ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Советский патент 1970 года по МПК H01S3/10 

Изобретение относится к области нелинейной оптики и может быть использовано для связи и локации в различных областях науки и техники.

В настоящее время для умножения (генерации вторых, третьих гармоник) и смешения излучения (генерации суммарных и разностных частот) оптических квантовых генераторов, а также для перестройки частот применяются нелинейные кристаллы, вырезанные в виде плосконараллельной пластинки перпендикулярно направлению фазового согласования, с которым совпадает волновая нормаль. Это направление определяется углом 0 между волповой нормалью и оптнческой осью кристалла Z и углом ф между проекцией волновой нормали на плоскость х, у, и осью х (см., например, С. А. Аманов, Р. В. Хохлов «Проблемы пелннейной оптики, М., 1964).

Однако преобразователь частот, выполненный в виде плоскопараллельной пластинки, имеет ряд существенных недостатков:

сравнительно низкий к.п.д. при преобразовании расходящихся или сходящихся пучков излучений оптических квантовых генераторов;

малую эффективность работы в случае преобразования и перестройки частот в широком интервале прозрачности преобразователя, так как при этом основное излучение падает на преобразователь не нормально, в то же время

при больщих углах падения потери на отражения достигают значительных величнн:

неэффективное использование фокусировки основного излучения, нри которой интенсивность основного изл чения хотя и возрастает, но за счет увеличивающейся при этом расходимости пучка к.п.д. преобразования уменьшается.

Целью изобретения является эффективное

использование фокусировки пучков для повышения к.п.д. преобразования, сведение до минимума потерь на отражение основного излучения и иснользование одного среза нелинейного кристалла для преобразования частот во

всем диапазоне нрозрачности этого кристалла. Для этого предлагаемый нреобразователь выполнен из нелинейного кристалла, имеющего форму части прямого полого цнлиидра, ограниченной двумя нлоскостями, проходящими

через ось и образующую цилиндрической поверхности.

Внутренняя нолость цилиндра представляет собой часть цилиндрической поверхности положительной кривизны, внутренняя полость цилиндра - часть цилиндрической поверхности отрицательной кривизны.

Внутренняя нолость цилиндра может иметь форму плоскости.

Эффективность нреобразования зависит от чей от угла фазового согласования на несколько минут резко уменьшает выход преобразованного излучения. Чтобы увеличить к.п.д. преобразования, необходимо, чтобы все лучи пучка входили в кристалл под углом в, а для этого по законам отражения и преломления электромагнитных волн кристалл должен иметь цилиндрическую или сферическую поверхность. Минимум потерь на отражение при преобразовании достигается тем, что для любого угла фазового согласования в, соответствующего данным частотам, падение на цилиндрическую поверхность будет нормальным, а не наклонным. На таком одном срезе можно осуществлять преобразование частот при любых углах в, допустимых прозрачпостью кристалла для взаимодействующих в нем волн. На чертеже схематично показан предлагаемый преобразователь. Преобразователь с цилиндрически1ми поверхностями устанавливается на поворотном столике, ось вращения которого совпадает с осью цилиндрической рабочей поверхности кристалла. Пучки основного излучения, падающие на поверхность кристалла, должны пересекать ось вращения под нрямым углом. При повороте кристалла на произвольный угол у от пололсепия OL угол во измепяется на величину ±Y. Тогда угол фазового согласования 0 поворотом кристалла вокруг оси О можно изменять в пределах 0 0o±Y, тем самым на одном срезе осуществляя частотное преобразование и перестройку в заданном диапазоне длин волн. При этом для любых взаимодействующих частот, которым соответствует свой угол 0, потери на отражение будут минимальными, так как основное излучение падает нормально на преобразователь. Если центральный луч расходящегося пучка основного излучения падает па преобразователь под утлом фазового согласования Во, то для крайних лучей пучка будет наблюдаться фазовая расстройка, т. е. эти лучи будут распространяться в кристалле не под утлом в к оптической оси, а под углами 0 во±Д. Величина фазовой расстройки определяется формулой- „J ± А arcsinarcsin - X 2riи -cos8-f-l/ 1 p-sino , I/4rl где D - диаметр пучка основного излучения на поверхности кристалла, 6 - угол его расходимости, п - показатель преломления основного излучения в кристалле. Выбором диаметра пучка, величины расходимости и радиуса преобразователя можно добиться обращения в нуль величины фазовой расстройки Д. В первом приближении из уравнения (1) следует 8 |(я-1), т. е. г, D и б связаны между собой таким образом, что фазовая расстройка обращается в нуль. В результате к.п.д. преобразования заметно увеличивается для фокусированных пучков. Учитывая, что предлагаемый преобразователь работает как сужающая пучок линза, основное и преобразованное излучения на выходе из него должны иметь большую плотность, чем при использовании преобразователя, выполненного в виде плоскопараллельной пластинки. Описанный преобразователь может быть использован в качестве основного элемента нелинейного спектрографа. Предмет изобретения 1.Преобразователь частоты, выполненный из среза нелинейного кристалла, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности преобразованного излучения и осуществления преобразования частоты на любой длине волны, он выполнен в форме части прямого полого цилиндра, ограниченной двумя плоскостями, проходящими через ось и образующую цилиндрической поверхности соответственно. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренняя полость цилиндра выполнена в ви-. де части цилиндрической поверхности положительной кривизны. 3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренняя полость цилиндра выполнена в форме плоскости. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренняя полость цилиндра выполнена в форме части цилиндрической поверхности отрицательной кривизны.