Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Паразитные емкости в электрической цепи, рассеяние части электрической мощности на кристалле и другие причины ограничивают быстродействие. Действие акустооптических дефлехторов непрерывного сканирования основано на изменении показателя преломления акустооптическнх материалов, используемых в акустооптических модуляторах света. Из формулы (11.9) следует, что угол между двумя максимумами в дифракционной картине будет равен О ж Х/2А.
(И.10) Формулу (11.16) можно представить в виде О = Хы,/2в„ (11.17) где в, — частота ультразвуковых колебаний; в — скорость акустической волны в материале. Из (11.17) видно, что углом О можно управлять за счет изменения м„ так что ЬО =- Х Ьа,/(2о,). Быстродействие акустооптических дефлекторов зависвт от размера сечения отклоняемого оптического луча Ы и скорости рас- 282 пространения акустической волны в материале, т. е. ч = Н/о,.
Реально ч составляет десятки микросекунд, что соответствует частоте сканирования лу яа, равной нескольким сотням килогерц. Разрешающая способность акустооптических дефлекторов при действии лазерного луча, когда расходимость определяется диф. ракционным пределом, равна й/ = ЛО/80 = Н Ьа,/(2о,). (11. 18) Анализируя формулу (11.18), можно увидеть, от чего зависит разрешающая способность акустооптического модулятора. Однако в качестве материала используются оптически плотные материалы с большим показателем преломления. С другой стороны, эти же материалы должны обладать хорошей фотоупругостью. Формула (11.6) четко подчеркивает неооходимость иметь оптически плотные материалы для получения эффективного акустооптического явления. В качестве материалов для акустооптических дефлекторов используются молнбдат свинца, оптическое стекло, ниобат лития и другие.
Дефлекторы дискретного отклонения осуществляют перемещение луча на определенную угловую величину. Простейшая система, широко используемая на практике, включает элементы, изготовленные из электрооптического материала н материала с естественным двулучепреломлением, Последний материал служит для пространственного разделения лучей с различной поляризацией; тогда обыкновенный луч не изменит направление своего распространения, а необыкновенный луч отклонится на некоторую величину, в результате чего на выходе обыкновенный и необыкновенный лучи окажутся линейно смещенными относительно друг друга на величину Ь = / 1я ф, где ф — угол отклонения необыкновенного луча в материале, обладающем естественным двулучепреломлением; 1 — толщина пластины.
Если такие пары пластин установить каскадно, последовательно друг за другом, то общее количество пространственных положений, которые может занимать лазерный луч, будет равно й/ = 2, где и — число пар пластин. Кроме описанного выше способа дискретного отклонения луча на практике применяются способы разделения лучей с помощью призмы Волластоиа, пластин с полным внутренним отражением н т. д.
В интегральной оптике используется метод дискретного отклонения луча на принципе брэгговской дифракции света на поверхностной ультразвуковой волне. Г л а в а 12 НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ Под нелинейно-оптическими явлениями в оптике понимают эффекты, определяемые процессами, нелинейно зависящими от интенсивности света, а область оптики, которая исследует и применяет эти эффекты, называется нелинейной оптикой, Нелинейно-оптические эффекты представляют большой интерес для современной лазерной техники. Во-первых, когерентные нелинейные оптические эффекты лежат в основе принципа действия разнообразных приборов и устройств (оптических умножителей частоты, преобразователей сигналов и изображений, перестраиваемых параметрических генераторов света н т.
д.). Во-вто. рых, в современных мощных и в особенности сверхмощных лазерных системах такие нелинейные оптические эффекты, как само- фокусировка, самодефокуснровка н самомодуляцня, а иногда н вынужденное рассеяние, существенно влияют иа пространственно- временную структуру излучения и во многих случаях ограничивают предельную выходную мощность. 12Л. НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА Изучение нелинейных оптических эффектов началось в 1961 г., когда были выполнены первые эксперименты по генерации оптических гармоник и двухфотонному поглощению. До появления лазеров вопрос о зависимости оптических свойств среды от интенсивности излучения не стоял, так как нелинейные оптические эффекты обычно проявляются лишь в сильных световых полях, т.
е. в таких, напряженность которых соизмерима с напряженностью внутриатомных полей. Известно, что напряженность внутриатомиого поля для полупроводников имеет значение порядка !О' В!см, а для диэлектриков — 10э Васы. И если напряженность поля световой волны для тепловых источников света не превышает 10з В/см, то с появлением лазеров ситуация резко изменилась. Высокая пространственная когерентность лазерного излучения позволяет осуществлять значительную концентрацию световой энергии н получать свечовые пучки с интенсивностями 10" — 10м Вт!см', чему отвечают напряженности поля 10' — 10' В~см.
Теперь поле световой волны оказывается сопоставимым с внутриатомными полями, н световые волны, распространяясь в среде, взаямодействукт друг с другом, что проявляется в обмене энергией между разными волнами, в появлении 2И одних волн за счет ослабления других и т. д. Взаимодействие световых волн друг с другом обусловлено тем, что под действием внешнего электрического поля диэлектрикп поляризуются: поле вызывает смещение электронных оболочек атомов относительно ядер, в результате чего атомы приобретают электрический дипольный момент. Поляризацию среды можно рассматривать как ее своеобразный отклик в ответ на внешнее воздействие, в качестве которого может выступать и мощное электрическое поле световой волны, распространяющееся по диэлектрику.
Поляризация среды Р связана с напряженностью Е поляризующего поля простым соотношением: Р = е,уЕ, где е, — диэлектрическая постоянная; )( — относительная диэлектрическая восприимчивость среды, зависящая от напряженности светового поля. Для удобства последующего анализа явлений разложим поляризацию по полю: Р = ее (Х Е + ХеЕ' + ХеЕ' + ."), где )(„ — нелинейные восприимчивости. Этот ряд довольно быстро убывает. Отношение каждого послелукяпего члена ряда к предыдущему имеет порядок величины ЫЕ„где Е, для электронной поляризации зависит от напряженности внутриатомного электрического поля (Е„ж!Ое В/сы). Это выражение удобно использовать для классификации нелинейных материалов и нелинейных взаимодействий.
Первое слагаемое ееу,Е определяет линейную поляризацию, а остальные слагаемые — нелинейную. Главные успехи прикладной нелинейной оптики, достигнутые к настоящему времени, связаны с использованием нелинейных эффектов, описываемых квадратичной нелинейной восприимчивостью у . Соответствующие волновые нелинейные взаимодействия принято называть трехфотоннымя. Квадратичная поляризация обусловливает существование таких эффектов, как генерация второй гармоники, оптическое выпрямление, линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса) и параметрическая генерация. К эффектам, обязанным своим существованием кубической поляризации, относятся генерация третьей гармоники, квадратичный электрооптический эффект (эффект Керра), двухи тонное поглощение, вынужденные рассеяния комбинационное, идельштама — Вриллюэна и релеевское.
Рассмотрим случай, когда в среде расцростраияются две электромагнитные волны, начальные фазы которых будем считать одинаковыми. Для простоты ограничимся скалярным приближением и рассмотрением среды, в которой существует квадратичная нелинейность. Роч = еотеЕе; Е1 (г, 1) = Е„, соз (а11 — й,г); Ее (г, Г) = Е„, соз (в~4 — йзг). (12.1) (12.2) (12.3) 2ВВ Найдем теперь поляризацию среды.
Для этого подставим (12.2) и (!2.3) в (12.1), учитывая, что Е = Е„(г, 1) + Е, (г, 1)г Р'г' = еоХг (Е'„, соз' (в11 — йгг) + Е', соз' (вг1 + йгг) + + 2Е„,Е„, соз (аг1 — ягг) соз (аг1 — йгг)). Преобразуя данное выражение, можно показать, что поляризация среды является функцией нескольких спектральных компонент с частотами 2в„2в„в, + в„в, — в,-: Р (2в1) = -е- еадгЕ"", соз (2вг! — 2й,г); Р(2вг) = ~ еодгЕо, соз(2аг( — 2йгг); 1 Р (аг + вг) = еоХгЕо,Еа, соз ((вг + аг) 8 — (йг + йг) г); Р (вг — вг) = еодгЕа„Еа, соз ((вг — аг) 1 — (й — йг) г), и постоянного слагаемого, описывающего статическую поляризацию Р (О) = ~ еоХг (Ев, + Ев,).
В линейном приближении волин поляризации вызывает излучение электромагнитной волны той же частоты, что и падающей волны. Эти процессы связаны с обычным перензлучением света без изменения частоты. При нелинейной поляризации волна поляризации уже содержит члены с суммарной н ревностными частотами, а также вторые гармоники основных частот.
Эти компоненты нелинейной поляризация ответственны за излучение электромагнитных воля на частотах в, + в„аг — в,, 2а„2а,. Это означает, что часть энергии падающей волны будет переизлучаться на одной нлн нескольких частотах, отличных от основной. При рассмотрении следующих нелинейных членов в формуле поляризации появляются более сложные комбинации частот. 122.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
