Способ повышения эффективности генерации оптических гармоник излучения ИК диапазона
генерация гармоник газовые смеси фемтосекундный лазер
Изобретение относится к нелинейной оптике. Газы и их смеси активно применяют в качестве нелинейной среды для генерации оптических гармоник высокоинтенсивным лазерным излучением. Использование газовой смеси в отличие от монокомпонентной среды позволяет управлять условиями фазового согласования между излучением накачки и гармоник и обеспечивать нулевую расстройку волновых векторов (полное фазовое согласование) за счет эффективного изменения показателя преломления для излучения накачки, что достигается за счет использования среды с резонансом. В таком случае малое изменения давления приводит к существенному изменению показателя преломления и, как следствие, условий фазового согласования.  Технический результат заключается в повышении эффективности генерации оптических гармоник фемтосекундного излучения среднего ИК диапазона в 25 раз для третьей гармоники и в 10 раз для пятой гармоники при использовании газовой смеси по сравнению с монокомпонентной средой.
Изобретение относится к нелинейным преобразователям частоты лазерного излучения ультракороткой длительности и касается вопросов преобразования ультракоротких лазерных импульсов в третью и пятую гармоники. Оно может быть использовано для диагностики режима взаимодействия лазерного излучения с газовой средой в процессе генерации оптических гармоник в том числе высокого порядка.
Известен способ управления эффективностью генерации оптических гармоник в газах за счет изменения давления. Как правило, в таком случае используется монокомпонентная среда. Для процесса генерации оптических гармоник низкого порядка излучением среднего ИК диапазона дисперсия среды положительна. Генерируемая плазма вносит также положительную фазовую расстройку. Таким образом, основным недостатком такого метода оптимизации является невозможность в общем случае получить нулевую расстройку волновых векторов [Райнтжес Д. Нелинейные оптические параметрические процессы в жидкостях и газах: Пер. с англ. М.: Мир, 1987. 512 p.].
Задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности генерации гармоник высокоинтенсивным излучением среднего ИК диапазона в газах.
Для решения поставленной задачи предложен способ, заключающийся в использовании смеси газов, один из которых содержит резонанс с излучением накачки. В таком случае может быть подобрана комбинация длин волн, распределенная вокруг резонанса, которая обеспечивает фазовое согласование для процесса генерации гармоник. Кроме того, так как оптимизация фаз достигается за счет подбора плотности одного из газов (линейной) среды, то дополнительно эффективность преобразования может быть увеличена за счет увеличения давления второй (нелинейной) среды.
На Фиг. 1 изображена зависимость показателя преломления смеси газов ксенон-углекислый газ. Добавление молекул углекислого газа позволяет уменьшить фазовую расстройку для процесса генерации гармоник в случае, если излучение накачки находится в длинноволновой части ИК резонанса углекислого газа. В таком случае, увеличение показателя преломления в видимом и ближнем ИК диапазонах может быть компенсировано дисперсией молекулярного резонанса углекислого газа в ИК области. 
  
Фиг. 1
Схема преобразования импульса в излучение гармоник, реализующая данный способ, показана на Фиг.2. Она включает фемтосекундный лазер (1), фокусирующую (2) и коллимирующую (4) оптику и газовую кювету (3). Было проведено исследование данного способа преобразования лазерного импульса в оптические гармоники. Эксперименты проводились с использованием фемтосекундной лазерной системы на кристалле селенида цинка легированного железом. Длина волны лазерной системы составляла 4,45 мкм, что позволяло использовать углекислый газ для увеличения эффективности генерации. В качестве основного газа использовался ксенон или аргон. Для экспериментов использовалась кювета длиной 11 см, оснащенная CaF2 окнами. Интенсивность лазерного излучения в перетяжке составляла порядка 20 ТВт/см2. Перетяжка располагалась в центре кюветы. 
 
Фиг. 2
На Фиг. 3 изображена зависимость выхода третьей и пятой гармоник от давления углекислого газа. Видно, что добавление порядка 1 – 1,5 атм приводит к значительному увеличению эффективности генерации гармоник. Максимальное увеличение эффективности составило 25 и 10 раз для третьей и пятой гармоник соответственно. Кроме того, при добавлении 1 атм углекислого газа наблюдалось появление седьмой, девятой и одиннадцатой гармоник, которые не были зарегистрированы в чистом газе. 
  
Фиг. 3
Диагностика режима взаимодействия лазерного излучения с газовой средой, мультиспектральные схемы воздействия лазерного излучения на вещество
Екатерина
Мигаль
Александровна
Руководство
Отсутствует
Отсутствует
-
-
РОССИЯ
Екатерина
Мигаль
Александровна
Руководство
РОССИЯ
29.33.49
Лазерная спектроскопия
01.03.SY
OPTICS
Екатерина
Мигаль
Александровна
основной
РОССИЯ
Екатерина
Мигаль
Физическое лицо
РОССИЯ
Екатерина
Мигаль
Александровна
Физическое лицо
РОССИЯ