Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Рассмотрим физические основы преобразования ИК-излучения в видимый спектр.

Преобразование излучения с повышением частоты (апконверсия) в нелинейных оптических кристаллах используется для визуализации теплового изображения объектов и инфракрасного излучения. В основе принципа действия таких преобразователей лежат нелинейные процессы генерации второй гармоники и суммарных частот [9].

Я

Ф1, Ф2 – фильтры; К – кварцевая пластинка;

ФЭУ – фотоэлектронный умножитель

Рисунок 1 – Оптическая схема для наблюдения явления

генерации второй гармоники

вление генерации второй гармоники впервые наблюдалось в 1961 году Франкеном в опыте при прохождении луча рубиновго лазера через пьезоэлектрический кристалл кварца, на рисунке 1 представлена оптическая схема установки для наблюдения второй гармоники. Пластинка К освещается лазерным светом через фильтр Ф₁.За кварцевой пластинкой фиксируются две волны: на основной волне ω₁ и на удвоенной частоте 2ω₁. Фильтр Ф₂ прозрачен только для частот 2ω₁, которая регистрируется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ).

Для преобразования теплового излучения в видимый диапазон используется два метода. В первом методе излучение инфракрасного диапазона, после смешивания с мощным лазерным лучом, преобразуется нелинейным кристаллом в видимый сигнал [10]. Полученное изображение имеет интерференционную пятнистую структуру и искаженную форму. При этом преобразуется узкий спектральный интервал частот излучения (10–100 см^–1) и наблюдается резкое ухудшение качества преобразованного изображения при увеличении спектральной ширины основного излучения.

Во втором методе для преобразования теплового излучения в видимый диапазон используются нелазерные источники [11]. При наличии определенных условий преобразование при использовании некогерентного излучения может быть эффективнее, чем при использовании когерентного. Основным преимуществом в данном способе преобразования ИК изображения является отсутствие геометрических искажений.

При разработке нелинейных оптических приборов целесообразным является изучение нелинейных оптических процессов при учете влияния линейной оптической системы.

Нелинейные оптические эффекты – процессы взаимодействия света и вещества, характер протекания которых зависит от интенсивности света. Развитие лазерной техники способствовало открытию и исследованию ряда нелинейных оптических эффектов, таких как генерация оптических гармоник, многофотонное поглощение, вынужденные комбинационное и мандельштам-бриллюэновское рассеяния, нелинейное поглощение излучения, параметрическое преобразование частоты и др.

Под действием падающей световой волны в нелинейном кристалле происходит смещение колеблющихся электронов относительно положений равновесия и возникает поляризация среды [9]:

, (1)

где Е – напряженность электрического поля световой волны;  – линейная восприимчивость среды;  и  – квадратичная и кубичная нелинейные восприимчивости оптической среды соответственно. Обычно  и  значительно меньше  ( ~ ·10^–9;  ~ ·10^-12).

Часть поляризации среды, нелинейно зависящая от напряженности светового поля, называется нелинейной поляризацией [12]:

. (2)

Первый член в выражении (2) связан с оптической средой, в которой есть направления, вдоль которых колебания электронов под действием поля Е световой волны происходят не симметрично (говорят, что в такой среде отсутствует центр симметрии). Такими средами являются оптические кристаллы.

Нелинейные эффекты, связанные со вторым членом в выражении (2) возможны в любых оптических средах. Этот член связан с ограничением амплитуды колебаний электронов под действием поля Е световой волны за счет присутствия соседних атомов или молекул.

Относительная величина нелинейных слагаемых в (2) возрастает с увеличением напряженности светового поля, т. е. с увеличением интенсивности световой волны. Это объясняет тот факт, что нелинейные эффекты наблюдаются, прежде всего, в сильных световых полях.

При прохождении световых волн с частотой  в среде возникают колебания не только на данной частоте, но и на других частотах. В случае распространения двух волн с различными частотами ₁ и ₂ возникнут колебания волны с частотами ₃ = ₁ ± ₂. В этом случае среда излучает волны с соответствующими частотами, и эти явления называют генерацией суммарной и разностной частот. Помимо этого под действием света с частотой  на одной грани кристалла появится положительный заряд, а на другой отрицательный. Этот эффект похож на «выпрямление» электрического тока и был назван эффектом оптического выпрямления. На основе эффекта оптического выпрямления созданы приборы для измерения мощности лазерного излучения. При прохождении через среду излучения с частотой ₃ возможны колебания среды сразу на двух частотах ₁ и ₂, таких, что ₃ = ₁ + ₂. Это явление называется параметрической генерацией света.

Все эти нелинейные процессы относятся к взаимодействиям, основанным на квадратичной зависимости P от E. В оптическом диапазоне параметрическая генерация света наблюдается в мощных лазерных лучах в нелинейных оптических кристаллах.

На основе генерации оптических гармоник выпускаются генераторы, используемые в качестве источников мощных лазерных световых волн с новыми частотами.

1.2.2 Фазовый синхронизм

Эффект генерации суммарных частот заключается в том, что при поступлении в среду излучений на частотах ₁ и ₂ на выходе возникает электромагнитная волна с частотой ₃ [13]:

, (3)

В случае распространения двух волн с одинаковой частотой  = ₁ = ₂ возникнут колебания волны с удвоенной частотой 2. Генерация второй гармоники является частным случаем генерации суммарных частот.

Генерация излучения на суммарной частоте происходит наиболее эффективно, если волна с частотой ₃, приходящая к данному элементу объема от предшествующих элементов, находится в нужной фазе с излучением на этой же частоте, которое порождается в рассматриваемом элементе объема. Интенсивность генерации в таком случае возрастает на несколько порядков, поскольку ее накопление происходит по всей длине нелинейной среды. Такое благоприятное соотношение фаз реализуется, если для волновых векторов выполняется равенство

, (4)

где k₁, k₂, k₃ – волновые векторы взаимодействующих волн.

Выражение (4) называют условием фазового (волнового, пространственного) синхронизма. Легко заметить, что для взаимодействующих квантов уравнения (3) и (4) означают выполнение законов сохранения энергии Е =  и импульса р = k.

Так как , условие (4) можно записать следующим образом:

, (5)

где n₁, n₂, n₃ – показатели преломления для световых волн на частотах ω₁, ω₂, ω₃ соответственно.

В случае генерации второй гармоники условие фазового синхронизма приобретает вид

. (6)

С учетом ₃ = 2₁ выражение (5) принимает вид:

. (7)

Физический смысл фазового синхронизма состоит в том, что при
n₃ = n₁ (k₃ = 2k₁) фазовая скорость второй гармоники равна фазовой скорости основного излучения. При этом процесс перекачки энергии из основного излучения в гармонику происходит наиболее эффективно.

Условия фазового синхронизма могут быть выполнены при распространении в кристаллах взаимодействующих волн с различными поляризациями [14]. В отрицательных одноосных кристаллах условие фазового синхронизма выполняется для типов взаимодействий оое и оее; в положительных одноосных кристаллах – для типов взаимодействий еeo; eoo (о – обыкновенная волна с вектором напряженности электрического поля ортогональным оптической оси кристалла, е – необыкновенная волна с вектором напряженности электрического поля, лежащим в плоскости оптической оси кристалла).

При изменении угла  относительно угла фазового синхронизма_с интенсивность гармоники быстро уменьшается. Значение величины _с – угловой ширины фазового синхронизма характеризует спад интенсивности гармоники до нуля. Значения _с для разных кристаллов составляет около 1–4 угловых минут.

Таким образом, при генерации оптических гармоник максимальная интенсивность преобразованного излучения реализуется при выполнении условий фазового синхронизма для взаимодействующих волн. При небольшом отклонении лучей от направления синхронизма происходит рассогласование по фазе взаимодействующих волн.

1.2.3 Преобразование широкополосного ИК-излучения в нелинейных

кристаллах

Как уже упоминалось выше, для преобразования ИК-излучения необходимо вещество, обладающее нелинейной реакцией вектора поляризации на вектор напряженности электрического поля световой волны. В качестве такого вещества хорошо подходят нелинейные кристаллы, обладающие анизотропией.

Система нелинейного преобразования изображения из инфракрасной области спектра в видимую содержит систему накачки и систему формирования изображения теплового объекта в нелинейном кристалле. В качестве накачки используется излучение лазера или излучение нелазерных источников.

Преобразование теплового излучения в нелинейных кристаллах исследуется с помощью тепловизора. Схема установки для преобразования инфракрасного излучения в видимый спектр приведена на рисунке 2. ИК-объектом служит лампа накаливания с вольфрамовой нитью. Тепловым излучением от объекта является излучение с длиной волны в интервале 1–1,9 мкм. В качестве накачки применяется часть излучения ИК-объекта с длиной волны в интервале 0,7–1 мкм.

Изображение теплового объекта формируется ИК-объективом в нелинейно-оптическом кристалле, который преобразует изображение по спектру в видимую область. Для разделения теплового и преобразованного излучения используются инфракрасные(КС–18, КС–17) и тепловые (СЗС–21, СЗС–22) светофильтры [15].

1 – источник ИК-излучения; 2, 5 – ИК-объектив; 3 – модулятор (150 Гц); 4 – поляризатор; 6 – ИК - светофильтр ; 7 – нелинейно-оптический кристалл; 8 – тепловой светофильтр ; 9 – дифракционный монохроматор ; 10 – ФЭУ

Рисунок 2 – Схема установки для наблюдения преобразования ИК-излучения в видимый спектр: [5]

С

Рисунок 3 – Спектры широкополосного излучения, преобразованного в нелинейных кристаллах

пектры широкополосного излучения, преобразованного в нелинейно-оптических кристаллах ниобата лития LiNbO₃, иодата лития LiIO₃, йодноватой кислоты α-HIO₃ и титанил фосфат калия (KTP) KTiOPO₄, представлены на рисунке 3[16-19]. Ось падающего на кристалл пучка инфракрасного излучения со­став­ляет с оптической осью кристалла углы 90° в кристалле LiNbO₃ и 30° в кристалле LiIO₃. В случае кристалла α-HIO₃ ось падающего на кристалл пучка инфракрасного излучения лежит в плоскости YZ, и в случае кристалла KTiOPO₄ – в плоскости XY[20].

Относительная высокая эффективность нелинейного преобразования широкополосного излучения наблюдается при фокусировке основного излучения в объем нелинейного кристалла. Повышение эффективности нелинейного преобразования обусловлено существованием многочастотного синхронизма, увеличением плотности энергии в фокальной плоскости линзы, а также увеличением вклада векторных перекрестных взаимодействий.

Спектр преобразованного излучения и эффективность преобразования в нелинейном кристалле также зависят от температуры теплового объекта[29]. При увеличении температуры ИК-объекта спектр излучения, преобра­зованного в нелинейно-оптическом кристалле, по форме практически остается неизменным, а интегральная мощность преобразованного излучения увеличивается.

2 Физические основы цветового восприятия человека

Человек получает информацию о окружающей среде с помощью органов чувств и большую часть этой информации через глаза. Из всего электромагнитного спектра человеческий глаз воспринимает только некоторую его часть, видимый спектр.

2.1 Оптика глаза

Глаз человека позволяет воспринимать размеры, форму, фактуру, мерцание и цвет объектов.

Рисунок 4 – Строение человеческого глаза

Зрительное восприятие человека начинается с глаза и непосредственно зависит от его анатомической структуры. На рисунке 4[30] представлены основные элементы оптической системы человеческого глаза. Глаз работает аналогично фотокамере. Роговица и хрусталик действуют совместно (подобно тому как действуют вместе линзы фотообъектива), фокусируя видимый мир на сетчатой оболочке глазного дна, которая, в свою очередь, подобна фотопленке или иному светочувствительному материалу. Эти и другие структуры оказывают радикальное влияние на наше цветовое восприятие.

Характеристики

Список файлов ВКР