Преобразователь частоты излучения

 

Ь ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ, выполненный из нелинейного кристалла в виде четырехграннойпрямой призмы с основаниями, параллельными главной плоскости кристалла >&, содержащей две главные диэлект-' рические оси Х^иХ:, отличающийся тем, что, с целью увеличения эффективности преобразования, входная грань кристалла расположена относительно оси Х^, от которой отсчитывается угол фазового согласования 0; , так, чтобы угол V^^ между этой осью и нормалью к входной грани был равен?

СОНЗЗ СОВЕ ГСНИХ

СОЩ4АЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИИ Я1 Н 01 S 3/1О

GCVQAPCTHEHHblA НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И О7НРИТийц

ПРИ ГНИ Г СССР

1/2 Я, - (8g E — E„(E „— 6 ) cos 8 ) у, = arctg с 6

1 ) cos 8 j гг J (21) 1992119/25 (22) 28. 01. 74 (46) 15. 08. 92. Бюл. Р 30 (71) Институт физики АН Белорусской

ССР (72) В.Н.Белый, Б.В.Бокуть, Н.С.Казак и А.Г.Хаткевич (53) 621.375.8 (088.8)

j (54) (57) 1 . ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

ИЗЛУЧЕНИЯ, выполненный из нелинейного кристалла в виде четырехгранной где 8 Е E — главные значения к тензора диэлектрической проницаемости вдольнй осей Х,, Х.

J и Х„.

2. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что его боковые грани выполнены параллельно главной диэлектрической оси Х „ кристалла, если угол фазового согласовал ния меньше величины — — — Х, гдемугол, полного внутреннего отражения для той из основных или преобразованных:,волн, которой соответствует наи— меньший показатель преломления при распространении их вдоль направления фазового согласования. прямой призмы с основаниями, параллельными главной плоскости кристалла, содержащей две главные диэлект- рические оси Х; и Х> о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения эффективности преобразования, входная грань кристалла расположена относительно оси Х,, от которой отсчитывается угол фазового согласования 8,, так, чтобы угол Ф, между этой осью и нормалью к входной грани был равен:

3. Преобразователь по п,1, о т— л и ч а ю шийся тем, что его боковые грани выполнены перпендикулярно главной диэлектрической оси Х „ кристалла, если угол фазового согласования больше величины угла полного ьнутреннего отражения а» для той из основных или преобразованных волн, которой соответствует наименьший показатель преломления при распространении их вдоль направления фазового согласования.

4. Преобразователь по и. 1, о т— л и ч а ю шийся тем, что его боковые грани выполнены параллельно направлению сЬазового согласования.

S17967

Изобретение относ1лтся к области нелинейной оптики и может быть использовано в промышленной квантсвой электронике при преобразовании часто- ты излучения ОКГ, например, при умножении частот, генерации суммарных Il разностных частот и т.д, Известен преобразователь часто"1,i излучения из пьезоэлектрического кристалла, выполненный.в форме четырехгранной призмы, основания которой совпадают с главной ппоскостью кристалла и имеют форму и;7.раззлелогра1".. ля., а боковые грани являются гранями г1опного внутреннего отражения, причем преобразуемое излу 1ение падает «ор-мально на входную грань призмы. Б оптически одноосном кр1лсталле главная плоскость содержит оптическую ocl, а в оптически д1зуосном — две главные диэлектрические оси. Ука.заппгь1й пре".бразователь служит дг1я пре .бра".ОВЯ",èEI частоты 11еполяризованного излучения по способу Ое — р е, если он иззотовлен из оптически Отрицательного крист="-ilла,ипи по способу ео -з,.о, если оп изготовлен из оптически положит(льного кристалла..Известно, что в сл,-чае преобразования частоты нз.ггу ений,. которые в преобразователе распространяются как обыкновенные и необыкновенные волны (например, ое — 7 е 11ли ео — +о взаимодействия). Имее.. мг:стс> нежелательный апертурн111л эффект

Вследствие несОВnBГ1ения кяlIряв„ iения распространения энерг1лзл этих 13ОЛН, Б известном устройст1зе указанный недо,.—. .таток частично устраняется тем, что,. поскольку направления векторов фа 30

ВОЙ HopMGJIH n и згуча S 0 pnll;",ciiêÎEI необыкновенной волны в Отличие От обыкновенной зависят ст угл(7В падения на боковую грань, показателей пргломления кристалла и ориентации это:-1 грани относительно главных диэлектрических осей, то оказывается возможным не только совместить направления векторов отраженных лучей Бе и Б» для необыкновенной и обыкноненно1л волн но и выполнить условие векторного фазового согласования для преобразования частоты излучения. Это достигается выбором величины острого угла (( между одной из главных диэлектрических осей кристалла и боковой гранью преобразователя и угла 8 при одной из вершин параллелограмма. Углы rÕ и

g в свою очередь определяются значением угла 8 между одной из диэлектрических осей кристалла и коллинеарными лучами S(7 и Яе, Однако вследствие того, что коллииеарность лучей SD и So обьп(повенН1.г(и необыкновенных волн на основной частоте достигается на боковой грани, 1Г1 т. е. после прохождения некоторого участка пути между г>ходно1л гранью и боковой, где эти лучи не коллинеарHbi 7 а сзгедОВ Я тельно,. ?T)÷l(II О бык110 D e ê нь!х II необьп(гlОвепных ВОлн рЯсхОДятс"-" "1 :.1Е СОВПЯДЯЮТ У73(Е ПОЛНОС I ÜIO В ПОО стрг1нстве в такой стет-ени„которая

0n 17eäpëÿeòciI величиной угла двулучепр ломления кристалла и длиной этo* го ггути, то происходит лишь частичное устранение нежелательного апертурного эффекта, т(п(ка-; совмег",.:ие лучей S(7 и:эв на боковой 1 ран13 11е дает воэможности дальнейшему увеличению степени неси1зпадения пучков обыкновенных и об1п(но1зеннь17(волн. Поскольку коллинсарность лучей S(7 и Sp Обыкновен11ы"(и не- (7О1лк!1013енных EIQJIEI IIG ocH( Зг1

110й чястo I.с дОстигяется Внутр7и кристалла при отраже1н1и от боковой грани

-яб и .:1IItili) после этой грани волны распро:.траняются в направлении Базового . oгласования,. то рабочим участком, ня. ,„ гором происходит преобразование чя1 тоты 1лзлу-ченкя, является 0ТрепоК

1-у.-.и, проходимый излучением между з,, боковыми гранями, На других отрезках пу li излучения в кр1лсталле преобразовян1ле гастоты излучения не происхо;.гн .. <РОМЕ ЭТОГО, Íà ВЫХОДЕ ИЗ КРИСталла пучок непреобразованного излу J. че11г.-:.я изменяет свою структуру и попеРЗЧНй1Е 1РЯЗМЕРЫ В П IOCI(OCTII > 13 КОТОРОИ

Н17(71л(ходит снос энергии в сторону дпя необыкновенной волны в кристалле.

3 О зячястую г1ривод1IT к зя TO7 днени ям при дяльней1пем использовании непрсобразованного излучения (нагп7и:лер, при каскадном преобразовани1л) .

Целью ИЗООретения явзеяется рязря .св бстка такого оптического преобразователя частоты., у которого при одновременном полном устранении нежелательных апертурных эффектов преобразование частоты излучения происходило бь1

„7.7

«я всем пути, ко орый пвохоцит прсобрязуеMop- излучение внутри ГlреОбрязоanтеля. 1ем самым при одинаковых габарит:.:," предлагаемого устройства и

517967 (Е,— E f, Е, — Ек (Е с Ез ) cos 6() ! тl arctg Я 9

С„ — f6g C; — Ef, (Я; — ) cos 8, /т прототипа повышается КЛД процесса преобразования.

Эта цель достигается таким выбором угла падения излучения на входную грань преобразователя и положения этой

5 грани относительно главной диэлектри— ческой оси кристалла, от которой отсчитывается угол фазового согласования (в случае одноосного кристалла оптической оси), что преобразуемое излучение распространяется на всем пути внутри преобразователя под углом тЬазопого согласования, причем лучевые векторы преобразуемых волн остаются все время коллинеарными.

На фиг.1-3 дан предложенный преобразователь частоты излучения.

Здесь: 1 и 2 — боковые грани преобразователя, 3 .и А — соответственно 20 входная и выходная грани преобразонаООт и 00 — главные диэлектриf ческие оси кристалла, 00 — оптическая ось в случае одноосного кристалла, р — угол падения преобразуемого 25 излу гения на входную грань, 8 — угол фазового согласования, т- — угол между оптической осью кристалла и нормалью к входной и выходной граням.

Иа фиг.1 показатт ход лучей обык- ., 30 новенных и необыкновенштх 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 Я;, Е, 1, — главные значения тензора диэлектрической проницаемости кристалла вдоль осей Х,, Х и Х .

При этом преобразуемое излучение должно падать на входную грань 3 преобразователя под углом !3, который должен удовлетворять условию равенства тангенциальных составляющих векторов рефракции падающей и одной из преломленных волн в кристалле при распространении этой волны в кристал55 ле в направлении, определяемом условием векторного фазоного согласования с параллельными лучевыми векторами. Положение боковых граней 1 и 2 отоси кристалла ОО (в случае одноосного кристалла — оптической оси 00 ), 1 от которой отсчитывается угол фазо— ного согласования 8 (на чертежах эти грани перпендикулярны оси ОО., /00 ).

Преобразователь частоты излучения выполнен н виде четырехгранной ттрямой призмы, противолежащие грани которой параллельны друг другу, при:тем грани 1 и 2 являются боковыми, грат*. ï

3 и т тт.,однотт и ныходт)ой тзанями

ocêоваттт"я призмы параллельны главной плоскости кристалла,. содержаг;ей в себе в случае оптически одноосного

1 кристалла оптическую ось ОО, а в случаp оптически двуосного кристалла — две главные диэлектрические оси ООт и ОО . Входная 3 и ныходная

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 тангенциальных составляющих векторов рефракции обыкновенных и необыкновенных волн в кристалле при распростраттении их вдоль направления векторного фазового согласования v. параллельности их лучевьгх векторов

So u Se.

Это требование определяет угол между главной оптической осью кристалла Х„ и нормалью к входной и выходной граням преобразователя: носительно входной 3 и выходной 4 граней определится в этом случае, исходя из конкретных условий например размерами кристалла, его внешттей формой, расположением его диэлектрических осей относительно естестненных граней и т.д. У преобразователя а фиг.1 боковые грани f и 2 выполне.ы параллельно направлению фазового согласования. У преобразователей на фиг.2 и 3 грани 1 и 2 выполнены в ниде граней полного внутреннего отражения и должны быть либо параллельны главной диэлектрической оси кристалла, от которой отсчитывается угол фа51 7967 зового согласования (в случае одноосного кристалла — оптической оси), если угол 9 при преобразовании излучения с коллинеарными внутри г еобра5 зователя лучами S и Бе меньше величины (i /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 величины а . При этом преобразователь на Лиг.2 соответствует четному числу отражений от граней полного внутреннего отражения 1 и 2, а на фиг.3 — нечетному. Например, в случае преобразова-2О ,ния частоты излучения неодимового

ОКГ во вторую гармонику на кристалле

КДР по способу ое - е угол фазового

:согласования равен 8 = 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 входную р 1 грань 3 должен быть равным 16 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 под

35 углом Р на грань 3, и после преломления внутри кристалла распространяются обыкновенные и необыкновенные волны с параллельными лучевыми векторами

S и Бе, которые образуют угол фазового согласования 8 с главной диэлектрической осью кристалла 001 (в случае одноосного кристалла — опти1 ческой осью 00 ). При этом в кристал- „

;ле будет осуществляться процесс не линейного частотного преобразования.

Если преобразователь изготовлен, как указано на фиг.1, то основное и преобразованное излучения падают на выходную грань 4 и выходят из преоб50 разователя. Если же преобразователь устроен, как показано на фиг.2 или

3, то, поскольку главная диэлектрическая ось, от которой отсчитывается угол фазового согласования (в слу-55

4 чае одноосного — кристалла — оптичес" кая ось), лежит в плоскости падения.

I и либо перпендикулярна, либо параллельна граням 1 и 2, после полного внутреннего отражения на грани 1 лучевые векторы обыкновенных и необыкновенных волн на основной частоте останутся параллельными друг с другом, а эти волны будут распространяться по-прежнему в направлении векторного фазового согласования. Лналогичное произойдет на грани 2. Число полных внутренних отражений на гранях 1 и 2 может быть любым и определяется размерами кристалла. Из всего сказанного следует, что на всем пути распространения излучения в преобразователе будет происходить процесс преобразования частоты, причем нежелательный апертурный эффект будет устранен. Излучение на основой частоте выходит из преобразователя под углом к нормали к выходной грани 4, р;.вным углу падения 3 на входную грань 3. Выходная грань 4 может служить и входной гранью, а грань 3 будет в этом случае выходной гранью.

Следует отметить, что, поскольку в преобразователе частоты направления распространения энергии обыкновенных и необыкновенных волн совпадают то на

1 выходе структура и поперечные размеры пучка излучения будут идентичными с размерами пучка на входе в преобразователь. Это позволяет использовать далее непреобразованное излучение, например, для каскадного преобразования.

Вследствие несовпадения направления распространения энергии волны преобразованного излучения с направлением распространения энергии обыкновенных и необыкновенных волн основного излучения внутри преобразователя при соответствующих его размерах и поперечных размерах пучка основного излучения может достигаться пространственное разделение преобразованного и основного излучений. Это дает возможность в некоторых случаях помещать предлагаемый преобразователь частоты внутрь резонатора ОКГ с глухими зеркалами, и выводить преобразованное излучение из резонатора беэ использования обычно употребляемых дисперсионных, селективно отражающих и других элементов, что значительно уменьшает потери преобразованного излучения. !

517967

Редактор E,Ãèðèíñêàÿ Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор П. Гереши

Заказ 3471 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1!3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101