J. Phys. France 46, 523-533 (1985)
DOI: 10.1051/jphys:01985004604052300

Intracavity cw difference frequency generation by mixing three photons and using Gaussian laser beams

Tran-Ba-Chu et M. Broyer

Laboratoire de Spectrométrie Ionique et Moléculaire, Universite Lyon I, Bât. 205, Campus de La Doua, 69622 Villeurbanne Cedex, France

Abstract
The theory of Intracavity cw Difference Frequency Generation (I.D.F.G.) by a three-photon mixing using Gaussian laser beams has been studied assuming that the pump wave is either a Gaussian circular or elliptical focusing laser beam, with the non-linear crystal placed in the signal laser resonator. It is shown that the difference frequency generated power of the intracavity system is many times larger than that obtained by extracavity difference frequency generation operating under the same conditions. The general expression for the enhancement factor indicates that this increased power is due to the high field intensity of the signal wave within the cavity and to the parametric amplification effect. This factor becomes very large when either the pump power reaches a resonant value or when the signal laser operates close to the threshold. Numerical results have been obtained for I.D.F.G. based on either cw-ring dye or cw-YAG:Nd 3+ laser using a 90° phase matching LiNbO3-crystal and a critical phase matching LiIO3-crystal respectively. It is shown that cw-I.D.F.G. is a favourable method for producing an efficient source of I.R. radiation suitable for uses in high resolution spectroscopy.

Résumé
La théorie de la génération intracavité d'onde par différence de fréquence en régime continu en effectuant le mélange de trois photons est étudiée en supposant que l'onde de pompe est un faisceau focalisé circulaire ou elliptique et que le cristal non linéaire est placé dans la cavité du laser (onde signal). On montre que la puissance de l'onde générée par le système intracavité est considérablement plus élevée que celle d'un système extra-cavité opérant dans les mêmes conditions. L'expression du rapport de ces deux puissances appelée « facteur d'augmentation » η contient des paramètres représentant l'effet du champ laser dans la cavité (onde signal) et celui de l'amplification paramétrique. Ce facteur devient très grand lorsque la puissance de l'onde de pompe atteint la valeur de résonance ou lorsque le laser de l'onde signal opère à un régime proche du seuil. Des résultats numériques ont été obtenus en se basant sur des systèmes de génération intracavité d'onde par différence de fréquence utilisant un laser continu à colorant en anneau ou un laser YAG continu avec soit un cristal LiNbO 3 (synchronisation de phase non critique) soit un cristal LiIO 3 (synchronisation de phase critique). L'analyse a démontré que la génération intracavité d'onde par différence de fréquence en régime continu est une méthode favorable pour créer une source convenable d'infrarouge pouvant être utilisée en spectroscopie à haute résolution.

PACS
4260F - Modulation, tuning, and mode locking.
4265K - Frequency conversion; harmonic generation, including higher-order harmonic generation.

Key words
optical frequency conversion