principy_nelinejnoj_optiki_1989 (769482), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Решение ($0.35) снова напоминает решение для случая параметрической генерации. В предположении плоской границы х=0 и отсутствия истощения накачки оно имеет вид Е, = [Е~+ ехр(»»5К+г) + д'~ ехр(3ЛК г)[ ехр( — й,.г), (10.37) Е, = ]д',+ ехр (»ЬК+г)+ д', ехр(»»»»К з) ] ехр (Ис, . г+ Ийз), где й — зз,зе, Лй = й», — й„— й~, й, )г з, з»в ыз »5Ех= з (у уз)~ в [(у +»з)' 4'Ч У, = — '(га» + 2йв) йк = — '4п)(~вм ] Е»!з, »» 21с»»с 4аз»зз»зз ($0.38) Как и следовало ожидать, это решение сводится к решению для случая простой генерации стоксовой комбинационной компоненты или параметрического усиления, когда, соответственно, исчезает связь ИК поля волны Е, с другими волнами (А»» О, усе=0) и когда исчезает нелинейная зависимость р» от Е» и Е, (М»» О). Конкретные примеры, относящиеся к кристаллам 6аР и ЫЧЪО„ можно найти у Генри и Гарретта и у Суссмана (32].
При соответствующем выборе угла между волновыми векторами к» и к„ обеспечивающем перестройку вдоль поляритонной дисперсионной кривой, выходное излучение при вынужденном поляритонном рассеянии оказывается перестраиваемым по частоте. Это было продемонстрировано на примере кристалла ЫЧЬО, (33]. В етом случае выходное ИК излучение перестраивается от 50 до 238 см '. Его пиковая мощность достигала 5 Вт, когда излучение рубинового 173 лазера, работавшего в режиме модуляции добротности, мощностью 1 МВт и диаметром пучка 2 мм фокусировалось линзой с фокусным расстоянием /= 50 см в кристалл 1аХЬО, длиной 3,3 см.
Мощность выходного излучения ограничивается низким порогом повреждения кристалла 11ЫЬО,. На практике следует использовать одномодовые лазеры, чтобы избежать появления в лазерном пучке горячих точек, которые увеличивают вероятность повреждения кристалла. Вынужденное поляритонное рассеяние наблюдалось также в кварце. 10.8 Вынужденное комбинационное рассеяние с переворотом спина (10.39) С уществует другой способ получения перестраиваемого по частоте излучения с помощью ВКР.
Для этого нужно испольэовать излучение накачки с фиксированной частотой и менять резонансную частоту возбуждения среды. Примером является ВКР на зеемановских подуровнях. В этом случае реаонансная частота перестраивается при приложении внешнего магнитного поля. К сожалению, диапазон перестройки при этом обычно бывает небольшим. Зеема! новское расщепление, равное 2негВ яВ/21,4 см ', где  — в кнлоэрстедах, составляет всего 1 см ' при я=2 и В =10кЭ. ~/е Однако в некоторых твердых телах эффектив- ный я-фактор может быть гораздо большим, „> например, в 1пЗЬ он равен я= 50.
Следовательно, если В меняется от 0 до 100 кЗ, то величина ее ем апов ского расщепления будет меняться в диапазоне -240 см-'. Это уже довольно широкая область перестройки. Оказалось, что 1пЗЬ имеет большое сечение КР в ИК диапазоне. Зеемановские уровни электронов в зоне проводимости полупроводников обычно называют уровнями Ландау, Рис. 10Л6. Схема КР с переворотом спина а комбинационное рассеяние между состоянияз и-1взЬ ми со спином, направленным вверх, и состоя- ниями со спинок, направленным вниз, получило название комбинационного рассеяния с переворотом спина и показано схематически на рис. 10.16. Вольф и Яфет 134] показали, что сечение КР с переворотом спина дается формулой 4)-=( —.':.
)Ъ~,~ .;Г в случае, когда поляриаации волны накачки и стоксовой взаимно перпендикулярны, причем т,=2т/~б! есть спиновая масса электрона, ш — обычная масса электрона, К,— ширина запрещенной зоны. В 1пЗЬ я = 50, Ке 1900 см-', так что при КзйвДК'- йесее~) ° 1 сечение КР с переворотом спина оказывается примерно в 174 600 раз больше, чем томсоновское сечение для свободных электронов, которое составляет (ез/те<)з - 10 " см*/ср. Эти оценки соответствуют результатам экспериментальных наблюдений в 1пЭЬ, выполненных с использованием СО, лазера (<з< 940 см ').
Для сравнения укажем, что сечение КР для самой сильной колебательной моды бензола на частоте 992 см ' в видимом диапазоне равно 3 10зм см'/ср. При й<з<=Ев сечение (<10/<И)„может стать еще больше в результате резонансного возрастания, как это видно на рис. 10.17. е б,~ ху 47 ду ду При использовании лазера на СО с ы х„„вм частотой <е< 1800 см ' сечение (<йг/<йв), оказалось в 10з раз больше, чем томсоновское сечение рассеяния.
ш Согласно (10.8) коэффициент усиления при ВКР бп пропорционален <у(<10/<)И) Г ', где <з в случае рассеяния с переворотом спина соответствует плотности носителей. Для полупроводников и-типа (рис. 10.16) <з — это плотность электронов в зоне проводимости. Отсюда следует, что на величину бя сильно влияет фактор <з', который оказывается всегда много меньшим, чем плотность атомов или молекул в конденсированной среде. Но даже с учетом этого при У) 10" см ' г величина бз все же будет больше, чем для других конденсированных сред, если предположить, что ширина линии Г р у них одинакова.
Фактически величи- гвр Г«< на Г в и-1п8Ь очень мала пРи ннз- Рзс. 103'У. Резененснеезезрзской температуре и зависит от плотно- ганне сеченая спентзннеге НР сти носителей и произведения й, ° Н. с перезоретен спина з функПРи <з'= 1 10" см-' величина Г может пнй знеРгнн Фотона некачзн; з 20'в сн-з, Н 40 кЭ, быть Равна 0,15 см ~'(35]. Р 20Н (и) з 8 и Полагая в (10.8) Г= 2 см ', <з'= меега<в<ее А. у РЬуз. Неч. 3 10<в см-з р< р, = 1, для и-1пЭЬ Ьеп.— 4972.'Ч. 28. Р. 10Ц находим, что для КР с переворотом спина 6„ 1,7 .
10-' 1см ', где 1 — интенсивность излучении лазера на СО, в ваттах на квадратный сантиметр. Это самая большая из иавестных величина комбинационного усиления. Ее можно еще увеличить, подбирая величину <з для достижения оптимальной величины произведения <<<Г ' и подстраивая й<е< ближе к резонансу с Ев. На частоте лазера на СО усиление становится равным 6 10 ~1см '. На основании этих оценок можно ожидать увидеть ВКР с переворотом спина в образце 1пЭЬ толщиной в несколько миллиметров при использовании пучка накачки с интенсивностью около 10' Втlсм* с длиной волны 10,8 мкм или порядка 10' Вт/см' при накачке с длиной волны 5,3 мкм.
На практике наличие оптической 175 обратной связи на границах раздела воздух — среда может привести к комбинационной генерации. Пател и Шау [7], используя лазер на СО, с модулированной добротностью с мощностью 1 кВт на длине волны 10,6 мкм, излучение которого фокусировалось в пятно размером 10 э смэ в образец н-1п8Ь с Ж ж 10м см з толщиной 5 мм при Т= 18 К, получили стоксово излучение мощностью 10 Вт. Выходное излучение перестраивалось от 10,9 до 13,0 мкм при изменении магнитного поля В от 15 до 100 кЭ.
Ширина линии выходного излучения была меньше 0,03 см '. Используя одномодовый непрерывный лазер на СО на длине волны 5,3 мкм, излучение которого фокусировалось в пятно с площадью 5 10 ' см* в образец к-1п8Ь толщиной 4,8 мм с У=10" см * при Т = 30 К, Брюик и Мурадян [36) получили порог комбинационной генерации меньший 50 мВт; при этом коэффициент преобразования по мощности составил 50$, а максимальная мощность стоксовой компоненты превысила 1 Вт. Ширина линии выходного излучения может быть около 1 кГц. На образцах, помещенных в слабое магнитное поле, была получена эффективность преобразования около 80$ [37).
Наблюдались также стоксовы и антистоксовы компоненты вплоть до четвертого порядка. Подробно рабочие параметры комбинационных лаверов на переходах с переворотом спина в 1п8Ь приведены в [38]. Вынужденное КР с переворотом спина может наблюдаться и в других полупроводниках. В литературе сообщалось о наблюдении ВКР в С68 при накачке лазером на красителе, в 1пАэ — при накачке лааером на НР, а также в РЬ 8п, Те, Нй.СЙ, Те и Нк.Мп, Те — при накачке лазером на СО, с поперечным разрядом.
Переход с переворотом спина можно воабудить как с помощью процесса комбинационного рассеяния, так и путем процесса прямого однофотонного поглощения, хотя последний будет слабым, так как это магнитодипольный переход. Следовательно, строго говоря, ВКР с переворотом спина является частным случаем вынужденного поляритонного рассеяния [39], и для его описания можно испольэовать теорию, развитую в предыдущем разделе.
В дополнение к стоксовой компоненте можно ожидать появления излучения в далекой ИК области на частоте перехода с переворотом спина. В данном случае, однако, расчет будет сравнительно простым, так как поглощение свободных носителей на частоте в, очень велико, и в (10.38) 'мы всегда имеем (7,+ 7,)' ~Л.
В результате усиление почти в точности равно вынужденному комбинационному усилению для случая Л=О. На рис. 10.18 мы приводим результаты расчета усиления и отношения мощности излучения в далеком ИК диапазоне к мощности стоксовой компоненты. В атом примере невозможен коллинеарный синхронизм, поэтому мощность сигнала в далеком ИК диапазоне в прямом направлении сравнительно мала. В направлении иеколлинеарного синхронизма она увеличивается. Фактически, поскольку прямое возбуждение перехода с переворотом спина слабо, мощность сигнала в далекой ИК области можно найти посредством итераций, находя сначала величину мощности 17Э стоксовой компоненты для процесса ВКР, а затем рассчитав величину мощности на разностной частоте для процесса смешения волн накачки и стоксовой.
До сих пор не было сообщений о наблюдении излучения в далеком ИК диапазоне для комбинационных лазеров с переворотом спина. Попытка делалась только для коллинеарного случая в отсутствие фазового синхронизма. Однако генерация иалучения в далеком ИК диапазоне при оптическом смешении волны накачки и э ш з 5 И с~ з юЫ р и -о -е "г д 2 Ф Ю (шз- ыз) /Г Рис. 10Л8. Теоретические кривые, описывающие комбинационное усиление Г (штрихпувктирная кривая) и отношение мощности свгвала в далеком ИК диапазоне Р(мз) н мощности сигнала КР Р(аз) для случаев коллинеарного распространения з отсутствие фазового сивхронизма (а) и неколлвиеарного распространения в условиях фазового сввхронизма. (о) [39) стоксовой волны в 1пБЬ наблюдалась, и максимум ее совпадал с частотой перехода с переворотом спина [40]. Результаты хорошо согласуются с теорией.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
