ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................ 3
ГЛАВА 1. КОЛЛИНЕАРНЫЕ И ВЕКТОРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЕТОВЫХ ВОЛН НА КВАДРАТИЧНОЙ И КУБИЧНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТЯХ...................................... 9
1.1. Коллинеарныс взаимодействия световых волн на квадратичной нелинейности..................................................... 9
1.2. Преобразование излучения с широким спектром на квадратичной нелинейности.................................................... 11
1.3. Преобразование оптического излучения на кристаллах с кубической нелинейностью................................................... 14
1.4.Векторные взаимодействия при генерации оптических гармоник....21
1.5.Зависимость интенсивности преобразованного излучения от
характеристик нелинейных оптических кристаллов ...................23
ГЛАВА 2. КОЛЛИНЕАРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЕТОВЫХ ВОЛН В КРИСТАЛЛЕ НА КУБИЧНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ.......................30
2.1. Коллинеарный синхронизм в одноосных и двухосных кристаллах .... 31
2.2. Спектральная и угловая ширина синхронизма..................... 45
2.3. Свободная и вынужденная третья оптическая гармоника .......... 48
2.4. Интенсивность излучения третьей оптической гармоники.......... 50
2.5. Экспериментальные исследования оптической гармоники в нелинейных кристаллах ..................................................... 56
ГЛАВА 3. ВЕКТОРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В НЕЛИНЕЙНЫХ ОПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ НА КУБИЧНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ 60
3.1. Углы векторного синхронизма при взаимодействии волн с одинаковыми частотами.................................................... 60
3.2. Фазовый синхронизм при векторных взаимодействиях световых волн . 69
ГЛАВА 4. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ШИРОКИМ СПЕКТРОМ В ОПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ НА КУБИЧНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ.
КОЛЛИНЕАРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.......................... 75
4.1. Преобразование излучения в третью оптическую гармонику в кристаллах для взаимодействий типа ооо->е и еее-к>...................... 75
4.2. Преобразование излучения в трепло оптическую гармонику в кристаллах для взаимодействий тина оое-го, оос-»е, осс-*е, оее-ю.........86
4.3. Управление спектрами преобразованного излучения за счет изменения поляризации основного излучения.............................. 89
ГЛАВА 5.ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ШИРОКИМ СПЕКТРОМ В ОПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ ПА КУБИЧНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ. ВЕКТОРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ................................... 94
5.1. Преобразование широкополосного излучения в оптических кристаллах при фиксированных направлениях волновых векторов К\, К2, А'-,
( частотные спектры).......................................... 94
5.2. Преобразование широкополосного излучения в оптических кристаллах при заданных значениях частот (о|,оь и о* ( угловые векторные спектры).100
ЗАКЛЮЧЕНИИ..................................................... 105
ЛИТЕРАТУРА..................................................... 107
3
ВВЕДЕНИЕ
Прогресс в развитии нелинейной оптики [1-29] открыл широкие возможности практического применения этой области оптики в различных целях в квантовой электронике, физике, приборостроении, неразрушающих исследованиях и контроле. Эффект преобразования излучения в оптические гармоники положен в основу оптических приборов, преобразователей частоты лазерного излучения [14,15], преобразователей изображения из инфракрасной области спектра в видимую [24], параметрических генераторов света [7], измерителей длительности сверхкоротких импульсов света [9]. Оптические приборы, созданные на основе преобразования частот излучения в нелинейных кристаллах, предназначены для решения практических задач, таких как каскадное преобразование частоты лазерного излучения (удвоители и утроители частоты), преобразования изображения при использовании в качестве накачки немонохроматического излучения (нелинейные тепловизоры) [14-25].
11ри разработке и конструировании этих оптических приборов необходима новая научная информация о нелинейных оптических процессах, происходящих в кристаллах при воздействии на кристаллы мощного излучения [2]. Вызывает значительный интерес исследование влияния немонохроматичности (широкополосностн) излучения на нелинейные оптические процессы [14,20]. Оказалось возможным преобразование по частоте в нелинейных оптических кристаллах нелазерного широкополосного теплового излучения [22.23]. Эффективность преобразования в этом случае оказалось не ниже, а иногда даже выше по сравнению с преобразованием лазерного излучения при одинаковых условиях эксперимента. Такая высокая эффективность преобразования обусловлена возможностью перекрестных векторных и частотных взаимодействий световых волн [16,17].Все предыдущие теоретические и экспериментальные работы по преобразованию излучения с широким спектром выполнены для кристаллов с квадратичной нелинейностью. Таким образом, данное направление исследований является новым, перспективным и его можно назвать
4
"нелинейная оптика нелазерного широкополосного излучения". К настоящему времени выполнено достаточно много работ в этом направлении, но исследованы только квадратичные процессы, то есть проведен учет генерации вторых оптических гармоник и суммарных частот на квадратичном нелинейности [16,17,21-22,25].
Рассмотрение процессов преобразования широкополосного излучения в кристаллах с кубичной нелинейностью, до начала работ автора диссертации, выпало из внимания исследователей. Это, вероятно, произошло по чисто психологическим факторам. Интуитивно считалось, что из-за меньшей эффективности преобразования излучения с широким спектром на кубичной нелинейности по сравнению с квадратичной, данные процессы практического применения не найдут.
Однако фокусирование широкополосного излучения в нелинейный оптический кристалл приводит к большому числу комбинаций пересекающихся под различными углами лучей (векторные взаимодействия) и комбинаций большого числа лучей с различными частотами ( перекрестные частотные взаимодействия) [26-50]. Вклад всех этих взаимодействий в преобразование излучения является определяющим [35,41-47]. Оценки показывают, что при фокусировании излучения в кристалл с кубичной нелинейностью коэффициент преобразования выше на два-три порядка, по сравнению со второй оптической гармоникой [49-56]. Отметим, что при оптимальной фокусировке в кристалл для второй оптической гармоники выигрыш в коэффициенте преобразования по сравнению с нефокусированным излучением достигает почти трех порядков (800 раз). Такое повышение эффективности преобразования обусловлено перекрестными векторными взаимодействиями. Примерно, таких же порядков увеличения эффективности преобразования следует ожидать при учете вклада перекрестных частотных взаимодействии. Таким образом, результирующий коэффициент преобразования может окашться того же порядка, что и для квадратичной среды.
5
В связи со сказанным, теоретический анализ особенностей коллинеарных и векторных взаимодействий на кубичной нелинейности при преобразовании широкополосных световых волн в нелинейных оптических кристаллах является актуальным и важным для оптического приборостроения. Работы по преобразованию широкополосного излучения на кубичной нелинейности являются частью нового перспективного направления "нелинейной оптики нелазерного широкополосного излучения.”
Основной целью работы является исследование закономерностей преобразования немонохроматнческого излучения в оптических кристаллах на кубичной нелинейности при коллинеарных и векторных взаимодействиях.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи.
1. Впервые детально проанализированы коллинеарные взаимодействия на кубичной нелинейности и рассчитаны перестроечные кривые для кристаллов КТР, LFM. LiJ03, LiNb03. ADP, KDP, CaCO}.
2. Исследована обеспеченность всех рассчитанных типов взаимодействии компонентами тензора кубичной нелинейной восприимчивостью.
3. Изучены векторные взаимодействия световых волн на кубичной нелинейности кристалла.
4. Впервые детально выявлены условия реализации фазового синхронизма взаимодействующих волн на кубичной нелинейности (третья гормоника).
5. Впервые рассчитаны спектры преобразованного излучения широкополосного излучения для нефокусированных (коллинеарных) пучков излучения для кристаллов КТР, LFM, LiJ03, LiNb03, ADP, KDP.
6. Исследовано влияние поляризации излучения смешиваемых пучков на спектр преобразованного широкополосного излучения.
7. Рассчитаны спектры преобразованного широкополосного излучения при фиксированных значениях волновых векторов К\, К2, А*3 смешиваемых волн в кристаллах КТР, LFM, СаС03.
6
8. Рассчитаны спектры преобразованного широкополосного излучения при векторном взаимодействии в кристалле КТР при изменяющихся направлениях волновых векторов.
Таким образом, в диссертационной работе основное внимание уделено изучению закономерностей преобразования нелазерного широкополосного излучения на кубичной нелинейности.
Все полученные в диссертационной работе научные результаты и используемые методы могут служить основой для создания новой инфракрасной техники, применяемой для визуального наблюдения ИК излучения и изображения, а также для неразрушающих исследований и контроля.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
В первой главе приведен обзор литературы, необходимой для детального ознакомления с последующими главами.
Во второй главе рассмотрены коллинеарные взаимодействия световых волн в кристалле на кубичной нелинейности. Приведены расчетные результаты по коллинеарным взаимодействиям в кристаллах КТР, LFM, LiJOj, LiNbO-„ ADP, KDP,CaCOj.
Третья глава посвящена изучению векторных взаимодействии световых волн в нелинейных оптических кристаллах на кубичной нелинейности.
В четвертой главе приведены исследования преобразования излучения с широким спектром на кубичной нелинейности при коллинеарных взаимодействиях. Показана зависимость спектров преобразованного излучения от поляризации накачки.
11ятая глава посвящена исследованию преобразования излучения с широким спектром в оптических кристаллах на кубичной нелинейности при векторных взаимодействиях, показана -зависимость спектров от частот накачки, при фиксированных направлениях волновых векторов, а также зависимость спектров от направлений волновых векторов при неизменной частоте.
7
На защиту выносятся следующие положения:
1.Наличие трех взаимодействующих волн с частотами со |,со2,о>3 при преобразовании в нелинейном оптическом кристалле на кубичной нелинейности широкополосного излучения, увеличивает эффективность преобразования на 1,5+2 порядка по сравнению с квадратичной средой, за счет дополнительных перекрестных частотных взаимодействий.
2.Генерация третьей оптической гармоники в нелинейном кристалле в четко заданном определенном направлении может быть реализована для совокупности направлений волновых векторов А*ь К2 и А'э взаимодействующих волн. Направлениями К\ и А% можно управлять, изменяя направление А*,.
3.При взаимодействии на кубичной нелинейности падающего излучения с частотой о с рассеянным излучением такой же частоты со на поверхности кристалла, рождается третья оптическая гармоника (Зсо) при точном выполнении условий фазового синхронизма в совокупности направлений, представляющих собой заполненный лучами конус. На экране за кристаллом, в этом случае, наблюдается эллиптический диск, а не кольцо, как для второй оптической гармоники.
4.При коллииеарном преобразовании широкополосного излучения в нелинейных оптических кристаллах на кубичной нелинейности для взаимодействий ооо->е и еее—>о спектры в сильной степени асимметричны и испытывают сильное сжатие. Для смешанных типов взаимодействий (оое-»е, оее->е, оее-»о, оее-эо) интенсивность преобразованного излучения по спектру распределена равномерно.
5.Выбор частот широкого спектра из двух разных поддиапазонов и изменение направления поляризации излучения в сильной степени влияют на положение и форму спектра преобразованного излучения.
Результаты работ связаны с научно-исследовательской гос.бюджетной темой МПС РФ "Взаимосвязь линейных и нелинейных оптических эффектов", выполняемой кафедрой физики Дальневосточным государственным университетом путей сообщения.
в
Научные результаты автора опубликованы в работах [57-72 ] и докладывались:
1). на Международной научной конференции молодых ученых Сибири и Дальнего Востока "Молодежь и наука регионам", Хабаровск, 1997г.;
2). на 1 !-й международной Вавиловской конференции по нелинейной оптике, Новосибирск, 1997г.;
3). на 2-й Международной конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока", Владивосток, 1997г.;
4). на научно-технической конференции, Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск, 1996 и 1997г.;
5). на 42-й и 43-й научных конференциях, Хабаровский государственный педагогический университет, Хабаровск, 1996 и 1997г.;
6). на региональном научно-практическом семинаре "Новые информационные технологии в управлении на транспорте и организации учебного процесса", Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск, 1997г.;
7). на краевой научной конференции "Физика: Фундаментальные исследования, образование", Хабаровск, 1998г.;
8). на Международном симпозиуме (Первые Самсоновские чтения) "Принципы и процессы создания неорганических материалов", Хабаровск, 1998г.
- Київ+380960830922