1612045808-897604033167dc1177d2605a042c8fec (533738), страница 122
Текст из файла (страница 122)
е. расширить спектральный диапазон доступных источников когерентного излучения. Другое важное применение процесса сложения частот связано с возможностью создания чувствительных и малоинерционных детекторов инфракрасного излучения. Если в видимой области (А-600 нм) фотоумножители позволяют регистрировать потоки порядка ста фотонов в 1 с, то в области — 1О мкм для надежной регистрации существующими приемниками необходимы потоки порядка 10" фотонов в 1 с. Поэтому возможность преобразования инфракрасного излучения в видимое даже с относительно невысокой эффективностью представляется чрезвычайно привлекательной. Преобразование «вверх» частоты ы~ сигнальной волны от слабого источника возможно при ее взаимодействии в нелинейной среде с сильной «волной накачки» частотой ыт.
Нелинейная поляризоввнность среды Р1'=за~ннЕ«»соз(Кг — ы11)Етсоз()хтг — ыт1) со«! держит слагаемое на частоте в»=ой~ + ыт. Полагая для простоты направления напряженностей электрических полей обеих волн одинаковымн, это слагаемое запишем в виде Р ='/тзьнтЕ~Е»соз1(к1+ +йт)г — (ы~ + ыт)1]. В результате в среде возникает вторичная волна с суммарной частотой ыт=ы~+ ыт. Интенсивность этой волны нарастает по мере распространения, если ее фазовая скорость и направление такие же, как у возбуждающей ее волны поляризованности Р". Другими словами, для эффективного перехода энергии сигнальной волны н волны накачки к волне с суммарной частотой ыт должно выполняться следующее векторное условие простран- ственного синхронизма: из=В~+к» В изотропной прозрачной среде в области нормальной дисперсии удовлетворить этому условию одновременно с условием ы»= ьч + ыт невозможно (см. задачу).
Пространственный синхронизм, как и в случае генерации второй гармоники, можно получить в некоторых кристаллах, если использовать обыкновенные и необыкновенные волны. Условия синхронизма для разных процессов (удвоения частоты, генерации суммарной и разностной частот) не совпадают, что позволяет реализовать на опыте какой-либо один нелинейный процесс пря полном подавлении остальных.
Процесс параметрического взаимодействия в нелинейной среде трех волн, частбты которых связаны соотношением он + ыт=ыз, можно использовать для усиления слабой волны частотой ои нли ыт за счет энергии мощной волны накачки с большей частотой ыт (рис.
10.4). Принцип параметрического усиления свето был предложен С. А. Ахмановым и Р. В. Хохловым в 1962 г. н осуществлен Джордмейном и Миллером в 1965 г. Взаимодействие сильной волны накачки с частотой ыт и слабой сигнальной волны с частотой ы1 за счет квадратичной восприимчивости нт приводит к появлению в нелинейной поляризованности осцилляций на разностной частоте ыт = ыз — ось При выполнении .векторного условия пространственного синхронизма распространяющиеся в направлении вектора кт вторичные волны частотой ыт, испускаемые во всем объеме нелинейной среды, складываются синфазно. В результате энергия сильной волны накачки частоты ы» эффективно передается «холостой» волне с разностной частотой мт = ыз — ьч и сигнальной волне частотой ыь вызывая ее усиление.
На квантовом языке параметрическое усиление можно рассматривать как процесс вынужденною распада фотона волны накачки с энергией Ьыт на два фотона с энергиями Вон и Ьыь Поэтому при прохождении некоторого расстояния в нелинейной среде увеличение плотности потока фотонов в сигнальной н холостой волнах одинаково и равно уменьшению плотности потока фотонов волны накачки.
Соотношение ыт= ы~ + ыт выражает закон сохранения энергии в таком процессе. Условие пространственного синхронизма кт = й~ + йт можно рассматривать как закон сохранения импульса Ькт = дй~ + Акт для элементарного акта распада. Наряду с рассмотренным выше вынужденньсм процессом распада фо' тона волны накачки на два фотона, вероятность которого пропорциональна интенсивности сигнальной волны, в нелинейной среде возможен и соответствующий спонтанный процесс распада, происходящий и при отсутствии сигнальной волны.
Такое явление было обнаружено на опыте в 1967 г. н называется параметрической люминесиенцией или параметрическим рассеянием. Процессы уй 6' хдз' ч квр ш.4 Схема параметрического генератора света: ! — лазер закачки с удваителем частоты: 2 — нелинейный кристалл в оптическом резоззтпре параметрического усиления н люминесценции находятся в такой же связи, как вынужденное и спонтанное испускание фотона квантовой системой при переходе из возбужденного состояния в основное. ведением положительной обратной В связи параметрический усилитель можно превратить в генератор. Для этого нелинейную среду, как в лазерах, помещают в оптический резонатор, образованный двумя зеркалами (рис.
10.4). Нелинейный кристалл ориентируется так, что для волн, распространяющихся в одном направлении перпендикулярно зеркалам, выполняется условие пространственного синхронизма йг+)гт=йэ либо (г)+ (гэ=йз. Зеркала Мг и Мз имеют высокие коэффициенты отражения для частот юг н озэ, так что сигнальная и холостая частоты ю~ и юэ соответствуют высоко- добротным модам резонатора. Зеркало Мг одновременно должно быть прозрачно для частоты озз излучения накачки.
При достаточно большой мощности волны накачки параметрическое усиление одной из волн юг или юэ на длине нелинейного кристалла превысит суммарные потери за проход, возникаюп(ие из-за неполного отражения от зеркал, поглощения, рассеяния и других причин. Тогда происходит самовозбуждение генератора (с затравкой из-за параметрической люминесценции ) н возникает когерентное излучение на частотах ю~ и оьз. В перпендикулярном зеркалам резонатора направлении, соответствующем его максимальной добротности, условие пространственного синхронизма йз = )с~ + йэ при фиксированной частоте накачки озз выполняется для вполне определенных частот юг и юэ, связанных соотношением ю~ + озэ=юз.
На них и происходит параметрическая генерация. При изменении ориентации кристалла нли его температуры или при наложении постоянного электрического поля частбты ю~ и юэ изменяются. Эти обстоятельства можно использовать для плавной перестройки частоты параметрического генератора. Полоса перестройки частот генерации определяется диапазоном частот, для которого в данном нелинейном кристалле возможен пространственный синхронизм. Весьма жесткие требования предъявляются к источнику накачки. Его излучение должно иметь высокую монохроматичность и малую угловую расходимость. Недостаточная временная и пространственная когерентность излуче- ния накачки нарушает условие пространственного синхроннзма и поэтому увеличивает пороговую мощность и снижает к.
п. д. Обычно в качестве излучения накачки используют вторую гармонику неодимового лазера на иттрий-алюминиевом гранате (УАО:Хг)). Созданные на основе высококачественных нелинейных кристаллов ниобата лития (.)ХЬОз, ниобата бария-натрия ВаэЫа(х)ЬзО,з, дигидрофосфата калия КОР и аммония АОР параметрические генераторы света позволяют получать когерентное излучение с плавной перестройкой частоты во всем видимом и инфракрасном диапазоне спектра. Контрольные вопросы П В чем ааключается процесс параметрического преобразовнния частоты света в нелинейной среде? П Какие перспективы связаны с возможностью параметрического преобразования «вверх» частоты слабого инфракрасного излучения? П Обьясиите принцип параметрического усиления света в нелинейной среде.
Какую роль играет здесь условие пространствеииога сиихронизма? П В чем состоит параметрическое усиление света с точки зрения квантовых представленмй? П Объясните принцип действия параметрического генератора света. П Каким способом можно осугцествлязь плавную перестройку частоты генерируемого излучения? Задача Показать, что в иэотропиой среде в области иормалыюй дисперсии невозможно выполнение усзовня пространственного сннхроиизма й,= =и, + й, для воли. частоты которых связаны соотношением зз,=е, +шз.
Оз Так как й=шл(ш)/с, то йз=пззл(ззз)/с= (ш, +ез)л(шз)/с=ш1л(шз)/с+ +шзл(е )/с. Но ш,>ш, и ез>шз, поэтому в области нормальной дисперсии л(ез) >л(ш,» и «(шз) >л(ез). Таким образом, волновое число йз>ш,л(ш,)/с+шзл(шз)/с=й~ (- й, Поэтому условие й,=й, +й, не может выполняться даже тогда, когда асс трн волны распространяются в одном направлении. Это тем более невозможно при различных направлениях векторов й,, й, и йш так как в противном случае в образованном нми треугольнике одна сторона йз была бы ллиниее суммы длин пвух других сторон. тйл. вы узнднжзон рассеяние йййараметрнческие процессы преобраымзднлматвма — врмиаюзна зования частоты (см. $10.4) происходят при взаимодействии трех электромагнитных волн в нелинейной среде. Взаимное влияние этих волн через нелинейную восприимчивость приводит к обмену энергией между ними и делает возможным усиление слабой волны за счет энергии мощной когерентной волны накачки.
Здесь мы рассмотрим аналогичный нелинейный процесс взаимодействия трех волн в среде, из которых две электромагнитные, а одна упругая. Пусть в среде распространяется упругая плоская монохроматическая волна с частотой ь) н волновым вектором 4). Ее фазовая скорость ьэ/з/ — это скорость звука и, зависящая от упругих характеристик и средней плотности среды.
Происходящие в упругой волне периодические изменения плотности к 6О =асоф~г — Ж) приводят к пространственной модуляции показателя преломления среды бп-бо, т. е. создают своеобразную — — — — — — — объемную прозрачную (фазовую) синусоидальную дифракционную решетку. Зта решетка ничем не отличаегся от фазовой объемной голограммы (см. $7.7), на которой зарегистрирована интерференционная волне с вохиовим веха- картина от опорной волны Езсоз(кг — ы1) ром д и плоской предметной волны Е~ соз(й~г— — ы~1) (рис. 10.5). Пусть для определенности угол между векторами ц и к острый.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
