Нелинейная оптика

ГГФ

Основные компоненты лазера. Условие усиления и генерации света
Особенности лазерного

излучения
Основные типы лазеров и их применение
Примеры нелинейных явлений в оптике

Оптические квантовые генераторы

Лекция 11

излучения
- вынужденное излучение

10.6 мкм
Эксимерный
длина волны 172 нм
Газовые
Аргоновый
от 351.1 до 1092.3 нм

офтальмологии
для устранения недостатков косметологического свойства.
в промышленности:
для разделения, для скрепления или

сварки, гравировки и теснения
для производства принтеров
для производства сканеров, в частности, для сканеров штрих-кодов в магазинах
производстве микроэлектронных устройств, например, полупроводников и микросхем

голографии
телекоммуникации,
спектроскопии
астрономии
лазерных свето-шоу
и т.д. и т.п.

радиус
Нелинейная оптика
Линейная оптика
P – поляризованность,
χ – диэлектрическая восприимчивость,
χ2

– нелинейная восприимчивость

не зависящая от t компонента поляризации среды, создающая постоянное электрическое

поле

Уравнение волны поляризации:

(1961 г., Франкен)
Генерация высших гармоник
Поляризованный диполь станет источником излучения электромагнитной

волны с частотой 2ω - генерация второй гармоники:

Генерация 3-й гармоники, а также зависимость n(I) описываются членом χ3 E3 и т.д.

волны λ = 1,06 мкм возбуждает в кристалле излучение удвоенной

частоты (вторую гармонику, λ = 0,53 мкм). Зелёный цвет — натуральный цвет излучения второй гармоники; невидимое глазом инфракрасное излучение неодимового лазера регистрируется на специально сенсибилизированной цветной пленке как красное

Удвоение частоты света
в кристалле ниобата натрия Ba2NaNb5O5

с нормальной дисперсией n растет с ростом ω

υ(2ω) < υ(ω)

(кпд ~ 0,8; 1961г. — кпд ~10-10—10-12)

Сечения поверхности показателей

преломления обыкновенной (o) и необыкновенной (e) волн в двупреломляющем одноосном кристалле дигидрофосфата калия KH2PO4 (KDP). OZ –оптическая ось кристалла.

Условие синхронизма υ(ω) = υ(3ω) выполняется в CaCO3

(λ1=1,06 мкм), возбуждает цепочку из трёх нелинейных кристаллов KDP (дигидрофосфат

калия - KH2PO4), в которых последовательно происходят: удвоение частоты (на выходе кристалла KDP I — излучение с λ2 = 0,53 мкм), ещё одно удвоение частоты (на выходе KDP II — излучение с λ4 = 0,26 мкм), сложение частот неодимового лазера и четвёртой гармоники. На выходе кристалла KDP III возникает интенсивное УФ излучение с λ5= λ1/5 = 0,21мкм. Цвета на рисунке условные, четвёртая и пятая гармоники лежат в ультрафиолетовой области. Ф1 и Ф2 — фильтры; В — вращающаяся призма.

пучка,
– дифракционная длина,

При малых I
При больших I
QД = 0,

Pk – критическая
мощность

QД < Qтеор

самофокусировка

n = n0 + n2E2
Самофокусировка пучка
Пунктир –

поверхности постоянной фазы; сплошная линия – распределение интенсивности света

Интенсивность ограниченного светового пучка больше на оси и падает к краям. Часто – по параболическому закону

υфаз = c/n = с/(n0 + n2E2)

фазовые фронты изгибаются

n2 > 0

отражения
n = f(I)

возникает оптическая неоднородность среды

Вывод: самофокусировка света – самопроизвольная фокусировка мощного лазерного пучка при распространении в среде из-за нелинейной зависимости коэффициента преломления среды от напряженности поля световой волны.

Нитевидные разрушения оптического стекла в поле мощного лазера. Тонкая нить — след самофокусированного светового пучка.
В опыте изменение показателя преломления среды происходит за счёт нагрева стекла лазерным излучением

фотон.
при больших I возможно многофотонное поглощение
CaF2 – кристалл,

активированный ионами европия Eu++,
λ1 = 6943 Ǻ, λ2 = 4250 Ǻ.

Многофотонное поглощение приводит:
к появлению добавочных линий испускания и поглощения,
смещению красной границы фотоэффекта в сторону больших λ.

источники когерентного излучения, основным элементом которых является нелинейный кристалл, в

котором мощная световая волна фиксированной частоты параметрически возбуждает световые волны меньшей частоты.

Уникальные характеристики П. г. с. (когерентность излучения, узость спектральных линий, высокая мощность, плавная перестройка частоты) превращают его в один из основных приборов для спектроскопических исследований (активная спектроскопия и др.), а также позволяют использовать его для избирательного воздействия на вещество, в частности на биологические объекты.

Изменяя направление распростра-нения накачки относительно оптической оси (поворачивая кристалл), можно плавно перестраивать частоту П. г. с.

Нелинейный кристалл, помещенный в оптический резонатор; З1 и З2 – зеркала, образующие резонатор.

Схема нелинейного спектрографа с пространственным разложением спектра. Частоты спектральных линий

исследуемого источника wх складываются в нелинейном кристалле с частотой вспомогательного источника (генератора «накачки») wн. На выходе кристалла интенсивное излучение суммарной частоты wн + wх может наблюдаться только внутри весьма узкого угла, для которого выполняется условие волнового синхронизма.

Спектральный анализ сопровождается увеличением частоты света (выгодно при исследованиях в инфракрасной области) и усилением сигнала

частот — регистрация слабых сигналов в инфракрасном диапазоне и перевод

в видимый диапазон. В видимом же диапазоне регистрация сигнала производится с помощью высокочувствительного фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Система из нелинейного кристалла, в котором происходит сложение частот и ФЭУ, является чувствительным приёмником инфракрасного излучения; такие приёмники находят применение в инфракрасной астрономии.