Oscilatoare parametrice optice

INTRODUCERE

Apariția unui astfel de compartiment al fizicii cum ar fi "optica neliniară" este strâns legată de invenția generatoarelor cuantice optice (lasere). Înainte de inventarea laserelor, în cadrul experimentelor, erau folosite fasciculele de lumină, puterea câmpului electric al cărora era mult mai mică decât câmpurile intra-atomice și intramoleculare. În prezent, intensitatea laserelor moderne de mare putere atinge 1020 W/cm2 sau chiar mai mult și se dovedește a fi comparabilă cu intensitatea câmpului electric din interiorul atomilor. În consecință, utilizarea surselor de lumină laser cu o astfel de intensitate conduce la apariția unor noi efecte optice neliniare.

Legile clasice (liniare) ale propagării a luminii și interacțiunii acesteia cu mediul, și anume propagarea rectilinie a luminii într-un mediu omogen, lipsa interacțiunii fasciculelor luminoase la intersecția lor, absorbția liniară a luminii în medii optic transparente etc. nu sunt valabile în cazul intensității ridicate a radiațiilor.

Cauza principală a acestor abateri de la legile opticii clasice este apariția și manifestarea efectului auto-acțiunii luminii. Auto-acțiunea luminii reprezintă modificarea caracterului propagării luminii într-un mediu optic neliniar, datorită dependenței proprietăților mediului de intensitatea radiației incidente. Există două tipuri de auto-acțiune a luminii. Primul tip este asociat cu fenomenul de refracție neliniară (curbare) a razelor, conducând la auto-focalizarea sau defocalizarea luminii. Pentru cel de-al doilea tip de auto-acțiune este specifică absorbția neliniară și procesele multi-foton.

Prin urmare, la propagarea unei radiații suficient de intense într-un mediu, pot fi observate următoarele fenomene optice neliniare:

- Detectarea optică;

- Generarea armonicilor;

- Generarea parametrică a luminii;

- Auto-focalizarea și defocalizarea luminii;

- Împrăștierea forțată a luminii;

- Dispariția frontierei roșii a foto-efectului;

- Înălbirea sau întunecarea mediului;

- Efectul saturației;

- Auto-compresia impulsurilor luminoase;

- Solitonii optici;

- Inversarea frontului de undă;

- Efectele bistabilității și multistabilității optice;

OSCILATORUL PARAMETRIC OPTIC

Un cristal neliniar supus la o undă intensă de frecvență ω1 se poate comporta ca un amplificator optic la o frecvență inferioară ω2 și această amplificare este inseparabilă de generarea în mediu a unei a treia unde de frecvență . Ca atare, un asemenea cristal poate fi utilizat, în același mod ca un amplificator cu inversie de populație, pentru a realiza un oscilator parametric optic.

Presupunem, în continuare, că este îndeplinită condiția de acord fază și ne plasăm în cazul în care interacția parametrică este puțin eficace, astfel încât . Neglijând variația spațială a amplitudinii E1 a câmpului pompă, obținem:

(1)

și

(2)

unde

, cu (3)

Se observă că amplitudinile E2 și E3 din ecuațiile (1) și (2) joacă roluri total simetrice. Există, într-adevăr, o amplificare încrucișată a celor două câmpuri E1 și E2, fiecare servind ca termen sursă pentru amplificarea celuilalt. În cazurile în care acestea nu se disting, vor fi calificate în mod colectiv de câmpuri semnale. Oscilatorul parametric optic în inel este schematizat în figura 1.

Fig. 1. Oscilatorul parametric optic în inel.

Acesta este constituit dintr-un cristal neliniar de lungime L în care are loc interacția parametrică. Cristalul este inserat într-o cavitate optică de lungime L′, delimitată de oglinzile O1 și O3, care sunt totalmente reflectătoare pentru frecvențele ω2 și ω3 și de o oglindă de ieșire O2 de coeficient de reflexie R, care este puțin diferit de 1. Pentru simplificarea prezentării s-a presupus că avem o cavitate în inel. Ansamblul (cavitate + cristal) este pompat de un câmp laser intens la frecvența ω1 (oglinda O1 transmite perfect această undă, care ajunge la suprafață de intrare a cristalului fără a fi perturbată). Condițiile de oscilație ale oscilatorului parametric optic se obțin considerând că regăsim câmpul identic cu el însuși, în fază și în amplitudine, la capătul unui tur în cavitatea optică. Astfel, condiția de oscilație asupra fazei se obține scriind că faza câmpurilor semnal rămâne neschimbată (de modul 2π) după un tur în cavitate, rezultând relațiile: