармонической генерации стремительно развиваются. Сегодня широко применяются SHG/удвоение частоты (вторичная гармоника; подробнее — объяснение SHG), THG/утроение частоты, 4HG/четвертая гармоника, 5HG/пятая гармоника, а также генерация суммы и разности частот, OPA/OPO. Диапазон выходных длин волн охватывает ультрафиолет до среднего инфракрасного, и с помощью квазифазового совпадения может быть расширен до мягкого рентгена и терагерцового диапазона.
Ниже — краткая история гармонической генерации. В 1961 г. Франкен и соавторы с помощью рубинового лазера (694,3 нм) и кварцевого кристалла получили двойную гармонику (347,1 нм). Это был первый эксперимент по взаимодействию лазера и кристалла с демонстрацией нелинейного эффекта, что положило начало нелинейной оптике. В 1962 г. Мейкер и коллеги предложили технологию фазового совпадения, существенно повысившую эффективность преобразования. В том же году Армстронг, Блумберген, Дюкуэн и Першан опубликовали фундаментальный труд по нелинейной оптике, заложив теоретические основы для дальнейшего развития нелинейного преобразования частоты.
▶Нелинейные оптические эффекты
Прежде всего рассмотрим нелинейные оптические эффекты, ключевые для гармонической генерации и нелинейного преобразования частоты. Нелинейная оптика изучает явления и материалы, возникающие при взаимодействии интенсивного когерентного света со средой. До появления лазеров исследовали лишь слабые световые пучки, где вектор поляризации P среды был пропорционален полю E, а суперпозиция полей соблюдалась. Это линейная оптика. Однако сильные лазерные поля оказывают влияние, сравнимое с кулоновским полем в атоме, и свойства среды (поляризация и пр.) начинают зависеть от высоких степеней E — это и есть нелинейный оптический эффект.
▶Нелинейные оптические кристаллы
На сегодня нелинейные кристаллы остаются основным средством получения ранее недоступных длин волн. Наиболее известны кристаллы второго порядка: β-бариевый борат (BBO), DKDP (KD*P), KTP, LBO и пр., а также кристаллы третьего порядка. Нелинейные кристаллы — важный тип оптических материалов для реализации гармонических генераций и OPO/OPA, обеспечивающие модуляцию амплитуды, поляризации и фазы лазерного пучка. Их разработка остаётся приоритетной в мировых технологиях оптоэлектроники и новых материалов.
Фазовое совпадение (на примере SHG, удвоение частоты) позволяет фундаментальной волне возбуждать удвоенную волну синфазно. За счёт равенства фазовых скоростей обе волны интерферируют конструктивно вдоль всего кристалла, значительно повышая выходную интенсивность.
▶Фазовое совпадение Type I
Для обеспечения фазового совпадения используют двулучепреломление в кристаллах. На рисунке 1 сплошной круг обозначает о-волны, пунктирная эллипса — e-волны. Скорость о-волны одинакова по всем направлениям, а e-волны меняется. В точке A круг и эллипс пересекаются: два o-фотоны фундаментальной волны преобразуются в один e-фотон удвоенной частоты.
Рисунок 1. Фазовое совпадение Type I
▶Фазовое совпадение Type II
В методе Type II используют фундаментальные фотоны разной поляризации (один o-фотон и один e-фотон), которые синфазно преобразуются в e-фотон двойной частоты. В точке пересечения круга и эллипса на рисунке 2 задаётся направление распространения в кристалле.
Рисунок 2. Фазовое совпадение Type II
Кроме Type I/II существуют и другие методы фазового совпадения: некритическое температурное совпадение, квазифазовое совпадение и др.
▶Оптическое параметрическое усиление (OPA) и осцилляция (OPO)
OPA возникает, когда мощный лазерный пучок с частотой ω_p проходит через нелинейный кристалл, усиливая волны на частотах ω_s и ω_i (ω_s + ω_i = ω_p) при выполнении условия фазового совпадения. Если в кристалл дополнительно вводится сигнал ω_s, его интенсивность возрастает, а при этом генерируется «идлер» ω_i. С точки зрения квантовой оптики это процесс аннигиляции одного фотона накачки и рождения двух фотонов более низкой частоты.
OPO — металлический зеркальный резонатор, содержащий нелинейный кристалл. Пучок накачки, сигнал и идлер многократно проходят через среду, и при превышении усиления над потерями возникает осцилляция на частотах ω_s и ω_i. OPO может работать в непрерывном, квазинепрерывном, наносекундном и фемтосекундном режимах, применяясь в спектроскопии, биомедицине, дистанционном зондировании и экологии.
Перспективы OPO:В 1965 г. Джордамейн и Миллер получили первый OPO с накачкой Nd³⁺:CaWO₄-лазером, генерируя настраиваемую волну 0,97–1,15 мкм в кристалле LiNbO₃. В 1980-х технология медленно развивалась, пока появление фемтосекундных лазеров не ускорило исследования OPO, особенно синхронно накачиваемых фемтосекундных OPO.
Первый синхронно накачиваемый фемтосекундный OPO был продемонстрирован в 1989 г. Эдельштейн с коллизионным режимом красительного лазера на красителе и кристаллом KTP получили пульсы 820–920 нм и 1,90–2,54 мкм.
▶Нелинейное преобразование частоты и фемтосекундные лазеры
Фемтосекундные лазеры имеют длительность импульса сотни фс. Появление новых нелинейных кристаллов (LBO, BBO, PPKTP и др.) и развитие OPO расширили спектр до УФ, среднего ИК и терагерц. Возникновение фемтосекундных лазеров стимулировало гармоническую генерацию: в качестве источников накачки применяют твердо-тельные и волоконные фемтосекундные лазеры. Ti:Sapphire — распространённый твёрдотельный фс-лазер, но из-за тепловых эффектов требует сложного охлаждения и имеет среднюю мощность <2,5 Вт. Волоконные фс-лазеры проще, компактнее, дешевле, с лучшим теплоотводом, а фотонные кристаллические волокна с большим полевым режимом позволяют повышать мощность без ухудшения качества.
▶О нас
Hangzhou Shalom EO предлагает ультратонкие кристаллы BBO для фемтосекундных лазеров и широкий ассортимент нелинейных кристаллов (LBO, DKDP, KTP и др.). Более 10 лет опыта, точные методы полировки, чистые помещения и высокий сервис делают Shalom EO надёжным партнёром по всему миру.
Related Articles
Tags: Что такое генерация гармоник