Учебник - Оптика - Алешкевич В.А. (1238765), страница 61
Текст из файла (страница 61)
Åñëè ýòè ÷àñòîòû ñîâïàäàþò ñ ðåçîíàíñíîé286÷àñòîòîé ìîëåêóëû W0, òî ðàñêà÷èâàíèå ìîëåêóëû áóäåò ðåçîíàíñíûì, à íîðìàëüíàÿ êîîðäèíàòà áóäåò èçìåíÿòüñÿ ïî çàêîíóx=da/d x{Å 0Å c sin [W 0t - (k 0 - k c )r + jc ] + Å 0 Å ac sin [W 0t + (k 0 - k ac )r + jac ]} . (24.17)4d M W 0Ïî ñóòè, ýòî âûðàæåíèå îïèñûâàåò äâå âîëíû ìîëåêóëÿðíûõ êîëåáàíèé,âîçáóæäåííûõ â ñðåäå.Äèïîëüíûé ìîìåíò ìîëåêóëû áóäåò ðàâåíð = e 0à(x)Å 0 cos(w 0t - k 0 × r ) = e 0dàxÅ 0 cos(w 0t - k × r ).dx(24.18)Åñëè ïîäñòàâèòü ñþäà âûðàæåíèå äëÿ x èç (24.17), òî ìîæíî âèäåòü, ÷òîäèïîëüíûé ìîìåíò îñöèëëèðóåò íà ÷àñòîòàõ w0 + W0 è w0 - W0, èçëó÷àÿ ñîîòâåòñòâóþùèå âîëíû.Âîñïîëüçîâàâøèñü êëàññè÷åñêîé òåîðèåé èçëó÷åíèÿ ñèñòåìû îñöèëëèðóþùèõ äèïîëåé â ñðåäå, ìîæíî ðàññ÷èòàòü íàïðàâëåíèÿ, ïî êîòîðûì ðàññåÿííûåâîëíû áóäóò ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ ñ óñèëåíèåì.
Ýòè íàïðàâëåíèÿ óäîâëåòâîðÿþòóñëîâèþ âåêòîðíîãî ñèíõðîíèçìà2k0 = kc + kac.(24.19)Ñîîòâåòñòâóþùàÿ äèàãðàììà èçîáðàæåíà íà ðèñ. 24.2.Ñòîêñîâû êîìïîíåíòû ðàññåèâàþòñÿ ãëàâíûì îáðàçîì â íàïðàâëåíèè ïàäàþùåé âîëíû. Ýòî ìîæíî íàáëþäàòü â ëåêöèîííîì ýêñïåðèìåíòå.  íåì èçëó÷åíèåâòîðîé ãàðìîíèêè íåîäèìîâîãî ëàçåðà ãåíåðèðóåòñÿ â êðèñòàëëå KDP è íàïðàâëÿåòñÿ íà ïðîçðà÷íûé ñîñóä Äüþàðà ñ æèäêèì àçîòîì.
Ðàññåÿíèå ïðîèñõîäèòíà ïîëíîñèììåòðè÷íîì êîëåáàíèè ìîëåêóëû N2 ñ ÷àñòîòîé W0/2p = 7 × 1013 Ãö.Ïðè äëèíå âîëíû íàêà÷êè l0 = 0,53 ìêì åå ÷àñòîòà n0 = c/l = 5,6 × 1014 Ãö.×àñòîòà ñòîêñîâîé êîìïîíåíòû nc = n0 - W0/2p = 4,9 × 1014 Ãö, äëèíà âîëíûlc = 0,61 ìêì ñîîòâåòñòâóåò îðàíæåâîé îáëàñòè ñïåêòðà. Ïîýòîìó íà ýêðàíå,óñòàíîâëåííîì ïîçàäè ñîñóäà, íàáëþäàåòñÿ ÿðêîå îðàíæåâîå ïÿòíî â ìîìåíòëàçåðíîé âñïûøêè. Èíòåíñèâíîñòü ñòîêñîâîé êîìïîíåíòû ñîèçìåðèìà ñ èíòåíñèâíîñòüþ âîëíû âòîðîé ãàðìîíèêè.Ðàññ÷èòàåì óãîë J, ïîä êîòîðûì ðàññåèâàåòñÿ àíòèñòîêñîâà êîìïîíåíòà.Äëÿ ýòîãî ïðåäñòàâèì âîëíîâûå ÷èñëà â âèäåw 0 n0w - W0w + W0; kc = 0(n0 - Dnc ); kac = 0(n0 + Dnac )cñcè çàïèøåì ðàâåíñòâîk0 =2- 4k 0 kac cos J.kc2 = 4k 02 + kac(24.20)(24.21)Ïîäñòàâëÿÿ (24.20) â (24.21) è ó÷èòûâàÿ, ÷òî ïðè J = 1cos 2 J » 1 -J2;2W0= 1;w0DncDnac=1 è= 1,n0n0íàõîäèìJ2 »1 w 0 - W0(Dnac - Dnc ).n0 w 0 + W 0(24.22)kackcJk02k0Ðèñ.
24.2287Òàêèì îáðàçîì, àíòèñòîêñîâà êîìïîíåíòà ðàññåèâàåòñÿ âäîëü êîíóñà ñ óãëîì J ïðè âåðøèíå. ×åì âûøå ÷àñòîòà ðàññåÿííîãî ñâåòà, òåì áîëüøå ðàçíîñòü(Dnac - Dnc) è óãîë J.Íà ðèñ. 24.3 öâ. âêë. ñõåìàòè÷íî ïîêàçàíî âûíóæäåííîå êîìáèíàöèîííîå ðàññåÿíèå â æèäêîñòè èçëó÷åíèÿ ðóáèíîâîãî ëàçåðà (l0 = 6 943 D). Äëÿ óâåëè÷åíèÿèíòåíñèâíîñòè ñâåòîâîé ïó÷îê ñ ïîìîùüþ ñîáèðàþùåé ëèíçû ôîêóñèðóåòñÿâ ñåðåäèíó êþâåòû ñ ðàññåèâàþùåé æèäêîñòüþ. Ñòîêñîâû êîìïîíåíòû ëåæàòâ ÈÊ-îáëàñòè ñïåêòðà è ãëàçîì íå âèäíû.  ìîìåíò âñïûøêè ðóáèíîâîãî ëàçåðàíà ýêðàíå áóäåò íàáëþäàòüñÿ îêðàøåííîå ñâåòîâîå ïÿòíî, ðàñïðåäåëåíèå îêðàñêè êîòîðîãî âäîëü ðàäèóñà ïîäòâåðæäàåò ñïðàâåäëèâîñòü (24.22).Âûñîêàÿ èíòåíñèâíîñòü ðàññåÿííûõ êîìïîíåíò ïðè ÂÊÐ ïîçâîëÿåò ñîçäàâàòü ðàçíîîáðàçíûå ïðåîáðàçîâàòåëè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ.
Øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëà ñïåêòðîñêîïèÿ êîãåðåíòíîãî àíòèñòîêñîâà ðàññåÿíèÿ ñâåòà(ÊÀÐÑ). Åå öåëü èññëåäîâàíèå ñïåêòðîâ ìîëåêóëÿðíûõ êîëåáàíèé. Ìîëåêóëÿðíûå êîëåáàíèÿ íà ÷àñòîòå W0 âîçáóæäàþò äâóìÿ âîëíàìè ñ ÷àñòîòàìè w1è w2 = w1 + W0, à òðåòüÿ (ïðîáíàÿ) âîëíà ïðåòåðïåâàåò êîìáèíàöèîííîå ðàññåÿíèå ñâåòà íà íàâåäåííîé âîëíå ìîëåêóëÿðíûõ êîëåáàíèé. Èçìåíÿÿ âðåìÿ çàäåðæêè ìåæäó èìïóëüñàìè, âîçáóæäàþùèìè êîëåáàíèÿ, è ïðîáíûì èìïóëüñîì, ìîæíî èññëåäîâàòü äèíàìèêó çàòóõàíèÿ ìîëåêóëÿðíûõ êîëåáàíèé.Ãåíåðàöèÿ ñóïåðêîíòèíóóìà. Êàê îòìå÷àëîñü â ëåêöèè 22, â ìèêðîñòðóêòóðèðîâàííûõ âîëîêíàõ ìîæíî ïîëó÷èòü ãåíåðàöèþ ñïëîøíîãî ñïåêòðà, èëè ñóïåðêîíòèíóóìà. ýêñïåðèìåíòå, âûïîëíåííîì â ëàáîðàòîðèè ôîòîíèêè è íåëèíåéíîé ñïåêòðîñêîïèè êàôåäðû îáùåé ôèçèêè è âîëíîâûõ ïðîöåññîâ ôèçè÷åñêîãî ôàêóëüòåòà ÌÃÓ èì.
Ì. Â. Ëîìîíîñîâà, èìïóëüñ èçëó÷åíèÿ òèòàí-ñàïôèðîâîãîëàçåðà ñ äëèíîé âîëíû 800 íì (ñì. äàëåå) íàïðàâëÿëñÿ â îòðåçîê ìèêðîñòðóêòóðèðîâàííîãî êâàðöåâîãî âîëîêîííîãî ñâåòîâîäà, íà âûõîäå êîòîðîãî íàáëþäàëñÿ ñïëîøíîé ñïåêòð (ðèñ. 24.4 öâ. âêë.).Äëÿ îáúÿñíåíèÿ ýòîãî ÿâëåíèÿ ïðèìåì âî âíèìàíèå, ÷òî êâàðöåâîå ñòåêëîîáëàäàåò êóáè÷íîé íåëèíåéíîñòüþ.
Òîãäà áóäåò âîçíèêàòü ñàìîìîäóëÿöèÿ èìïóëüñà, ïðèâîäÿùàÿ ê ðàñøèðåíèþ åãî ñïåêòðà. Êðîìå òîãî, áóäåò ïðîèñõîäèòü âûíóæäåííîå êîìáèíàöèîííîå ðàññåÿíèå ñâåòà, ïðè êîòîðîì ïîÿâëÿþòñÿñòîêñîâû êîìïîíåíòû ìåíüøèõ ÷àñòîò. Èç-çà ëîêàëüíîé êîíöåíòðàöèè ýíåðãèè ïàäàþùåé âîëíû, îáóñëîâëåííîé êàê ìèêðîñòðóêòóðîé âîëîêíà, òàêè êîìïåíñàöèåé äèñïåðñèîííîãî ðàñïëûâàíèÿ èìïóëüñà, èíòåíñèâíîñòü ðàññåÿííûõ êîìïîíåíò ìîæåò áûòü äîñòàòî÷íî âûñîêîé. Ïîýòîìó ìîæåò ïðîèñõîäèòü è ïîâòîðíîå ðàññåÿíèå ñòîêñîâûõ êîìïîíåíò, ïðè êîòîðîì ïîÿâëÿþòñÿâîëíû ñ åùå áîëåå íèçêèìè ÷àñòîòàìè è ò.
ä.Ïî ñóùåñòâó îïòè÷åñêàÿ ñèñòåìà, èçîáðàæåííàÿ íà ðèñ. 24.4 öâ. âêë., ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé èìïóëüñíûé «ëàçåð áåëîãî ñâåòà». Íà âûõîäå òàêîãî ëàçåðà ïîÿâëÿåòñÿ ÿðêàÿ âñïûøêà áåëîãî ñâåòà, èíòåíñèâíîñòü êîòîðîãî íà ìíîãî ïîðÿäêîâïðåâîñõîäèò èíòåíñèâíîñòü äðóãèõ èñòî÷íèêîâ áåëîãî ñâåòà. Èñïîëüçîâàíèå êàâû÷åê â íàçâàíèè ëàçåðà ïîä÷åðêèâàåò íåêîòîðóþ åãî óñëîâíîñòü: èíòåíñèâíîñòü èìïóëüñà âåëèêà, à î ìîíîõðîìàòè÷íîñòè ñâåòà ãîâîðèòü íå ïðèõîäèòñÿ.Ãåíåðàöèÿ èìïóëüñîâ ïèêîñåêóíäíîé äëèòåëüíîñòè. Ðàññìîòðèì ïðîöåññ ãåíåðàöèè ñâåòîâîãî èìïóëüñà ëàçåðîì, â ðåçîíàòîð êîòîðîãî ïîìåùåíà êþâåòàñ æèäêîñòüþ, êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ a êîòîðîé çàâèñèò îò èíòåíñèâíîñòè.Îí çàäàåòñÿ òåì æå âûðàæåíèåì, ÷òî è êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ (7.19)288a=a0.1 + I I íàñ(24.23)Ñ óâåëè÷åíèåì èíòåíñèâíîñòè êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ óìåíüøàåòñÿ, ïîñêîëüêó ðàçíîñòü çàñåëåííîñòåé n2 - n1 ® 0.
Êþâåòà ñ íåëèíåéíûì ïîãëîòèòåëåì íàçûâàåòñÿ ïðîñâåòëÿþùèìcÿ ôèëüòðîì. Îáû÷íî â êà÷åñòâå òàêèõ ïîãëîòèòåëåé èñïîëüçóþò ðàñòâîðû ðàçíîîáðàçíûõ êðàñèòåëåé.Ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå â ðåçîíàòîðå ëàçåðà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñóïåðïîçèöèþ N ïðîäîëüíûõ ìîä, ÷àñòîòû êîòîðûõ ïîïàäàþò â ïîëîñó óñèëåíèÿ øèðèíîéDnóñ.Ýòè ìîäû, âîçíèêàþùèå ïðè ñïîíòàííîì èçëó÷åíèè, èìåþò ñëó÷àéíûå àìïëèòóäû è íà÷àëüíûå ôàçû. Ïîëå â ëþáîé òî÷êå ðåçîíàòîðà ìîæíî çàïèñàòü â âèäåÅ (t ) =Nå Am cos[2pnt + (m - 1)dnt + j m ],m =1(24.24)ãäå n ÷àñòîòà íèçøåé ìîäû; dn = c/2L ìåæìîäîâàÿ ÷àñòîòà (ñì.
(7.11)); N == Dnóñ /dn ÷èñëî óñèëèâàåìûõ ìîä.Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â ìîìåíò âðåìåíè t = 0 âíóòðè êþâåòû ïðîèçîøåë ñëó÷àéíûé âñïëåñê èíòåíñèâíîñòè I = E 2. Ýòîò ñëó÷àéíûé èìïóëüñ ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè ÷åðåç íåëèíåéíûé ôèëüòð èñïûòûâàåò ìåíüøåå ïîãëîùåíèå, ÷åìîñòàëüíûå ôðàãìåíòû âîëíû â ðåçîíàòîðå (ðèñ. 24.3, à).Ïðè êàæäîì ïðîõîäå ðåçîíàòîðà (ðèñ.
24.3, á, â) ýòîò èìïóëüñ áóäåò óñèëèâàòüñÿ, è çàòåì ÷àñòü åãî ýíåðãèè ñ èíòåðâàëîì t = 2L/c áóäåò âûõîäèòüèç ðåçîíàòîðà. Ñëåäîâàòåëüíî, ëàçåð áóäåò ãåíåðèðîâàòü ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èìïóëüñîâ, äëèòåëüíîñòü êàæäîãî èç êîòîðûõ t0 ~ 1/Dnóñ.Íà ñïåêòðàëüíîì ÿçûêå ôîðìèðîâàíèå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè èìïóëüñîâ îáóñëîâëåíî ñèíõðîíèçàöèåé ìîä ëàçåðà. Åñëè ïîëîæèòü â (24.24) Am = A0, jm = j0, òîsin N pdntcos 2pnt .sin pdntÇäåñü äëÿ ïðîñòîòû ïðèíÿòî j0 = 0.
Òîãäà èíòåíñèâíîñòüÅ (t ) = A0(24.25)2é sin N pdnt ùI (t ) = I 0 ê.ë sin pdnt úû(24.26)Ãðàôèê çàâèñèìîñòè I(t) ïîêàçàí íà ðèñ. 24.4.Ðèñ. 24.3Ðèñ. 24.4289Ïåðèîä ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ t = 2L/c, à äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà t0 îïðåäåëÿåòñÿ èç óñëîâèÿ Npdnt0 = p. Îòñþäàt0 =11=.N dn Dn óñ(24.27)Äëÿ òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðîâ øèðèíà ïîëîñû óñèëåíèÿ Dnóñ /c ~ 102 ñì-1. Ïîýòîìó äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà t0 ~ 0,3 × 10-12 ñ = 0,3 ïñ. Ðåàëüíûå äëèòåëüíîñòèáîëüøå, ïîñêîëüêó íå óäàåòñÿ äîñòè÷ü ïîëíîé ñèíõðîíèçàöèè âñåõ ìîä, ïîïàäàþùèõ â ïîëîñó óñèëåíèÿ.Ðàññìîòðåííàÿ ñèíõðîíèçàöèÿ ìîä íàçûâàåòñÿ ïàññèâíîé.  êà÷åñòâå ïðèìåðà óìåñòíî ïðèâåñòè òèïè÷íûå òåõíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ðàñïðîñòðàíåííîãî YAG:ND3+-ëàçåðà ñ ïàññèâíîé ñèíõðîíèçàöèåé ìîä.Ïðè íåïðåðûâíîé íàêà÷êå îí ãåíåðèðóåò ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ïèêîñåêóíäíûõ èìïóëüñîâ.
Ýíåðãèÿ åäèíè÷íîãî èìïóëüñà W £ 1 ìÄæ, äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà t0 ~ 10 ïñ. Ïèêîâàÿ ìîùíîñòü èìïóëüñà P » W/t0 ~ 108 Âò.Äëÿ ïàññèâíîé ñèíõðîíèçàöèè ìîä â òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðàõ ïðèìåíÿåòñÿòàêæå êåððîâñêàÿ ëèíçà. Îíà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íåëèíåéíóþ ñàìîôîêóñèðóþùóþ ñðåäó (n2 > 0), â êîòîðîé ïðîèñõîäèò êåððîâñêàÿ ñàìîôîêóñèðîâêà.  âîëîêîííûõ ëàçåðàõ (ñì. äàëåå) èñïîëüçóåòñÿ òàêæå íåëèíåéíîå (çàâèñÿùååîò èíòåíñèâíîñòè) âðàùåíèå ïëîñêîñòè ïîëÿðèçàöèè.Ïðè èìïóëüñíîé íàêà÷êå ãåíåðèðóþòñÿ èìïóëüñû íàíîñåêóíäíîé äëèòåëüíîñòè, êàæäûé èç êîòîðûõ ñîñòîèò èç ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ïèêîñåêóíäíûõ èìïóëüñîâ (öóãà), ñëåäóþùèõ ñ èíòåðâàëîì t = 2L/c.Áîëüøåé ñòàáèëüíîñòè è óâåëè÷åíèÿ ÷àñòîòû ïîâòîðåíèÿ öóãîâ äîáèâàþòñÿñ èñïîëüçîâàíèåì àêòèâíîé ñèíõðîíèçàöèè ìîä.
Äëÿ ýòîãî âíóòðü ðåçîíàòîðàëàçåðà âáëèçè îäíîãî èç åãî çåðêàë ïîìåùàþò àìïëèòóäíûé èëè ôàçîâûé ìîäóëÿòîð (ðèñ. 24.5). ×àñòîòà ìîäóëÿöèè äîëæíà áûòü ðàâíà ìåæìîäîâîé ÷àñòîòådn = c/2L.Àìïëèòóäíàÿ ìîäóëÿöèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ýëåêòðîîïòè÷åñêèì èëè àêóñòîîïòè÷åñêèì çàòâîðîì. Ýëåêòðîîïòè÷åñêèé çàòâîð ñîñòîèò èç ÿ÷åéêè Êåððà èëèÏîêêåëüñà, ïîìåùåííîé ìåæäó äâóìÿ ñêðåùåííûìè ïîëÿðèçàòîðàìè. Àêóñòîîïòè÷åñêèé ìîäóëÿòîð ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êðèñòàëë, â êîòîðîì âîçáóæäàåòñÿñòîÿ÷àÿ àêóñòè÷åñêàÿ âîëíà ÷àñòîòîé fçâ = dn = c/2L.Óñòàíîâëåíèå ñèíõðîíèçàöèè ïðè ïðèìåíåíèè ìîäóëÿòîðîâ ïðîèñõîäèòïîñëåäîâàòåëüíî.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
