Генерация второй оптической гармоники. Иванов Н.А. - 3 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ИГУ | Иркутск

Составители: 

Рубрика: 

3
Генерация второй оптической гармоники
Работа знакомит с одним из основных эффектов нелинейной оптики – генерацией
второй гармоники излучения лазера. Представлена краткая теория эффекта. Проводятся
измерения энергетических параметров и угловой структуры излучения второй оптической
гармоники.
1. Введение
С появлением мощных источников когерентного излучения оптического диапазона
(лазеров) стало возможным наблюдение и использование нелинейных оптических явлений, в
которых в отличие от обычной линейной оптики происходит нарушение принципа
суперпозиции световых волн.
Исследования удвоения частоты в оптическом диапазоне позволили выявить новые
закономерности взаимодействия излучения с веществом. Практическим результатом этих
исследований явилось создание высокоэффективных (с КПД 50% и более) удвоителей
частоты лазерного излучения, а также каскадных умножителей на третью, четвертую и более
высокие гармоники, которые находят широкое применение в приборах квантовой
электроники.
2. Теория
1. Нелинейная поляризация. Взаимодействие световой волны с веществом на
классическом языке описывается вектором поляризации P. В линейной оптике поляризация
связана линейно с напряженностью электрического поля E световой волны:
Р = χ E (1)
Такая связь, естественно, является приближенной. Для того, чтобы судить о применимости
соотношения (1), надо сравнить E с напряженностью внутриатомного поля Е
а
,
определяющего степень связи атомов или молекул в веществе. Величину Е
а
можно
подсчитать по закону Кулона: Е
а
=е/r
2
0
, где r
0
-характерный радиус электронной орбиты.
Подставляя е=1,6·10
-19
Кл и r
0
=5,3·10
-11
м, получаем Е≈10
9
В/см, что является максимальной
величиной внутриатомного поля, определяющего силу связи, действующего на оптический
электрон в атоме водорода. В конденсированных средах, и особенно в полупроводниках, где
внешние (оптические) электроны экранированы, Е
а
значительно слабее и составляет
10
7
-10
8
В/см.
Сравним с Е
а
напряженность электрического поля световой волны, излучаемой
неодимовым лазером в режиме свободной генерации. В этом режиме интенсивность
излучения в импульсе составляет несколько киловатт на см
2
в нефокусированном пучке
диаметром порядка 1 см. Такому световому потоку S=(cn/8π)E
2
(c-скорость света в вакууме,
n-показатель преломления среды) соответствует напряженность электрического поля
порядка 10
3
В/см, что значительно меньше внутриатомного поля, и соотношение (1)
выполняется с высокой степенью точности. Тем не менее, при определенных условиях,
одним из которых является высокая когерентность излучения, волна может претерпеть
значительные нелинейные искажения, и в частности преобразоваться в волну второй
гармоники.
Появление второй гармоники связано с квадратичным членом в разложении
поляризации Р по степеням электрического поля световой волны:
P = χ E+χEE+ …. (2)
Для гармонических колебаний поля световой волны E=E
0
cosωt получим из (2)
поляризацию на удвоенной частоте
t
EE
tEEP ω
χχ
ωχχ 2cos
2
2
cos
2
0
2
0
22
0
2
+===
(3)
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
                                     Генерация второй оптической гармоники

                Работа знакомит с одним из основных эффектов нелинейной оптики – генерацией
          второй гармоники излучения лазера. Представлена краткая теория эффекта. Проводятся
          измерения энергетических параметров и угловой структуры излучения второй оптической
          гармоники.

                                                   1. Введение

                 С появлением мощных источников когерентного излучения оптического диапазона
          (лазеров) стало возможным наблюдение и использование нелинейных оптических явлений, в
          которых в отличие от обычной линейной оптики происходит нарушение принципа
          суперпозиции световых волн.
                 Исследования удвоения частоты в оптическом диапазоне позволили выявить новые
          закономерности взаимодействия излучения с веществом. Практическим результатом этих
          исследований явилось создание высокоэффективных (с КПД 50% и более) удвоителей
          частоты лазерного излучения, а также каскадных умножителей на третью, четвертую и более
          высокие гармоники, которые находят широкое применение в приборах квантовой
          электроники.

                                                     2. Теория

                 1. Нелинейная поляризация. Взаимодействие световой волны с веществом на
          классическом языке описывается вектором поляризации P. В линейной оптике поляризация
          связана линейно с напряженностью электрического поля E световой волны:
                                      Р=χE                                     (1)
          Такая связь, естественно, является приближенной. Для того, чтобы судить о применимости
          соотношения (1), надо сравнить E с напряженностью внутриатомного поля Еа,
          определяющего степень связи атомов или молекул в веществе. Величину Еа можно
          подсчитать по закону Кулона: Еа=е/r20, где r0-характерный радиус электронной орбиты.
          Подставляя е=1,6·10-19 Кл и r0=5,3·10-11 м, получаем Е≈109 В/см, что является максимальной
          величиной внутриатомного поля, определяющего силу связи, действующего на оптический
          электрон в атоме водорода. В конденсированных средах, и особенно в полупроводниках, где
          внешние (оптические) электроны экранированы, Еа значительно слабее и составляет
          107-108 В/см.
                 Сравним с Еа напряженность электрического поля световой волны, излучаемой
          неодимовым лазером в режиме свободной генерации. В этом режиме интенсивность
          излучения в импульсе составляет несколько киловатт на см2 в нефокусированном пучке
          диаметром порядка 1 см. Такому световому потоку S=(cn/8π)E2 (c-скорость света в вакууме,
          n-показатель преломления среды) соответствует напряженность электрического поля
          порядка 103 В/см, что значительно меньше внутриатомного поля, и соотношение (1)
          выполняется с высокой степенью точности. Тем не менее, при определенных условиях,
          одним из которых является высокая когерентность излучения, волна может претерпеть
          значительные нелинейные искажения, и в частности преобразоваться в волну второй
          гармоники.
                 Появление второй гармоники связано с квадратичным членом в разложении
          поляризации Р по степеням электрического поля световой волны:
                               P = χ E+χEE+ ….                                       (2)
                 Для гармонических колебаний поля световой волны E=E0cosωt получим из (2)
          поляризацию на удвоенной частоте

                                                          χE02 χE02
                             P = χE 2 = χE02 cos 2 ωt =       +     cos 2ωt        (3)
                                                           2    2
                                                                                                   3

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Страницы