Параметрический генератор света (ПГС) – прибор, основанный на эффекте параметрической генерации света и преобразующий исходное излучение в излучение другой частоты. ПГС был предложен в 1962 г. С.А. Ахмановым и Р.В. Хохловым, а также независимо Н. Кроллом и Р. Кингстоном. Экспериментально параметрическая генерация света была осуществлена в 1965 г. Джордмейном и Миллером и несколько позднее в том же году С.А. Ахмановым и Р.В. Хохловым (в 1970 г. эта работа получила Ленинскую премию). Фактически, ПГС стал первым источником когерентного оптического излучения, перестраиваемым по частоте.

Эффект параметрической генерации света относится к группе эффектов трёхволнового взаимодействия. В процессе взаимодействия один квант исходного излучения (волны накачки) распадается на два других (называемых соответственно квантами сигнальной и холостой волн), при этом выполняются законы сохранения энергии и импульса:

 

Реализуется такая ситуация, как правило, в нелинейных оптических кристаллах, представляющих собой диэлектрические кристаллы с нелинейной зависимостью поляризации от напряжённости электрического поля. При этом для достижения обратной связи, необходимой для генерации, кристалл помещается в резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал с высоким коээфициентом прозрачности для излучения накачки и низким – для одной или обеих низкочастотных волн (рис. 1).

Поскольку при заданной частоте накачки множество частот может удовлетворить написанным выше соотношениям. Это позволяет генерировать излучение практически с любой желаемой частотой. Генерируемые частоты определяются направлением в кристалле, в котором удовлетворяется закон сохранения импульса для данных частот. Поэтому, вращая кристалл можно плавно изменять частоту генерируемого излучения в широких пределах.

Условие сохранения импульса, записанное в виде векторного равенства для волновых векторов, называется также условием фазового синхронизма (согласования). При его выполнении, если пренебречь эффектами дисперсионного расплывания, амплитуда низкочастотных волн непрерывно возрастает в процессе распространения в кристалле. Таким образом, происходит перекачка (преобразование) энергии от мощной волны накачки к слабой низкочастотной волне.

 

На практике применяются как однорезонаторные, так и двух-резонаторные оптические параметрические генераторы. Двухрезонаторную параметрическую генерацию можно получить при накачке от непрерывных и импульсных лазеров. При этом оказалось, что в случае непрерывной накачки пороговые мощности составляют всего несколько милливатт. Но наличие резонанса сразу на двух частотах вызывает некоторую нестабильность излучения на выходе как по амплитуде, так и по частоте. Одно-резонаторная параметрическая генерация была осуществлена лишь при накачке от импульсных лазеров, поскольку в случае резонанса на одной частоте пороговая мощность накачки оказывается значительно более высокой (на два порядка величины), чем в случае двухчастотного резонанса. Однако в однорезонаторных генераторах стабильность сигнала на выходе намного лучше, а требования к зеркальным покрытиям не столь строги. Вследствие этого наиболее распространенной является однорезонаторная схема. В настоящее время достаточно хорошо разработаны оптические параметрические генераторы, дающие когерентное излучение, в диапазоне длин волн от видимого до инфракрасного (0,5—3,5 мкм). Наиболее успешной конструкцией является та, в которой используется кристалл ниобата лития (LiNb03), с накачкой от Nd : YAG-лазера. Однако эти генераторы имеют конкурентов со стороны лазеров на центрах окраски, которые работают в том же ИК-диапазоне. Оптические параметрические генераторы могут также генерировать когерентное излучение и на более длинных волнах ИК-диапазона (примерно до 14 мкм), если использовать в них такие кристаллы, как прустит (Ag₃AsS₃) и селенид кадмия (CdSe). Эффек¬тивность этих генераторов может быть также очень высокой (приближаясь к теоретической 100%-ной фотонной эффективности).

Параметрическая генерация в объеме среды происходит эффективно только при условии |Δkz| ≤ 1. Волновая расстройка Δk определяет когерентную длину L_ког = 1/Δk. Если длина среды L меньше L_ког, то сигнал суммарной частоты возрастает приблизительно квадратично с ростом L. Если L > L_ког, то сигнал достигает насыщения и может даже начать уменьшаться при дальпейшем увеличении длины. Для эффективной генерации необходимо, таким образом, чтобы длина  L_ког на практике была достаточно большой, по крайней мере порядка нескольких миллиметров.

Фактически в эксперименте для предотвращения сокращения эффективной длины взаимодействия пучков вследствие их конечных поперечных размеров желательно обеспечить синхронизм при коллинеарной геометрии взаимодействия:

Это условие можно записать через показатели преломления n(ω_i):

ω₁[n(ω₃) - n(ω₁)] + ω₂[n(ω₃) - n(ω₂)] = 0.     (1)

Ясно, что это условие никогда не выполняется для изотропных веществ пли кристаллов с кубической симметрией, обладающих нормальной дисперсией, когда n(ω₃) > {n(ω₁), n(ω₂)}. Поэтому синхронизм в коллинеарной геометрии можно получить только: 1) при использовании аномальной дисперсии или 2) в двулучепреломляющих кристаллах. В последнем случае среда должна быть отрицательным одноосным кристаллом, в котором n_e(ω_i) < n_o(ω_i). Для необыкновенной волны ω₃, можно подобрать условия, когда [n_e(ω₃) - n(ω₁)] и [n_e(ω₃) - n(ω₂)]  имеют противоположные зваки и удовлетворяют при этом условию (1). Обычно используются два типа коллинеарного синхронизма. При первом типе n(ω₁) и n(ω₂) одновременно являются обыкновенными или необыкновенными, тогда как при втором типе синхронизма либо n(ω₁), либо n(ω₂) является обыкновенным.