Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 66
Текст из файла (страница 66)
При переходе к фотонному описанию условие синхроннзма для параметрической генерации света представляет собой условие сохранения импульса для фотонов, участвующих в данном когерентном процессе: На квантовом языке параметрическое усиление можно рассматривать как процесс вынужденного распада фотона волны накачки с энергией Ьм„,„на два фотона с энергиями йм, н па,, Наряду с вынужденным процессом распада фотона волны накачки на два фотона, вероятность которого пропорциональна интенсивности сигнальной (уснливаемой) волны, в нелинейной среде возможен и соответствующий спонтанный процесс распада, происходящий и при отсутствии сигнальной волны.
Такое явление называется параметрической люминесценцией. В результате усиления шума в среде под действием излучения накачки возникают колебания на частотах е, и а,. Для усиления таких параметрических колебаний используемый нелинейный кристалл помещают в резонатор, Введение положительной обратной связи превращает усилитель в генератор. Важным достоинством параметрического генератора является возможность плавной перестройки частоты генерации.
Перестройка частот е„м, может быть достигнута поворотом нелинейного кристалла относительно луча накачки; изменением температуры кристалла; изменением электрического поля, приложен. тэ! Рис. 12.4. Патячесгяе схемм яараычтрнческях геэчраторьв ного к нелинейному кристаллу; изменением длины волны накачки; с помощью дисперсиоиного резонатора. К настоящему времени предложено и реализовано большое количество оптических схем параметрических генераторов света.
Классическая схема (рис. !2,4, а) содержит резонаторы на обеих частотах м, и в,. При этом волна накачки без отражения пронизывает нелинейный кристалл. Генератор обладает иаиикзшим порогом генерации, перестройка по частоте осуществляется скачками; частоты генерации нестабильны. В однорезонаторном параметрическом генераторе положительная обратная связь реализуется только на одной частоте (рис. 12.4, б) (отсутствует резонатор для частоты м,).
Порог генерации здесь существенно выше, однако спектр излучения более стабилен, перестройка частоты плавная, Разработан и еше ряд оптических схем генераторов. Обычно в качестве излучения накачки используют вторую гармонику неоднмового лазера на иттриево-алюминиевом гранате, причем КПД преобразования достигает 10%, В качестве нелинейных сред могут быть использованы те же кристаллы, что и для генерацяи гармоник, ЩА. ВЫНУЖДЕННОЕ КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ Рассеянием света называется явление, при котором распространяющийся в среде направлеинык световой пу*юк отклоняется по всем возможным направлениям, Комбинационное рассеяние представляет собой процесс иеупругого рассеяния света на оптических колебаниях молекул или иа внутримолекулярных колебаниях.
Комбинационное рассеякие света является эффективным методом исследования строения молекул и их взаимодействия с окружающей средой. Комбинационное рассеяние света было открыто в 1928 г. Этот эффект наблюдался одновременно советскимн физиками Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом в твердых телах и индийским фкзиком Ч. Раманом в жидкостях. Суть явления заключается в том, что при освещении некоторых веществ моиохроматическим излучением с частотой м возникает рассеянное излуз92 чение, которое содержит лкнин с разностными частотами аг — ег„ га — зг„„... (стоксовы линии) и с суммарными частотами ег+ег„ а+е,, ...
(антистоксовы линии), Частоты егг, гз„, ... характерны для данного вещества, онн лежат в инфракрасной области спектра и представляют собой частоты нормальных колебаний молекул этого вещества, Для понимания механизма возникновения спектров комбинационного рассеяния рассмотрим следующий классический пример. Пуск света с частотой ег падает иа ансамбль независимых даухатомных молекул. Электрическое поле световой волны индуцирует в молеггуле электрический дипольный момент, равный ш; .=.
аЕ, соз гаг, где Е = Е, соз егг — напряженность поля; а— линейная полярнзуемость молекулы. Допустим, что молекула находится в колебательном движении, собственная частота которого равна егг. Если атомы в молекуле колеблются вдоль соединяющей нх линии, то восприимчивость а будет функцией егг. В гармоническом приближении имеем; а = а, + а,х; х = х соз аггг, где х — изменение расстояния между атомамн; а„— поляризуемость при х = О.
Индуцированный электрический дипольный момент молекулы в этом случае равен иг, = аЕ = (а, + агх) Е, соз м( =- азЕч соз егг + Е а, Е,х (соз (ы + «гг) г + соз (ег — ге,) г)г2. Электрические диполи„колеблющиеся с частотами е, «г + агг или ег — ы„являются источниками рассеянных волн — рэлеевскнх, антистоксовых илн стоксовых соответственно, Стоксовы и антистоксовы линии называют линиями комбинационно~о рассеянггя. По квантовым представлениям сгоксова комгюнеита с частотой ег — аг возникает, когда энергия фотона йв уменьшается на вели~иву гггз„равную энергии возбуждаемого при рассеянии кванта колебаний молекулы, антистоксова аг + егг— когда квант Лагг первоначально возбужденной молекулы передается излучению.
Интенсивность антнстоксовой компоненты, пропорциональная числу возбужденных молекул, много меньше. интенсивности стоксовой, так как отношение числа возбужденных и невозбужденных молекул подчиняется неравенству е — ь,лагг (( 1 Явление вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), соответствующее описанному выше спонтанному процессу, было открыто в опьгге Вудбери и Иг в 1962 г.
При работе лазера в режиме гигантских импульсов ВКР проявилось как свечение нитробензола, которым была заполнена ячейка Керра, Испускание спектральных компонент, сдвинутых относительно возбуждаю- изз щего излучения на частоту внутримолекуляриых колебаний также представляет ВКР, ио вероятность зтага процесса зависит ат интенсивности падающего и рассеянного излучений. ВКР возникает только при икгенсивности падающего пучка, превышающей некоторую пороговую величину. В отличие от спонтаннога рассеяния, интенсивность катарага ачекь мала (порядка 1О '— 1О ' части возбуждающего потока), при ВКР доля рассеянного патака достигает десятков процентов.
Наряду с линиями с частотами 1м ~ гз,) появляются линии более высоких порядков м ~ 2м, и рассеяние ямеет четко выраженный направленный характер. При анализе спонтаннога комбинационного рассеяния принималось ва внимание только влияние колебаний молекулы иа рассеиваемые ею световые залпы. Но поле световой волны оказывает и обратное влияние иа молекулу, раскачивая ее колебания„ Поля возбуждающего и стоксова излучений приводят к резонансной раскачке колебаний молекулы с амплитудой, пропорциональной произведению напряженностей падающей волны и стоксовой компоненты Е„Е,.
Эти иидуцированные колебания, з свою очередь, вызывают еще большую модуляцию колебаний дипольиаго момента, происходящего под действием возбуждающего излучения, и тем самым приводят к усилению стаксава излучения и возникновению у дипольнага момента новых спектральных компонент. Возбуждающее излучение и испытавшая большое усиление стоксова компонента рассеянного излучения создают в среде когереитный ансамбль диполей, излучающих на антистаксовай частоте а + м, и стоксавай частоте второго порядка м — м, Излучение иа второй стоксоаай частоте возникает еще и потому, что первая стаксова компонента м — вм достигая большой интенсивности, сама начинает играть роль возбуждающего излучения и испытывает вынужденное рассеяние с уменьшением частоты еще на мг.
Процесс увеличения числа спектральных компонент рассеянного излучения ограничивается из-за конечного запаса мощности исходного возбуждающего пучка. Экспериментальна наблюдаемое вынужденное комбинационное рассеяние качественна и количественна атшгчается ат спонтанного. При низких мощностях лазера наблюдается линейное узе. личеиие мощности комбинационного рассеяния, типичное для спонтанного эффекта. С увеличением мощности волны накачки за линейной областью начинается область экспоненциального нарастания. Существенным образом изменяются кагерентиые свойства рассеянного излучения.
При спонтанном эффекте камбина. пианнага рассеянии рассеянное излучение, исходящее ат различных молекул, иекагереитиа даже при кагереитнам возбуждающем излучении. Наоборот, при эффекте вынужденного комбинапиоииаго рассеяния свет, рассеянный из какой-либо пространственной области и возбужденный пространственно кагереитиой лазерной волной, кагерентеи, чта хорошо подтверждается в зкспезз4 Рнс. Пк5. Углоеое распре леленне антнстоксоаа калу челна рименте. Изменяются и направленные п, уоэ свойства ВКР. Если для спонтанного эффекта комбинационного рассеяния характерно непрерывное угловое распределение рассеянного излучения, то при ВКР наблюдается уже излучение и под выделенными углами, Направленный характер ВКР обусловлен интерференцией когерентных вторичных волн, испускаемых диполями в различных точках рассеивающей среды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
