Преобразователь частоты излучения

СОЮЗ СОВГГСНИХСОО, 1 АЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИИ Б 3/1 БРЕТЕНй 1992119/ 28,01.74 15.08.92 Институт лель ным ла, с ск рически щ и й с СР72) В.Н.Белый, Б.Бокут С.Кания эфф входная относит считыва ния 8 осью иравен: СТОТ неинонной 1/-) соз 81с- Е;сояЭ/г Е Е - главны к чениялектри, где 8 тензора ди ческой про ицаемостийХ Х4 дальни и Х. образователь по щ и й с я тем 1, очто ег 2. Пр и ч ллельно Х криспа и выпо боковые главной лектрическои ос угол Йазовогоогла талла ия меньше вел е м. 2 ени реннего от ых или пре соответст 1, о т -то его боаэован на ллельно навания. ГОСДДЕСтвЕННЦй Н 0 МИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И О 7 НРИТИЯПРИ ГНИГ СССР(71) физики АН Белор зак и А.Г,Хаткевич(54) (57) 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАИЗЛУЧЕНИЯ, выполненный из нелго кристалла в виде четырехгр г - Гк Е - Е,(Яр, = агсгд угол, полного внут для той из основн ных",волн, которой меньший показател распространении шазового согласов ь преломления при их вдоль направлениярямой призмы с основаниями, пара и главнои плоскости кристалдержащей две главные диэлект еосиХ;иХ, отличаюУя тем, что, с целью увеличе ективности преобразования,грань кристалла расположена ельно оси Х от которой отется угол фазового согласоватак, чтобы угол Ф, между это нормалью к входной грани был Преобра овл и ч а ю щ и й с я тем, что его бо ковые грани выполнены перпендикулярно главной диэлектрической оси Х кристалла, если угол фазового согласования больше величины угла полного ьнутреннего отражения ай для той из основных или преобразованных волн, которой соответствует наименьший показатель преломления при распрост ненни их вдоль направления фазов согласования. 4, Преобразователь по л и ч а ю щ и й с я тем, ковые грани выполнены пар правлению Фазового согласИзобретение относится к областицелицейцой оптики и может быть использовано в промышленной квантсвой электройике. при преобразовании часто- ты излучения ОКГ, например, при умножении частот, генерации суммарных и разцостных частот и т.д,Известен преобразователь частотыизлучения из пьезоэлектрического кристалла, выполпенцыи ц Форме четырехгранной призмы, основания которой совпадают с главной плоскость 0 кристалла и иле 0 т форму пацятлелограммя а боковые грани являются гранями .толного внутреннего отражения, причем преобразуемое излучение падает нор мально ня входну 10 Грань призмы. Б Оптически одноосном кристалле гляццалплоскость содержит оптическу 0 Ось., а в оптически двуосном - две глаьчтые диэлектрические оси. Ука.залпгь 1 й преобразователь служит дгя прел бразованил частоты неполяризованного излучения по способу Ое - р е, если он изЕОтоцлецотически Отрицательного крцстаг 1- ла,или по способу ео -е,.о, если оц изготовлен из оптически положительного кристаллаИзвестно, что в сл.,-. чае преобразования частоты излучений которые в преобразователе распространяются как обыкновенные и цеобьКновецные волны (например, ое -е 1 ли ео - +о взаимодействия), имеет мест нежелательный апертурец 1 л эффелт вследствие несовпагения лапряцг 1 нил распространения энергии этих воле, Б известном устройстве указанный недос.таток частично устрацяетсл тем, что,. поскольку направления вектороц ЗязоВой нормали ии 3 гуча Б Отрдхецной необыкновенной волны в Отличие От обыкновенной зависят ст углов пядецил на боковую грань, показателей црг - ломления кристалла и Ориентации этой грани относительно главных диэлектрических осей, то оказывается возможным не только совместить направления векторов отраженных лучей БЕ и Б 0 длл необыкновенной и обыкновеннол волн., но и выполнить условие векторного фазового согласования для преобразования частоты излучения. Это достигается выбором величины острого угла с( между одной из главных диэлектрических осей кристалла и боковой гранью преобразователя и угла 3 при оццой из вершин парягЛелограммя. Углы сА йЯ в сво 0 очередь определяются значением угла б между одной из диэлектрических осей кристалла и коллицеарцыми лучами Б 0 и БВ,Однако вследствие того, что коллицеаРцость лУчей Б и Бе обыкновенен.г и необыкновенных волн на основнойчастоте достигается на боковой грани,:"1 "е совпя 1 я 0 т уже полцосзью в про" . Яцстце ц такой стетецикотораяоггэегеллетсл величиной угла двугУчепреломлец 5 кристалла и длиной этого гУти, то происходит лишь частичноеуст ранен Нежеательцо го апертурногоэейекта, ти как совмег,":ие лучей Бои Б, на боковой граи; це дает возможности гЯльнейшему увеличению степенинесовпадения пучков обыкновенных ичцоб 05 еОцее 1 ных Волн. Поскольку коллицеарность лучей Бо и Бр Обыкцовен 11 ыл 1 л цеобекцОценнЕэх воле на основ Д 25 цой частоте достигается Внути кристалла цри отражении от боковой гранилб и .Илщь после этой гРЯНИ Волны РаспРостраняются в аправлении Вязового соглясоца 11 ил то рабочим участком, нэ. ко горол происходит преобразование частоты лзлученил лВллется Отцезок гу-.и, проходимый излучением между боковыми гранями, На других отрезках пу ги излучения в крлсталле преобразование частоты излучения не происходл-, Кроме этого, на выходе из кристалла пучок непреобразовацного излучеел изменяет свою структуру и попе- Р:-"1 ЫЕ 1 РЯЗГЕТЫ Ц ПЛОСКОСТИ В КОТОРОИ происходит снос энергии в сторону длл необыкновенной волны в кристалле.3 гт зачясту 10 приводе 1 т к зя трудеенилм при дальнейнем использовании цегереобре 1 зовацеОго излучения (напри:лер, при каскадном преобразоваеИи),Целью изобретения лвллется разра - ,сцбстка такого оптического преобразователл частоты у которого при одновременном полном устранении нежелательных апертурных эфФектов преобразование частоты излучения происходило бьБца всем пути, коорый проходит прсобраэуемое излучение внутри г;реобрязоцателл, 1 ем сам 1 при одинаковых габарит:".х предлагаемого устройства и 1 г т.е, после прохождения некоторогоучастка пути между цходно 1 л гранью и боковой, где эти лучи не коллинеарны, а следовательно пучки обыкноценцьх 1 необьц(11 овецных волн 1 асхОД 5 тел5179 б 7 Е, - ГЕ Е, - Ек (К - Ез ) соя 6, 3Ц.) агсц а 8 С- ГЕЕ, - Е(Е, - я, ) соз 2 В, 1 а 2. прототипа повышается КПД процесса преобразования,Эта цель достигается таким выбором угла падения излучения ня входную грань преобразователя и положения этой5 грани Относительно главной диэлектри - ческой оси кристалла, от которой отсчитывается угол фазового согласования (в случае одноосцого кристалла оптической оси), что преобразуемое излучение распространяется ца всем пути вцутри преобразователя под углом Фазового согласования, причем лучевые векторы преобразуемых Волн остаются все время коллицеарцыми.На фиг.1-3 дан предложенный преобразователь частоты излучения.Здесь: 1 и 2 - боковые грани преобразователя, 3 и 1 - соответственно 20 входная и выходная грани преобразователя, 00 и 00 - главные диэлектрические оси кристалла, ОО - оптическая ось в случае одноосцого кристалла, р - угол падения преобразуемого 25 излучения на входную граць, 1) - угол фазового согласования, и - угол между оптической осью кристалла и нормалью к Входной и выходной граням.Па фпг.1 показан ход лучей обык- , 30 цовеццых и цеобыкцовецць)х волн на оснонной частоте, когда боковые грани 1 и 2 преобразователя параллельны направлению фазового согласования, а на фиг.2 и 3 - когда эти грани являются гранями полного внутреннего отражения и либо перпендикулярны, либо параллельны главной диэлектрической где Е;, Е , Е 1, - главные значения тензора диэлектрической проницаемости кристалла вдоль осей Х Х и Хк, При этом преобразуемое излучение должно падать на входную грань 3 преобразователя под углом Д, который должен удовлетворять условию равенства тангенциальных составляющих векторов рефракции падающей и одной из преломленных волн в кристалле при распространении этой волны в кристал 55 ле в направлении, определяемом условием векторного фазового согласования с параллельными лучевыми векторами. Положение боковых граней 1 и 2 отоси кристалла ОО) (в случае Одцоосного кристалла - оптической оси 00 ), от которой Отсчитывается угол фазового согласования 8 (ца чертежах эти грани перпендикулярны оси 001 /011),Преобразователь частоты излучения выполнен в виде четь)рехгряццой пря- мОЙ призмы) прОтиВОлежящке Гра 1.и которой параллельны друг другу, причем грани 1 и 2 являются боковыми, гран)п 3 11 1 Б)Одной 11 Быхс)дцой граням)1, я Основания призмы пяряллельцы главной плоскости кристалла,. содержащей в себе в случае оптически одцоосцого кристалла оптическую Ось ОО , я в случае оптически двуосцого кристалла - две главные диэлектрические оси 001 и ОО, Входная 3 и выходная 4 грани располагаются таким образом, чтобы угол ч между нормалью к этим граням и оптической осью кристалла (или главной диэлектрической осью, от которой отсчитывается угол фазового согласования, для двуосного кристалла) удовлетворял условию равенства тангецциальных составляющих векторов рефракции обыкновенных и необыкновенных волн в кристалле прц распростра 11 ении их вдоль направления векторного фазового согласования и параллельности их лучевых векторов Бо и Бе. Это требование определяет угол ю, между главной оптической осью кристалла Х и нормалью к входной и выходной граням преобразователя: носительно входной 3 и вь 1 ходной 4граней определится в этом случае, исходя из конкретных условий напримерразмерами кристалла, его внешнейформой, расположением его диэлектрических осей относительно естественныхграней и т.д. У преобразователяафиг.1 боковые грани 1 и 2 выполце.ыпараллельно направлению фазового согласования. У преобразователей цафиг,2 и 3 грани 1 и 2 выполнены в виде граней полного внутреннего отракения и должны быть либо параллельныглавной диэлектрической оси кристалла, от которой отсчитывается угол Фа 5179 б 7зового согласования 6 (в случае одноосного кристалла - оптической оси), если угол 9 при преобразовании излучения с коллинеарными внутри ггеобра 5 зователя лучами Бо и Бе меньше величины Ф/2 - ж), где у - угол полного внутреннего отражения для той из преобразованной или основных волн, которой соответствует наименьший показатель преломления при распространении их вдоль направления фазового согласования, либо перпендикудярны этой оси кристалла, если угол фазового согласования О больше величинь У . При этом преобразователь нафиг.2 соответствует четному числу отражений от граней полного внутреннего отражения 1 и 2, а на фиг.3 - нечетному. Например, в случае преобразова,ния частоты излучения неодимового ОКГ во вторую гармонику на кристалле КДР по способу ое -ф е угол фазового согласования равен 9 = 59 32 Угол между оптической осью и нормалями 25 к входной 3 и выходной 4 граням составляет 70 37, Угол падения р излучения неодимового ОКГ на входнуюр 1 грань 3 должен быть равным 1 б 40 Зная эти величины и исходя из требований практики, выбирается один из трех видов предлагаемого преобразователя, показанный на фиг.1, 2 и 3.Работа преобразователя осуществляется следующим образом.Преобразуемое излучение падает под35 углом Р на грань З,и после преломления внутри кристалла распространяются обыкновенные и необыкновенные волныс параллельными лучевыми векторами Яо и Бе, которые образуют угол фазового согласования 8 с главной диэлектрической осью кристалла 00 (в случае одноосного кристалла - оптической осью ОО ). При этом в кристал-ле будет осуществляться процесс нелинейного частотного преобразования. Если преобразователь изготовлен, как указано на фиг.1, то основное и преобразованное излучения падают на выходную грань 4 и выходят из преоб 50 разователя. Если же преобразователь устроен, как показано на фиг.2 или 3, то, поскольку главная диэлектрическая ось, от которой отсчитывается угол фазового согласования (в случае одноосного - кристалла - оптичес" кая ось), лежит в плоск.сти падения.и либо перпендикулярна, либо параллельна граням 1 и 2, после полноговнутреннего отражения на грани 1 лучевые векторы обыкновенных и необыкновенных волн на основной частоте останутся параллельными друг с другом,а эти волны будут распространятьсяпо-прежнему в направлении векторногофазового согласования. Лналогичноепроизойдет на грани 2. Число полныхвнутренних отражений на гранях 1 и 2может быть любым и определяется размерами кристалла. Из всего сказанного следует, что на всем пути распространения излучения в преобразователебудет происходить процесс преобразования частоты, причем нежелательныйапертурный эффект будет устранен. Излучение на основой частоте выходитиз преобразователя под углом к нормали к выходной грани 4, р;вным углу паденияна входную грань 3, Выходнаягрань 4 может служить и входной гранью, а грань 3 будет в этом случаевыходной гранью.Следует отметить, что, посколькув преобразователе частоты направленияраспространения энергии обыкновенныхи необыкновенных волн совпадают, то навыходе структура и поперечные размеры пучка излучения будут идентичнымис размерами пучка на входе в преобразователь. Это позволяет использовать далее непреобразованное излучение, например, для каскадного преобразования.Вследствие несовпадения направления распространения энергии волныпреобразованного излучения с направлением распространения энергии обыкновенных и необыкновенных волн основного излучения внутри преобразователяпри соответствующих его размерах ипоперечных размерах пучка основногоизлучения может достигаться пространственное разделение преобразованногои основного излучений. Это дает возможность в некоторых случаях помещать предлагаемый преобразовательчастоты внутрь резонатора ОКГ с глухими зеркалами, и выводить преобразованное излучение из резонатора беэиспользования обычно употребляемыхдисперсионных, селективно отражающихи других элементов, что значительноуменьшает потери преобразованного излучения,517967 Ге реши едактор Е,Гиринская Техред М.Моргент оррект ГКНТ ССС Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,10 аказ 3471 ТиражНИИПИ Государственного комите та по изо 1 3035, Москва, Ж, Р