ОПТИЧЕСКИЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2001 года по МПК G02F1/39 

Изобретение относится к области лазерной техники и нелинейной оптики, также может быть использовано в научных исследованиях.

Известно устройство параметрического генератора света [1], выбранное авторами за аналог.

Известно также устройство оптического параметрического генератора [2], выбранное авторами за прототип, состоящее из нелинейного кристалла, помещенного в оптический резонатор. Кристалл вырезан и ориентирован под углом синхронизма. Резонатор может иметь различную конфигурацию. В классическом варианте зеркала имеют относительно высокий коэффициент отражения для резонансной волны (сигнальной и/или холостой) и прозрачны для волны накачки. Однако недостатком устройства является то, что для некоторых кристаллов, например GaSe, которые невозможно вырезать под нужным углом и рабочие поверхности которых ориентированы под большим углом к оптической оси (близким к углу Брюстера), френелевские (связанные с отражением) потери существенно повышают порог генерации оптического параметрического генератора и снижают его энергетический КПД. Кроме того, существенное ограничение на диапазон перестройки длины волны генерации накладывает спектральная зависимость коэффициента отражения дихроичных зеркал резонатора. Повышение энергетического КПД за счет увеличения интенсивности излучения накачки ограничено порогом повреждения кристалла.

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в снижении порога генерации, повышении энергетического КПД и расширении диапазона перестройки оптического параметрического генератора.

В соответствии с предлагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в оптический параметрический генератор, состоящий из резонатора и нелинейного кристалла, введен элемент ввода излучения накачки, выполненный в виде брюстеровской пластины, установленной на оптической оси резонатора между одним из зеркал и нелинейным кристаллом, при этом рабочие поверхности нелинейного кристалла ориентированы под углом синхронизма к оси резонатора, а зеркала резонатора выбраны металлическими.

На чертеже представлена принципиальная схема, предложенного оптического параметрического генератора, где
1 - нелинейный кристалл,
2 - зеркало резонатора,
3 - зеркало резонатора,
4 - брюстеровская пластина.

Оптический параметрический генератор выполнен следующим образом, нелинейный кристалл 1 установлен под углом синхронизма θ_c на оптической оси резонатора, образованного зеркалами 2, 3, при этом между нелинейным кристаллом 1 и, например, зеркалом 2 на оптической оси установлена пластина 4 под углом Брюстера ϕ_б.
Предложенная конструкция оптического параметрического генератора работает следующим образом. Излучение накачки (плоскость поляризации перпендикулярна плоскости рисунка фиг. 1a) падает на брюстеровскую пластину 4, отражается от нее и направляется на нелинейный кристалл 1, расположенный под углом синхронизмах θ_c к падающему излучению. В нелинейном кристалле происходит нелинейное взаимодействие волны накачки, сигнальной и холостой волн. При превышении интенсивностью излучения накачки порогового значения в резонаторе, образованном зеркалами 2 и 3, возникает параметрическая генерация, в результате которой сигнальная и холостая волна развиваются в кристалле 1 с уровня шума. Резонансной волной (для которой резонатор имеет максимальную добротность) может быть как сигнальная, так и холостая волна. Плоскость поляризации резонансной волны лежит в плоскости рисунка фиг. 1a и излучение выводится из резонатора через отражение от поверхности нелинейного кристалла 1.

В классической схеме оптического параметрического генератора одно из зеркал резонатора делают частично прозрачным для вывода излучения генераций (резонансной волны), что вносит дополнительные, хотя и полезные, потери. В предлагаемом устройстве резонансная волна выводится из резонатора за счет отражения от поверхности кристалла. Таким образом вредные френелевские потери превращаются в полезные. При этом добротность резонатора повышается, а порог генерации снижается.

В случае однорезонаторного оптического параметрического генератора отношение пороговых интенсивностей накачки предлагаемого генератора и прототипа можно оценить, используя выражение вида [3]:

где α - потери, в том числе на отражение от поверхностей кристалла; L - длина кристалла; R - коэффициент отражения выходного зеркала резонатора. Таким образом, порог генерации в случае классического оптического параметрического генератора оказывается выше. В общем случае небольшого превышения порога генерации (интенсивность накачки I ограничена порогом повреждения кристалла) энергетический КПД увеличивается пропорционально отношению I/I₀. Рассмотрим пример оптического параметрического генератора на основе кристалла GaSe с накачкой излучением с длиной волны 1.064 мкм. Пусть L = 2 см, α = 0.3 см^-1, R = 0.9. Отношение I₀₁/I₀₂ = 1.2, решая трансцендентное уравнение для расчета КПД однорезонаторного оптического параметрического генератора η[3], считая превышение порога генерации = 1.1 (для прототипа), для фиксированной интенсивности накачки найдем, что в случае классического оптического параметрического генератора η₂ = 0.26, а в случае предлагаемого оптического параметрического генератора η₁ = 0.73.

Использование брюстеровской пластины для ввода излучения накачки в резонатор диктуется тем, что волны накачки и генерации имеют ортогональные поляризации. Таким образом (см. чертеж), излучение накачки достаточно хорошо отражается, а преобразованное излучение проходит через пластину практически без потерь. Например, используя пластину из ZnSe, коэффициент отражения для излучения накачки (λ = 1.064 мкм) 63%, коэффициент пропускания для излучения на частоте резонансной волны (λ = 5 мкм) 99%.

Таким образом, предлагаемая конструкция устройства обеспечивает снижение потерь излучения в резонаторе на частоте резонансной волны, повышение энергетического КПД и расширение спектрального диапазона перестройки по сравнению с классическим оптическим параметрическим генератором.

Источники информации
1. Ицхоки И. Я. Параметрический генератор света. В энциклопедическом словаре "Электроника". - М., Советская энциклопедия, 1991.

2. Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика: Генераторы второй гармоники и параметрические генераторы света. - М., Радио и связь, 1982, - прототип, -с. 315.

3. Дмитриев В. Г. , Кулевский Л.Д. Параметрические генераторы света. Справочник по лазерам. Под ред. А.М.Прохорова. Т.2. - М., Советское радио, 1978, - с. 319 - 348.

Изобретение относится к лазерной технике нелинейной оптики, также может быть использовано в научных исследованиях. В оптический параметрический генератор, состоящий из резонатора и нелинейного кристалла, введен элемент ввода излучения накачки, выполненный в виде брюстеровской пластины, установленной на оптической оси резонатора между одним из зеркал и нелинейным кристаллом, при этом рабочие поверхности нелинейного кристалла ориентированы под углом синхронизма к оси резонатора, а зеркала резонатора выбраны металлическими. Техническим результатом является снижение порога генерации, повышение энергетического КПД и расширение диапазона перестройки оптического параметрического генератора. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Оптический параметрический генератор, включающий резонатор в виде расположенных друг против друга двух отражающих элементов и нелинейный кристалл, размещенный между отражающими элементами, отличающийся тем, что он дополнительно содержит элемент ввода излучения накачки в виде прозрачной пластины, установленной под углом Брюстера к оптической оси резонатора между одним из отражающих элементов резонатора и нелинейным кристаллом, а рабочие поверхности кристалла ориентированы под углом синхронизма к оптической оси резонатора. 2. Оптический параметрический генератор по п.1, отличающийся тем, что отражающие элементы резонатора выполнены металлическими.