Условие волнового синхронизма

Рассматривая генерацию второй оптической гармоники, будем полагать, что направления волны накачки и вторичной волны совпадают и что, следовательно, все фотонные импульсынаправлены в одну и ту же сторону. В этом случае векторное равенство можно заменить скалярным:

(4.1)

где и — импульсы соответственно первичного и вторичного фотонов.

В случае среды в соотношение для импульса фотона надо ввести показатель преломления среды (зависящий от частоты):

(4.2)

Используя (4.2), а также (3.1), перепишем (4.1) в следующем виде:

или после сокращения одинаковых множителей:

(4.3)

Это и есть условие волнового синхронизма для процесса генерации второй гармоники. Согласно условию (2.3) для эффективной передачи световой энергии от волны накачки во вторичную волну (иначе говоря, во вторую гармонику) необходимо равенство показателей преломления для рассматриваемых световых волн.

В общем случае равенство (2.3), разумеется, не выполняется (из-за явления дисперсии света). Поэтому возникает важный в практическом отношении вопрос: каким образом можно обеспечить выполнение условия (2.3)? Удовлетворительный ответ на этот вопрос был найден не сразу. Ответ этот оказался весьма интересным — он основывался на использовании зависимости показателя преломления света от направления в кристалле.

Возьмем одноосный кристалл. На рисунке 6 представлены индикатрисы отрицательного одноосного кристалла, причем изображенные сплошными линиям соответствуют частоте , изображенные пунктиром частоте . В точках А и А1 происходит пересечение индикатрисы обыкновенной волны с частотой и индикатрисы необыкновенной волны с частотой .

Это означает, что если выбрать, например, направление АА (оно составляет некоторый угол с направлением главной оси кристалла), то для световых волн, распространяющихся в данном направлении, будет выполняться условие:

(4.4)

Это есть условие синхронизма для процесса генерации второй гармоники, в котором волна накачки является обыкновенной волной, а вторая гармоники — необыкновенной волной. Направление АА называют направлением синхронизма для рассматриваемого процесса.

Итак, что же надо сделать, чтобы осуществить процесс генерации второй оптической гармоники?

Для этого надо прежде всего взять одноосный кристалл с достаточно высоким значением нелинейной восприимчивости (Это может быть, например, отрицательный одноосный кристалл дигидрофосфата калия КН₂Р0₄.) Кристалл должен быть вырезан в виде, например, прямоугольного параллелепипеда, ось которого совпадает с направлением синхронизма для данной частоты v волны накачки. Для получения волны накачки надо использовать лазер. При этом необходимо, чтобы волна накачки была плоскополяризованной и чтобы ее плоскость поляризации была перпендикулярна к плоскости главного сечения нелинейного кристалла (плоскости, проходящей через главную ось кристалла и ось параллелепипеда). Такая поляризация волны накачки необходима для того, чтобы эта волна сыграла роль обыкновенной волны (плоскость поляризации обыкновенной волны как раз перпендикулярна к плоскости главного сечения).

Если эти условия будут выполнены, то при распространении в нелинейном кристалле волны накачки с частотой возникает дополнительная световая волна — вторая оптическая гармоника. Направление распространения этой волны будет совпадать с направлением волны накачки (впрочем, возможно также и обратное направление), частота будет вдвое больше, а плоскость поляризации будет совпадать с плоскостью главного сечения, что характерно для необыкновенной волны. При использовании нелинейных кристаллов длиной в несколько сантиметров удается перевести во вторую гармонику более 10% световой энергии волны накачки.