2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.........................................................5
ГЛАВА 1. ОТОБРАЖЕНИЕ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ОДНООСНЫХ КРИСТАЛЛОВ В СТРУКТУРЕ
ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ ПРИ НАЛИЧИИ СФЕРИЧЕСКОЙ
АБЕРРАЦИИ В ОСНОВНОМ ИЗЛУЧЕНИИ...................................16
1.1. Преобразование гауссова излучения по частоте, сфокусированного реальной оптической линзой в нелинейный кристалл (литературный обзор)..........................................................17
1.2. Энергетическое и пространственно-угловос распределения гауссова пучка при фокусировке линзой, неисправленной от сферической
аберрации.....................................................20
1.3. Нелинейное преобразование сфокусированного гауссова пучка, искаженного сферической аберрацией, в одноосных кристаллах...25
1.4. Пространствснно-угловос распределение интенсивности второй оптической гармоники при наличии сферической аберрации в основном излучении....................................................45
1.5. Экспериментальное исследование отображения нелинейно-оптических свойств кристалла в структуре второй гармоники при наличии сферической аберрации в основном излучении...............................63
Выводы..........................................................69
ГЛАВА 2. ОТОБРАЖЕНИЕ НЕЛИ11ЕЙ1Ю-ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОДНООСНЫХ КРИСТАЛЛОВ В СТРУКТУРАХ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ ПРИ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЕМ,
ИСКАЖЁННЫМ КОМАТИЧЕСКОЙ АБЕРРАЦИЕЙ...............................72
2.1. Фокусировка широкого гауссова пучка линзой, неисправленной от
коматической аберрации........................................72
2.2. Пространственно-угловая структура второй оптической гармоники при генерации в одноосных кристаллах излучением, искаженным коматической аберрацией.......................................................76
2.3. Энергетическое распределение второй оптической гармоники при наличии комы в основном излучении........................................87
Выводы..............................................................95
ГЛАВА 3. ОТОБРАЖЕНИЕ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ СВОЙТСВ ОДНООСНЫХ КРИСТАЛЛОВ В АБЕРРАЦИОННЫХ СТРУКТУРАХ ВТОРОЙ ГАРМОНИКИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЛИНЗ В ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ НАКАЧКИ...................................97
3.1. Пространственно-угловое и энергетическое распределения второй оптической гармоники, генерируемой в одноосных кристаллах при фокусировке основного излучения цилиндрической линзой...............98
3.2. Экспериментальное исследование структуры второй оптической гармоники при генерации в одноосных кристаллах излучением, искаженным астигматизмом и сферической аберрацией..........................109
Выводы.............................................................115
ГЛАВА 4. КОМПЛЕКСНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ НЕКОТОРЫХ НЕЛИНЕЙНООПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНООСНОГО КРИСТАЛЛА И КОНТРОЛІ) АБЕРРАЦИЙ ФОКУСИРУЮЩЕЙ ЛИ113Ы ПО АБЕРРАЦИОННЫМ СТРУКТУРАМ ВТОРОЙ ОПТИЧЕСКОЙ
ГАРМОНИКИ..........................................................117
4.1. Методы измерения основных нелинейно-оптических параметров
(литературный обзор)............................................118
4.1.1. Методы измерения углов коллинеарного синхронизма в нелинейных кристаллах.......................................118
4.1.2. Методы измерения показателей преломления кристаллов..119
4.1.3. Измерение нелинейной восприимчивости и компонент её тензора.....................................................120
4.2. Метод расчёт углов коллинеарного синхронизма в одноосных кристаллах по аберрационной структуре второй оптической гармоники.........124
4.3. Метод расчета показателей преломления одноосных кристаллов по аберрационным структурам второй оптической гармоники................126
4.4. Определение компонент тензоров эффективной нелинейности одноосного кристалла...........................................................127
4.5. Методика определения лучевых сферических аберраций фокусирующей инфракрасной оптики по аберрационной структуре второй оптической гармоники...........................................................129
Выводы.................................................................131
Заключение.............................................................132
Список литературы......................................................134
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Использование конденсированных сред в квантовых вычислениях, диагностике быстрых процессов, нелинейной лазерной спектроскопии и других направлениях прикладной физики стимулирует поиск нелинейных сред с набором оптических свойств, отвечающих конкретной задаче. Это, в свою очередь, требует более быстрых методов комплексной оценки нелинейнооптических свойств конденсированных сред. Сегодня существуют отдельные методики для определения коэффициента нелинейности [1-4], компонент тензора нелинейной восприимчивости [1, 4], углов коллинеарных
синхронизмов [4], показателей преломления [4-5]. Создание новых и усовершенствование существующих методик необходимо для ускорения процесса поиска эффекгивных нелинейных сред. Одними из перспективных направлений в исследовании вещества как материала для нелинейной оптики являются нелинейно-оптические методы. Постоянный интерес к исследованию процесса преобразования излучения но частоте в анизотропных средах и связи его параметров со структурой вещества обусловлен тем, что преобразованное излучение несет в себе большое количество информации о свойствах данного вещества. Так, при генерации второй гармоники в конденсированных средах по параметрам преобразованного излучения определяют соотношения атомов в кристаллах [6], исследуют доменную структуру в сегнетоэлектриках [7], исследуют структурные фазовые переходы в монокристаллах [8], определяют параметры кристаллической структуры [9] и характеристики (угловую, спектральную ширину синхронизма и т.д.) нелинейно-оптических кристаллов [10], исследуют поверхность различных веществ [11]. Кроме того, нелинейнооптическими методами можно измерять и стабилизировать энергетические параметры лазерного излучения [12].
Для комплексного исследования нелинейно-оптических свойств кристалла возможно использование излучения со сложным волновым фронтом. Это позволяет расширить объем информации о свойствах среды излучения на
выходе из кристалла и механизмах взаимодействия световых волн в различных направлениях кристалла. В представленной работе рассматривается взаимодействие конденсированной среды и лазерного излучения со сложным волновым фронтом, обусловленным наличием аберраций фокусирующей оптики. В этом случае проявляются механизмы взаимодействия среды с излучением, не реализуемые в безаберрационном случае. Со стороны среды эти механизмы будут определяться видом тензора диэлектрической восприимчивости. В частности, в этом случае при нелинейном преобразовании излучения по частоте в различных нелинейных кристаллах вторая оптическая гармоника имеет собственные пространственно-угловые структуры [13-16], которые несут в себе информацию о нелинейно-оптических свойствах кристалла-преобразователя и аберрациях волнового фронта основного излучения, вносимых реальной фокусирующей оптикой.
Преобразование излучения по частоте в пучке сфокусированных лучей проводилось различными авторами. В работах Г.В. Кривощекова и В.И. Самарина [13] проведён теоретический анализ влияния первичных аберраций фокусирующей оптической системы на процессы возбуждения суммарных частот лазерного излучения. Было показано, что при генерации второй гармоники сфокусированным лазерным излучением изменение эффективности преобразования и искажение выходного сигнала вызывают сферическая аберрация, кома и астигматизм. Исследования влияния перечисленных видов аберраций фокусирующей системы на пространственно-угловую структуру второй гармоники проведены В.И. Строгановым и А.И. Илларионовым [14, 15]. В их работах исследованы угловые структуры второй гармоники, разработана теория генерации второй гармоники при фокусировке излучения накачки, неисправленной от комы, сферической аберрации, астигматизма в кристаллах иодата, ниобата и формиата лития. В работе .Т. Нои [16] было проведено теоретическое исследование генерации второй гармоники при оо-е взаимодействии световых волн в одноосных кристаллах при наличии фазовых аберраций в лазерном пучке.
В опубликованных работах не определялся вклад нелинейных характеристик кристаллов в аберрационные структуры (пространственно-угловую структуру и распределение интенсивности) второй оптической гармоники. Однако этот вопрос является актуальным не только для реализации возможности комплексной оценки нелинейно-оптических свойств кристаллов, но и для исследования механизмов взаимодействия конденсированной среды с лазерным излучением при одновременном выполнении условий фазового синхронизма в различных направлениях кристалла.
Целью работы является комплексное исследование взаимодействия нелинейно-оптических кристаллов точечных групп симметрии 6, 4тт, 3/л, 42т с лазерным излучением со сложным волновым фронтом и влияния (отображения) нелинейно-оптических свойств одноосных отрицательных кристаллов на параметры аберрационных структур второй оптической гармоники.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Методами численного моделирования исследована зависимость параметров пространственно-угловых структур второй оптической гармоники от нелинейно-оптических свойств кристаллов-преобразователей точечных групп симметрии 6,4т?пу 3т, 42т.
2. При фокусировке оптическими системами, неисправленными от сферической аберрации, комы, астигматизма или совместного влияния астигматизма и сферической аберрации, методами численного моделирования исследовано распространение гауссовых пучков в нелинейных кристаллах точечных групп симметрии 6, 4ш, З/л, 42/// и пространственное распределение интенсивности излучения на основной и удвоенной частотах в фокальном пятне.
3. Проведено экспериментальное исследование пространственно-угловых структур второй оптической гармоники, генерируемой в отрицательных
одноосных кристаллах при наличии различных аберрационных искажений волнового фронта основного излучения УЛвгИс! лазера (Х= 1,064 мкм).
4. Разработана математическая модель для исследования эффективной нелинейности с1е1] и «параметра качества» т| кристаллов точечных групп
симметрии 6, 4/пт, Зт, 42т для синхронных векторных взаимодействий световых волн. Рассчитаны вклады, даваемые различными компонентами тензора нелинейной восприимчивости кристаллов рассматриваемых групп симметрии в эффективную нелинейность при генерации второй гармоники излучением со сложным волновым фронтом.
5. Разработаны методики определения показателей преломления, угла коллинеарного синхронизма, компонент тензора нелинейной восприимчивости одноосных кристаллов точечных групп симметрии 6, 4/77/77, 3//7, 42/77, а также методика определения компонент лучевых аберраций фокусирующих линз и соответствующих им коэффициентов Зейделя для инфракрасной области спектра по аберрационным структурам второй оптической гармоники.
Научная новизна
Впервые проведена взаимосвязь угловых размеров и формы аберрационных структур второй оптической гармоники, генерируемой в одноосных отрицательных кристаллах с нелинейно-оптическими свойствами (показателями преломления, углами коллинеарного синхронизма) кристалла-преобразователя. Показано, что величина угловых размеров пространственноугловой структуры второй оптической гармоники при генерации излучением со сложным волновым фронтом для оо-е взаимодействия световых волн в одноосном кристалле определяется значениями показателей преломления кристалла на основной и удвоенной частотах, их соотношениями между собой, углом коллинеарного синхронизма кристалла.
На основании разработанной математической модели впервые определены направления распространения световых волн в кристаллах
точечных групп симметрии 6, 4тт, 3т9 42т, в которых происходят наиболее эффективные векторные взаимодействия световых волн при генерации второй оптической гармоники.
'S
Положения, выносимые на защиту
1. При взаимодействии лазерного излучения, обладающего сферической, коматической аберрациями или совместно астигматизмом и сферической аберрацией, с отрицательными кристаллами точечных групп симметрии 6, 4ш, 3т, 42т их нелинейно-оптические свойства отображаются в угловых структурах второй оптической гармоники на выходной фани кристалла в виде кривых, которые являются результатом коллинеарных и векторных взаимодействий световых волн при выполнении условий фазового синхронизма.
2. Пространственная плотность преобразования световых волн по частоте в отрицательных кристаллах точечных групп симметрии 6, 4шш, 3т, 42т при выполнении условий векторного синхронизма зависит от величины анизотропии показателей преломления кристаллов для световых волн на основной и удвоенной частотах.
3. Пространственное распределение интенсивности второй оптической гармоники при генерации излучением с различными видами аберраций в волновом фронте в отрицательных кристаллах точечных групп симметрии 6, 4тт. 3т, 42т при выполнении условий векторного синхронизма неоднородно и определяется типом симметрии кристалла.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается корректностью постановки задач; тщательностью проработки методики проведения экспериментов; удовлетворительным соответствием результатов расчета с экспериментальными данными.
10
Практическая значимость
Полученные результаты могут быть использованы для комплексного определения нелинейно-оптических свойств кристалла-преобразователя, что является актуальным для поиска новых нелинейных высокоэффективных сред. По пространственно-угловым структурам второй оптической гармоники предложен метод контроля аберраций фокусирующих линз в ИК области спектра, для которой не существует эффективных методик.
Апробация работы
Научные результаты работы апробированы на следующих конференциях:
-IX Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике (Иркутск, 2004).
-Международной интернет-конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» (Одесса, 2005);
- Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики -2006» (Санкт-Петербург, 2006);
-Международной конференции «Прикладная оптика - 2006» (Санкт-Петербург, 2006);
- X Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике (Иркутск, 2006);
- Байкальской школе фундаментальных исследований (Иркутск, 2007);
-Международной конференции молодых ученых «Оптика - 2007»
(Санкт-Петербург, 2007);
- Международной конференции «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, 2008);
- Международной конференции «Оптика атмосферы и океана» (Красноярск, 2008);
- XI Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике (Иркутск, 2008);
И
- Международной конференции «Оптика кристаллов и наноструктур» (Хабаровск, 2008).
Работа по теме диссертации была выполнена при частичной поддержке грантом РФФИ (№ 03-02-17733) и грантом для молодых ученых ИрГУПС (№ ЕН-08-03).
Публикации по теме диссертации:
1. Illarionov, А. I. Energy Distribution of the Basic Radiation and the Second Optical Harmonie at Presence Comatical Aberration / A. I. Illarionov, O.V. Yanchuk // Известия ВУЗов. Физика. - 2008. - T. 51, № 10/2. -С. 174-178.
2. Илларионов, А.И. Влияние астигматизма волнового фронта основного излучения на нелинейное преобразование второй оптической гармоники / А.И. Илларионов, О.В. Янчук, А.А. Старченко // Известия ВУЗов. Физика. - 2008. - Т. 51, № 11. - С. 71 -74.
3. Илларионов, А.И. Эффективность преобразования оптического излучения по частоте в одноосных кристаллах при фокусировке радиально симметричной линзой/А.И. Илларионов, О.В. Янчук // Оптика кристаллов и наноструктур : сб. науч. тр. междунар. конф. Хабаровск, 15-25 нояб. 2008 г.- Хабаровск : Изд-во Дальневост. ун-та путей сообщ., 2008. - С. 159-163.
4. Илларионов, А.И. Влияние симметрии одноосных кристаллов на пространственное распределение интенсивности второй гармоники / А.И. Илларионов, О.В. Янчук // Тез. лекций и докл. XI междунар. шк> семинара по люмен, и лазер, физике. Иркутск, 2-6 окт. 2008 г. - Иркутск : Изд-во Иркут, гос. ун-та, 2008. - С. 45.
5. Илларионов, А.И. Нелинейно-оптический метод определения лучевых аберраций фокусирующей линзы в ИК области спектра [Элеткронный ресурс] / А.И. Илларионов, О.В. Янчук, А.А. Старченко // Оптика атмосферы и оксана-2008 : тез. докл. междунар. конф. Красноярск, 23-
12
27 июня 2008 г. - Режим доступа:
http://symp.iao.rn/ru/aoo/l 5/ро81ег5?5ес1=25
6. Илларионов, А.И. Нелинейное преобразование излучения по частоте сфокусированного гауссова пучка / А.И. Илларионов, О.В. Янчук // Известия ВУЗов. Физика. - 2007. - Т. 50, № 12. - С. 14-19.
7. Янчук, О.В. Определение нелинейных свойств кристалла по аберрационной структуре второй гармоники / О.В. Янчук // Тез. докл. X междунар. байкал. мол. шк. по фундамент, физике. Иркутск, 17-23 сент. 2007 г. - Иркутск : Изд-во ИСЗФ СО РАН, 2007. - С. 92-93.
8. Илларионов, А.И. Влияние первичной комы на распределение интенсивности гауссова пучка на основной и удвоенных частотах /
А.И. Илларионов, О.В. Янчук // Люминесценция и лазерная физика : X междунар. шк.-семинар (Россия, Иркутск, 2-6 окт. 2006 г.) : материалы. - Иркутск : Изд-во Ирку г. гос. ун-та, 2007. - С. 160-168.
9. Илларионов, А.И. Энергетическое распределение второй оптической гармоники с учётом сферической аберрации / А.И. Илларионов, О.В. Янчук // Фундаментальные проблемы оптики-2006 : сб. науч. тр. по материалам междунар. конф. Санкт-Петербург, 16-20 октября 2006 г. -СПб. : Изд. дом «Сопок», 2006 - С. 157-158.
10. Илларионов, А.И. Программный расчёт аберрационной угловой структуры второй оптической гармоники /А.И. Илларионов, О.В. Янчук // Прикладная оптика-2006 : сб. науч. тр. по материалам междунар. конф. Санкт-Петербург, 16-20 октября 2006 г. — СПб. : Изд. дом «Соп/из», 2006 - С. 64-67.
11.Илларионов, А.И Автоматизация расчёта структуры второй гармоники преобразованного в нелинейном кристалле при его накачки реальной оптической системой / А.И. Илларионов, О.В. Янчук // Информационные технологии и проблемы математического моделирования сложных систем. Принципы математического
- Київ+380960830922