Экспериментальная установка. 
Генерация оптических гармоник в нелинейных кристаллах

Оптическая схема установки приведена на рис. 3.

Рис. 3. Общая оптическая схема установки. 1 — юстировочный гелий-неоновый лазер, 2 — лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, 3 — нелинейный кристалл для генерации второй гармоники, 4 — нелинейный кристалл для генерации третьей или четвертой гармоник, 5 — светофильтр, 6 приемная головка измерителя энергии излучения

Установка смонтирована на оптической скамье. 1) — излучатель вспомогательного гелий-неонового лазера, луч которого служит для юстировки системы, т. е. размещения всех оптических элементов системы строго вдоль оптической оси. 2) — генератор основного излучения. Им является импульсный твердотельный лазер на синтетическом кристалле иттрий-алюминиевого граната легированного неодимом (YAG:Nd3+). Источником лазерного излучения являются ионы неодима. Длина волны 1,064мкм (1064нм) — это ближний инфракрасный диапазон спектра, длительность импульса генерации 15нс — это т.н. режим гигантских импульсов, который реализует максимально возможную мощность лазера, а, следовательно, и интенсивность (см. формулу 1)) взаимодействующих лучей. Излучение имеет линейную поляризацию в горизонтальной плоскости. Гранатовый лазер может работать как в моноимпульсном режиме, так и с частотой повторения импульсов до 50Гц. Это существенно облегчает настройку на синхронизм нелинейных кристаллов. 3) и 4) — нелинейные кристаллы для генерации гармоник на поворотных (юстировочных) столиках, 5) — светофильтр для отсечки ненужного излучения при измерениях энергии или наблюдениях третьей и четвертой гармоник. 6) — приемная головка измерителя энергии лазерного излучения ИМО-2.

ВНИМАНИЕ. Прямое и зеркально отраженное излучение гранатового лазера и его гармоник представляет опасность для зрения! Включать этот прибор разрешается только в присутствии и по указанию преподавателя!

Экспериментальная часть.

Упражнение 1. Лазер на иттрий-алюминиевом гранате, измерение его энергии и к.п.д.

По указанию преподавателя включить лазер и проверить совпадение направления распространения лучей гелий-неонового и гранатового лазеров.

Рис. 4. Оптическая схема для измерения энергии лазерного импульса. 1 юстировочный гелий-неоновый лазер, 2 — лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, 3 — светофильтр ИКС-1, 4 — приемная головка измерителя энергии излучения

Установить приемную головку прибора ИМО-2 по лучу юстировочного лазера на расстоянии не менее 1,5 м от гранатового излучателя (см. Рис. 4), и, установив перед головкой фильтр ИКС-1 для отсечки излучения лампы накачки и флуоресценции граната, измерить энергию одиночных лазерных импульсов при различных напряжениях на накопительных конденсаторах блока питания лазера. Измеряемый импульс нагревает чувствительный элемент, расположенный в головке ИМО-2, и прибор фиксирует поглощенную энергию.

Накопительные конденсаторы разряжаются через импульсную лампу-вспышку, которая освещает кристалл граната, обеспечивая его накачку и, следовательно, лазерную генерацию. Начинать измерения необходимо с напряжения 950 В, уменьшая его с шагом 50 В. Для каждого уровня накачки лазера снять 5 измерений. Определить пороговое напряжение, при котором генерация лазера срывается (возникает).

Учитывая, что запасенная энергия конденсатора W=CU2/2 и что в сам кристалл граната энергии вкладывается примерно в три раза меньше электрической, определить пороговую энергию накачки данного лазера и его кпд. Емкость накопительных конденсаторов С = 75мкФ.

Упражнение 2. Генерация второй гармоники и измерение энергии излучений.

Выставить уровень накачки гранатового лазера 950 В. Снять светофильтр ИКС-1. Установить в 20−30см от лазера рейтер с юстировочным столиком. Установить перед головкой ИМО-2 экран из белой бумаги.

В качестве удвоителя частоты используется кристалл КДП. Он вырезан вдоль направления синхронизма для взаимодействия оое и помещен в контейнер из органического стекла. На контейнере риской обозначено примерное положение оптической оси. Контейнер необходимо закрепить на юстировочном столике вдоль луча гелий-неонового лазера, так чтобы горизонтально поляризованный луч основного излучения проходил сквозь кристалл как обыкновенный, т. е. вектор напряженности электрического поля световой волны Е должен быть ортогонален плоскости, положение которой определяется направлением луча и оптической осью кристалла.

Рис. 5. Оптическая схема для генерации второй гармоники. 1 — юстировочный гелий-неоновый лазер, 2 — лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, 3 — нелинейный кристалл КДП или ниобата лития для генерации второй гармоники, 4 — светофильтр СЗС-22 или ИКС-1, 5 — приемная головка измерителя энергии излучения

Поворачивая юстировочным винтом контейнер с кристаллом на небольшие углы в плоскости перпендикулярной поляризации основного излучения, наблюдать визуально на экране зеленое пятно от излучения второй гармоники (длина волны — 0,532мкм). Максимальная яркость его соответствует настройке на фазовый синхронизм. Поляризация второй гармоники будет ортогональна поляризации исходного луча, т. е. вектор Е световой волны ориентирован вертикально.

Установив после удвоителя фильтр СЗС-22, для отсечки основного излучения, и убрав экран, измерить энергию второй гармоники следующим образом. Чувствительность прибора ИМО-2 недостаточна для регистрации одиночного импульса второй гармоники, поэтому, необходимо быстро нажимая на кнопку запуска лазера отсчитать 50 импульсов. Общая поглощенная энергия разогревает чувствительный элемент прибора до регистрируемой величины. Снимаются его показания и делятся на 50 для определения энергии одного импульса. Процесс повторяют 2−3 раза.

Заменив фильтр СЗС-22 на ИКС-1 измерить энергию остаточного, т. е. не преобразованного основного излучения.

Такие же операции проделать с кристаллом ниобата лития (взаимодействие оое).

Зная энергию основного излучения из упражнения 1, найти в процентах энергетическую эффективность параметрического преобразования кристаллов.

Учитывая, что длина кристалла КДП 40 мм, а ниобата лития 15 мм, найти отношение их коэффициентов «качества» аниоб: акдп (см. выражение 10)). Напомним I = P / S = E / ?S (см. выражение 1)). С некоторым допущением можно принять, что длительности импульсов и поперечные сечения пучков второй гармоники и основной частоты одинаковы.

Упражнение 3. Генерация третьей гармоники.

Третью гармонику излучения гранатового лазера с неодимом можно получить при сложении в нелинейном оптическом кристалле остаточного после ГВГ основного излучения с собственной второй гармоникой, т. е. реализовать генерацию суммарных частот (параметрическое преобразование частот вверх) вида.

+ 2 = 3.

Здесь удобно применить коллинеарный синхронизм по схеме, представленной на Рис.2г. Однако отличием будет то, что лучи с частотами и 2 выходящие из нелинейного удвоителя ортогонально поляризованы, поэтому в кристалле — генераторе третьей гармоники выгодно использовать взаимодействие типа оее либо еое в зависимости от того обыкновенной или необыкновенной волной является в этом кристалле излучение основной частоты.

В упражнении используется кристалл КДП, т.к. третья гармоника граната с неодимом (длина волны 0,355мкм) лежит уже в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, а ниобат лития в этой области спектра непрозрачен.

Для получения генерации с частотой 3 в 20−30см после удвоителя с ниобатом лития надо установить второй рейтер с юстировочным столиком (см. Рис. 6). После него поставить светофильтр УФС-1 для устранения исходных излучений. Убрать головку ИМО-2 и вместо ее поместить экран из отбеленной бумаги, она хорошо флуоресцирует в синей области спектра под действием УФ излучения, и будет служить индикатором появления третьей гармоники.

Рис. 6. Оптическая схема для генерации третьей и четвертой гармоник. 1 — юстировочный гелий-неоновый лазер, 2 — лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, 3 — нелинейный кристалл ниобата лития для генерации второй гармоники, 4 — нелинейный кристалл КДП для генерации третьей или четвертой гармоник. 5 — светофильтр УФС-1, 6 — экран из белой бумаги

Кристалл КДП вырезан вдоль направления синхронизма для взаимодействия еое, угол с = 58. Положение оптической оси обозначено на контейнере кристалла. Его необходимо закрепить на столике вдоль луча юстировочного лазера таким образом, чтобы луч основной частоты с горизонтальной поляризацией проходил в кристалле как необыкновенный, при этом луч второй гармоники в кристалле автоматически будет обыкновенным, т.к. его поляризация ортогональна поляризации основного излучения.

Настройку на синхронизм проводить поворотом кристалла в плоскости перпендикулярной направлению поляризации второй гармоники. Максимальная яркость флуоресценции бумажного экрана будет наблюдаться при точной настройке на синхронизм.

Упражнение 4. Генерация четвертой гармоники.

Для этой цели используют удвоение частоты уже полученной второй гармоники. Параметрическое преобразование происходит в кристалле КДП по типу оое совершенно аналогично упражнению 2. Угол синхронизма в этом случае с = 78. Оптическая схема представлена на Рис. 6.

С юстировочного столика надо снять контейнер с кристаллом — генератором третьей гармоники и закрепить контейнер с кристаллом для четвертой, так чтобы волна второй гармоники, являющейся здесь основной, проходила в кристалле как обыкновенная. Настройка на синхронизм проводится как в упражнении 3. После кристалла необходимо установить светофильтр УФС-1, а излучение четвертой гармоники с длиной волны 0,266мкм наблюдать по флуоресценции того же экрана из отбеленной бумаги.

При сдаче работы должны быть представлены обработанные результаты измерений, расчеты, требуемые в упражнениях и дополнительные по указанию преподавателя.