1973 Квантовая электроника № 5(17) УДК 621.378.9:772.99 Г. П. Арумов, Э. С. Воронин, Ю. А. Ильинский, В. С. Соломатин, В. В. Шувалов СМЕШЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИИ КРИПТОНОВОГО И С0 -ЛАЗЕРОВ В ПРУСТИТЕ 2 Преобразовано излучение из инфракрасного диапазона (\К=10,6 мкм) в видимый (Х=0,689 мкм) с помощью кристалла прустита при накачке от ионного криптонового лазера (Х=0,647 мкм). Приводятся результаты измерений эффективностей преобразо­ вания для двух схем взаимодействия: коллинеарного и перпендикулярного. В случае коллинеарного взаимодействия при фокусировке накачки и сигнала коэффициент пре­ образования по мощности составил 2 • 10~ . 6 Введение Параметрическое взаимодействие лазерных пучков в кристалле прустита все шире используется при создании как одноканальных [1, 2, 5, 8], так и многоканальных [3, 7] высокочувствительных приемников инфракрасного излучения. В большинстве экспериментов в качестве источников накачки применяются импульсные лазеры. В последнее вре­ мя выполнены эксперименты по преобразованию излучения из области 10 мкм в ближний инфракрасный диапазон, в которых источником на­ качки служил лазер на алюмо-иттриевом гранате с неодимом, рабо­ тающий в непрерывном и квазинепрерывном режиме {5, 6]. При преоб­ разовании инфракрасного излучения в видимую область спектра для накачки обычно используется гелий-неоновый лазер [4]. Во всех схемах параметрических преобразователей частоты рассмо­ трены случаи коллинеарного или квазиколлинеарного взаимодействия волн накачки и сигнала в кристалле. При преобразовании излучения СО^-лазера в видимую область с помощью кристалла прустита можно применять схему взаимодействия, когда направления распространения волн накачки и сигнала взаимно перпендикулярны [10, 11]. Такая гео­ метрия взаимодействия имеет ряд преимуществ прикладного характера. Например, при построении параметрических генераторов на прустите она позволяет помещать кристалл внутрь резонатора, что дает возмож­ ность увеличивать плотность мощности накачки, а также уменьшать по­ тери на отражение путем просветления разных поверхностей кристалла на различные длины волн. При построении высокочувствительных приемников инфракрасного излучения подобная геометрия дает возможность проводить пространст­ венную селекцию излучения накачки, преобразованного сигнала и его резонансное усиление. Эффективность преобразования Рассмотрим схемы коллинеарного (рис. 1,а) и перпендикулярного (рис. 1,6) взаимодействия волн накачки и сигнала в параметрическом преобразователе инфракрасного излучения. Будем предполагать, что условия фазового синхронизма выполнены точно. Пренебрегая погло­ щением, анизотропией и дифракцией, эффективность преобразования 95 Г. П. Арумов, Э. С. Воронин, Ю. А. Ильинский и др. в приближении заданных полей для коллинеарного взаимодействия плоских волн накачки и сигнала в нелинейном бесконечном слое тол­ щиной / можно записать в следующем виде: 3 2 3 1 2 «4= 123ти оЛ/ (<г /гр^н/гс)- PJ fS. (1) Здесь Р — мощность излучения накачки; S—эффективная площадь взаимодействия; щ, /г п — показатели преломления волн разностной И ю с частоты, накачки и сигнала соответственно; d = e %e e — эффективный нелинейный коэффициент. p H c Рис. 1. Схема взаимодействия волн накачки и сигнала в параметрическом преобразо­ вателе инфракрасного излучения при коллинеарном (а) и перпендикулярном (б) взаи­ модействии. Однако для реальной схемы параметрического преобразователя инфракрасного излучения целесообразнее рассматривать случай взаи­ модействия не плоских волн, а гауссовых пучков накачки и сигнала. Тогда для модели коллинеарного взаимодействия -где-В^нх, Way, W , W — радиусы пучков накачки и сигнала по осям Ох и Оу лабораторной системы координат (рис. Л,а). Д л я модели перпендикулярного взаимодействия, считая нелиней­ ную среду неограниченной, получаем cx cy I nW — — l/~w W • 2 S ==*V<KM+K)I ± З 2 4- 2 W — (oj W2 2 VKV+ J > где я|э— угол между волновыми векторами накачки и преобразованного излучения (рис. 1,6). Используя эффективные длины и площади взаимодействия (2) или (3), для расчета эффективности взаимодействия можно применять вы­ ражение вида (1). В связи с тем, что анизотропия среды и дифракция не учитывались, формулы (2) и (3) применимы при следующих огра­ ничениях: где у—угол .96 анизотропии; &=2ясо/г/с — волновое число. Смешение излучений криптонового и СОг-лазеров в прустите При взаимодействии типа его, т. е. когда накачка и сигнал —не­ обыкновенные волны, а излучение на разностной частоте имеет обыкно­ венную поляризацию для обеих моделей преобразователя инфракрас­ ного излучения, эффективные нелинейные коэффициенты определяются следующим образом 1[9, 11]: d = d sin 3<р cos 6, 2 22 4 S i l l G COS e ^ ( ) [d sin (3cp — \s) I+ Ad +CTtgА 6 sin.1e], 1 ' V\+ ( t g e c o s e ) 2 . где ф — угол между осью ОХ и проекцией вектора поляризации на плоскость X0Y (см. рис. \,а, -б); 8 — угол между направлением волновых векторов взаимодействующих воли и оптической осью кристалла (угол синхронизма); <е — угол между проекциями волновых векторов накачки и сигнала на пло­ скость XOY\ 8н — угол между волновым векто­ ром накачки и оптической осью кристалла. При создании высокочувствительного при­ емника инфракрасного излучения повышение эффективности преобразования играет суще­ ственную роль. При модели коллинеарного взаимодействия эффективность преобразова­ ния можно повысить, применив оптимальную .Рис. 2. Ориентация лабора торного кристалла. фокусировку пучков накачки и сигнала в не­ линейном кристалле [9]. Д л я кристаллов, до­ пускающих 90°-ный синхронизм (у = 0 ) , фокусировку можно осуще­ ствлять сферическими линзами до дифракционных размеров W~ H r o i 4 n e 22 31 H H xy В прустите, не допускающем 90°-ного синхронизма, сферическая фо­ кусировка дает меньший выигрыш из-за сноса (вследствие анизотро­ пии) пучков поляризации е из области взаимодействия. В этом случае наибольший выигрыш может дать двумерная фокусировка цилиндриче­ скими линзами до размеров, ограничиваемых анизотропией в одном на­ правлении и дифракцией в другом ( р и с . 2 ) : W ~ltgy W ~(2hlk)^ . В модели перпендикулярного взаимодействия для увеличения эффективности взаимодействия применение цилиндрической фокусиров­ ки носит принципиальный характер [11, 12], поскольку фокусировка по осям Ох, Ох выигрыша не дает. 2 x 9 y Результаты экспериментов Схема экспериментальной установки приведена на рис. 3. В качест­ ве источника излучения накачки использовался ионный криптоновый лазер /. Д л я выделения линии излучения с Я = 0,647 мкм внутрь его резонатора помещалась брюстеровская призма. Источником излучения сигнала являлся С 0 - л а з е р 2 ( Х = 1 0 , 6 мкм). Как в коллинеарной, так и в перпендикулярной схемах исследова­ лось взаимодействие типа еео. Кристалл прустита 3 (AgsAsS.3) в форме куба среб­ ром длиной 0,9 см был .вырезан, как по­ казано на рис. 2. Волновые векторы трех взаимодействующих волн лежали в пло­ скости X0Z; таким образом, <p = jt/2, 8 = 0 . Излучение сигнала направлялось в нелинейный кристалл'через диафрагму 5 и плоскопараллвльяую'гтертниевую: . < Ьиментальпластину 6, "установленную под углом . ной установки/'^ • 2 Р и с 7 К в а н т о в а я электроника № 5(17) з ! С х е м а экспе * 97 Г. П. Арумов, Э. С. Воронин, Ю. А. Ильинский и др. 45° к оси луча. Излучение накачки вводилось в кристалл с по­ мощью алюминиевого зеркала 7 и германиевой пластины. Д л я филь­ трации излучения накачки и фона от газового разряда в труб­ ке криптонового лазера использовались призмы Глана 8, фильтры 9 и спектрограф ИСП-51 10. Излучение на разностной частоте детектиро­ валось фотоумножителем 11, работающим в режиме счета фотонов. Схема регистрации состояла из усилителя-формирователя 12 и частото­ мера 43-14 13. Были измерены эффективности преобразования при коллинеарном и перпендикулярном взаимодействии несфокусированных пучков на­ качки и инфракрасного излучения. С учетом потерь в оптической систе­ ме регистрации (ослабление в 8,2 раза) и отражения от граней кристал­ ла по инфракрасной и разностной частотам (ослабление в 1,6 раза) эффективность преобразования оказалась равной т ] | , = 2-10~ при Р = 6 мет, I = 0,9 см, W = W = W == W = . 0,125 см и т3 = 2 - 1 0 - при Р = 10 мет, ф « 3° (в кристалле), W = W = = 1 ^ = 0,1 см, W = 0>25 см. Используя оценки для компоненты d иТдисперсионные соотношений^ [12], получим 8 = 26°20', = 8 , 4 3 - - Ю - , 6 ~ 65°, ^ = 4,02-10~ . Отсюда теоретические значения коэффициентов преобразования с учетом потерь на отражение по накачке и поглощение для трех взаимодейст­ вующих волн равны Tjjj = ( 1 , 0 7 - 1 0 ~ , = 8,63• 10~ . Различие экспериментальных и теоретических значений эффективностей преобразования ( K J J J / T J U ^ ^ 5; 'Ц^1'П ~,4) можно объяснить тем, что, во-первых, оба лазера работали в многомодовом режиме, а во-вто­ рых, влиянием неоднородностей кристалла и ошибкой эксперимента, со­ ставляющей ~ 5 0 % . Сравнение теоретических эффективностей преобра­ зования коллинеарного и перпендикулярного взаимодействия дает т ^ / т ^ =12,4, что хорошо согласуется с экспериментом ( ^ ц /^ = Щ С целью повышения эффективности преобразования применялась фокусировка накачки и инфракрасного излучения при коллинеарном взаимодействии сферическими линзами: стеклянной 15 с / = 45 см и германиевой 14 с £ = 9 , 5 см (см. рис. 3). Предельные радиусы попереч­ ных сечений пучков накачки и сигнала были оценены, исходя из углов анизотропии =0,0815 рад, 7 0 = 0,0637 рад. Они составили № ~ / у = = 0,073 см, W ~l ус =0,057 см. Соответствующие радиусы пучков в фо­ кусе линз были № у = ^ н х — 0 , 0 4 5 см, W =W =0,035 см. Экспериментально измеренный] коэффициент преобразования при фоку­ сировке составил т ) * = 2 - Ю при Р я ^ 6 0 мет, что по-прежнему примерно в 5 раз меньше расчетной величины с учетом потерь [на от­ ражение по накачке и поглощения на трех длинах волн (т]* = 1,03-10~ ). Полученный выигрыш по отношению к схеме взаимодействия несфокуси­ рованных п у ч к о в = = 10 ) обусловлен увеличением плотности мощ­ ности накачки, причем выигрыш, обусловленный фокусировкой, составил порядок. 8 эксп я nx ex ny cy 9 1 э к с п н uy RZ cx 22 8 8 Н 7 9 19Лса э к с п 1 э к с п 7 н н c Н cy cx - 6 э к с п н 5 2 Пороговая чувствительность системы с преобразователем Пороговую чувствительность приемника на длине волны 10,6 мкм с преобразованием в видимый диапазон, работающего в непрерывном режиме, можно оценить следующим образом. Полагая, что порог для 98 Смешение излучений криптонового и СОг-лазеров в прустите неохлаждаемого ФЭУ на длине волны 0,689 мкм составляет 2Х! X Ю-16 вт/гц ^ (например, для ФЭУ-79), а эффективность преобразова­ теля т] = 2 ' 1 0 ~ , для пороговой чувствительности в инфракрасном диа­ пазоне имеем величину порядка NEP~lQвт/гц ' . Здесь предпола­ гается, что шумы от фоновой засветки имеют величину того ж е поряд­ ка, что и темновые шумы ФЭУ, а избыточные шумы, вызванные спонтанными процессами распада фотонов накачки, при плотностях мощности излучения накачки, использовавшихся в эксперименте, не наблюдались. Следует, однако, отметить, что в проведенных измерениях был использован ФЭУ с порогом 5 - Ю вт/гц / ; а такая аппроксима­ ция пороговой чувствительности является весьма приближенной. Эффек­ тивность преобразователя на прустите г] = 2 ' 1 0 ~ в режиме непрерывно­ го преобразования из инфракрасного в видимый диапазон, по-видимому, можно считать наиболее высокой из полученных в настоящее время. Необходимо отметить, что существует возможность увеличения ц при оптимальной фокусировке в направлении Оу (см. рис. 2), где влияние анизотропии несущественно. 1 6 i0 - 1 5 1 2 1 2 6 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. J. W а г п е г . Optoelectronics, 1, № 1, 25 (1969). 2. A. F. М i 11 о п. AppL Optics, 11, № ю, 2311 (1972). 3. Э. С. В о р о н и н , М. И . Д и в л е к е е в, В. С. С о л о м а т и н, В. В. Б а д и к о в, А. А. Г о д о в и к о в . «Квантовая электроника», под ред. Н. Г. Басова, № 1, 151 (1971). 4. Е. К. P f i t z e r , Н. D. R i c c u i s , К. J. S i e m s e n . Optics Comm., 3, № 4 , 277 (1971). о. W. С h i о n, Y. К 1 i n g e r, F . P a c e , F. A r a m s . IEEE Trans. El. Dev., ED-19, № 7, 894 (1972). 6. J. F a l k , J. M. Y a r b o r o u g h . AppL Phys. Letts, 19, № 3, 68 (1971). 7. R. F. L u c y . AppL Optics, 1 1 , № 6, 1329 (1972). 8. D. А. К 1 e i n m a n, G. D. B o y d. / . AppL Phys., 40, № 2, 545 (1969). 9. G. D. B o y d , D. A. K l e i n m a n . / . AppL Phys., 39, №. 8, 3597 (1968). 10. Г. П. А р у м о в , Э. С. В о р о н и н , В. С. С о л о м а т и н , А. А. П о п е с к у , В В. Ш у в а л о в . Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции по нелинейной оптике. Минск, 1972. 11. Е. S. V о г о n i п, А. А. Р о р е s k u, V. S. S о 1 отп a t i n, V. V. S h и v а 1 о v. Opto­ electronics, May (1973). 12. K. F. H u l m , O. L o n s , P . H. D a v i e s , M. V. H o b d e n . AppL Phys. Letts, 10, № 4, 133 (1967), Поступила в редакцию 11 марта 1 9 7 3 г.