Мощные сверхбыстрые источники среднего инфракрасного диапазона с длиной волны 2–5 мкм на основе двухволнового источника — Часть 3

2 Теория и моделирование среднего инфракрасного диапазона на основе генерации разностной частоты кристалла PPLN

Процесс генерации сверхкоротких импульсов среднего инфракрасного диапазона в кристалле PPLN (www.wisoptic.com) описывается уравнением трехволновой связи:

А_я(С,т)представляет собой комплексную амплитудуя-й пульс,я = 1, 2 и 3 представляют холостой, сигнальный и накачивающий свет процесса разностной частоты соответственно.С — расстояние вдоль направления распространения оптического света внутри кристалла PPLN.т представляет собой относительную временную координату, заданную какт=т-С/в_г,П,гдев_г,я =мес._я/Мк_япредставляет групповую скоростья-й пульс.б_2,я дисперсия групповой скоростия-й пульс.ой_я ин₂ представляют собой угловую частоту и показатель преломленияя-й импульс, соответственно.с — скорость света в вакууме.д_эфф — эффективный нелинейный коэффициент, который в PPLN равен -27,2 пм/В. Δк =к₃ −к₂ −к₁, представляет собой фазовое рассогласование. Соотношение между ∆к и период поляризации PPLN Λ удовлетворяет условию |∆к| =2п/Л.

Когда длина волны накачки составляет 1,03 мкм, соответствующий период поляризации PPLN изменяется от 30,6 мкм до 22 мкм, в то время как выходная холостая длина волны изменяется от 2,1 мкм до 6 мкм (длина волны сигнала от 1,24 мкм до 2,02 мкм). Для исследования нелинейного взаимодействия между накачкой и сигнальным светом в кристалле PPLN мы использовали метод Фурье с разделенными шагами для решения уравнений 1-3. На рисунке 2 представлены графики выходной энергии холостого хода в зависимости от энергии накачки при изменении энергии сигнала от 0,1 нДж до 500 нДж (рисунок 2(a)) и выходной энергии холостого хода в зависимости от энергии сигнала при изменении энергии накачки от 0,1 нДж до 3,5 мкДж (рисунок 2(b)). Центральные длины волн накачки и сигнального света составляли 1,03 мкм и 1,55 мкм соответственно при длительности импульса 300 фс. Энергия импульса варьировалась от 0,1 нДж до 3,5 мкДж. Кристалл PPLN имел толщину 3 мм и период поляризации 29,7 мкм. Диаметр пятна в центре кристалла составлял 150 мкм. Начальная задержка была установлена на уровне 165 фс, что обеспечивало совпадение пиков импульсов накачки и сигнального света в центре кристалла.

Рис. 2. Кривая моделирования энергии холостого света меняется в зависимости от энергии света накачки и энергии сигнального света. 

Как показано на рисунке 2 (а), когда мощность насоса низкая (<100NJ), процесс DFG работает в линейной области. Для всех энергий импульса сигнала мощность на холостом ходу линейно увеличивается с увеличением мощности насоса. Когда мощность насоса увеличивается (100NJ-2000NJ), процесс DFG входит в экспоненциальную область, где мощность на холостом ходу увеличивается в геометрической прогрессии с мощностью насоса. Экспоненциальное увеличение становится более выраженным с уменьшением мощности сигнала. Когда энергия сигнального импульса составляет 100 нд, мощность на холостом ходу даже показывает тенденцию к снижению, поскольку мощность насоса варьируется от 700 нд до 1000NJ. Когда мощность насоса превышает 2000nj, процесс DFG работает в области насыщения. Мощность на холостом ходу увеличивается медленнее с увеличением мощности насоса, а мощность сигнала мало влияет на выходную мощность на холостом ходу. Однако, когда энергия сигнального света увеличивается с 0,1NJ до 500NJ, порог энергии импульса насоса для DFG для проникновения в область насыщения уменьшается с 2000 NJ до 700NJ. Результаты на рисунке 2 (b) показывают, что кривая энергии света выходного простоя по сравнению с энергией света сигнала включает линейную область и область насыщения. В линейной области энергии насоса и сигнала света низкие, а взаимодействие слабая. По мере увеличения энергии сигнального света, энергия света выходного простоя достигает насыщения, и возникает колебания. Увеличение энергии сигнала света может привести к снижению энергии света выходного простоя, что согласуется с результатами, показанными светло -голубыми и черными шестиугольными звездами на рисунке 2 (а). Кроме того, аналогично рисунку на рисунке 2 (а), когда энергия света насоса увеличивается с 0,1NJ до 3,5 мкДж, энергия сигнального света, необходимая для DFG для проникновения в область насыщения, уменьшается от 100 н.