С возникновением сверхмощных источников когерентного преломления оптического диапазона (лазеров) использование нелинейных явлений в оптике стало реальным и простым. В таких процессах, в отличие от обычных оптических эффектов, происходит нарушение принципов суперпозиции световых волн.
Рисунок 1. Поляризация света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Генерация второй гармоники - это нелинейный оптический эффект, который был образован воздействием на вещество ультратонких, лазерных импульсов.
На сегодняшний день главным методом получения звуковых частот лазерного излучения является генерация второй гармоники, предполагающая формирование гигантского импульса. В этом случае накачка осуществляется до тех пор, пока инверсия населенностей не достигнет предела максимального значения. Тогда подключается добротность резонатора, и количество фотонов в нем начинает мгновенно увеличиваться, что приводит к появлению интенсивного короткого сигнала. В данном случае важно значение времени жизни элементарной частиц на верхнем уровне, который должен быть достаточно большим.
Генерация второй гармоники наблюдается:
- в сегнетоэлектриках с большой поляризуемостью;
- в полимерах, содержащих молекулы с нелинейно-оптическими хромофорами;
- в волновых концепциях со спонтанной поляризацией.
Рисунок 2. Генерация второй оптической гармоники. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Изучение удвоения частоты в генерации второй гармоники позволили ученым выявить новые закономерности взаимосвязи светового излучения с веществом. Практическим итогом исследований стало создание высокоэффективных ускорителей частоты лазерного излучения, а также каскадных удвоителей на третью, четвертую и более высокие гармоники. Такие явления находят широкое применение в устройствах квантовой электроники.
Теория эффекта
Из наиболее общих соображений все нелинейные явления могут быть охарактеризованы как проявления нарушений принципа суперпозиции оптических электромагнитных полей.
Рассмотрение нелинейных явлений может быть проведено на нескольких «уровнях строгости». Простейшее описание дается на основе классических представлений, в которых движение электрона в атоме и взаимодействие с полем описываются классическими уравнениями Ньютона и Максвелла. Более строгая формулировка подразумевает использование квантовой механики для поведения атома и классических уравнений для поля.
Для работы в рамках классической физики, используют модель атома Томсона, состоящая в том, что положительный заряд размазан по всей сфере некоторого радиуса, а в центре данной системы расположен электрон. Напряженность электрического поля положительного заряда в этом случае линейно растет от центра к краю сферы, а действующая на электрон сила удовлетворяет закон Гука.
Нелинейные эффекты второго порядка, а, в частности, генерацию второй гармоники, могут наблюдать только в веществах не изотропных и не имеющих центра симметрии. Действительно, когда материальное вещество изотропно, при изменении изначального направления приложенного электрического поля поляризация должна автоматически менять знак. Чтобы удовлетворить это требование, элементы, включающие четные степени, должны отсутствовать. Такой процесс приведет к постепенному исчезновению коэффициентов второго порядка.
Режим генерации второй гармоники
Для перехода в режим генерации второй гармоники необходимо предоставить определенное напряжение на электрооптическое вещество. При этом часть внутренней энергии излучения главной частоты будет трансформироваться в этот нелинейный эффект. При конструировании считалось, что интенсивность светового преломления второй гармоники прямо пропорциональна общему квадрату интенсивности.
Такое приближение недопустимо при значительных интенсивностях, так как тогда зависимость становится значительно больше. В расчетах ученые используют мощности меньшие 10 Вт, при которых любое условие квадратичной несостоятельности обязательно выполняется.
Показатель пропорциональности определяется, если интенсивность преломления пучка света внутри резонатора преобразуется во вторую гармонику.
Для более эффективного использования выходного импульса одно из зеркал действующего резонатора необходимо сделать полностью прозрачным для возникновения второй гармоники, а второе – частично отражающим. Часть внутренней энергии излучения света выводится постепенно из резонатора, следовательно, интенсивность преломления основной частоты внутри объекта будет уменьшаться.
Это явление при моделировании учитывался во введении прямой зависимости показателя отражения, который действовал в выходных зеркалах от плотности потока фотонов первой гармоник. Таким образом, чем больше плотность данных элементов в резонаторе, тем больше коэффициент трансформации во вторую гармонику и тем быстрее уменьшается интенсивность светового излучения главной частоты.
Рисунок 3. Схемы внерезонаторной генерации второй гармоники. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Генерация второй гармоники в нелинейном кристалле
При определенных физических условиях волна нелинейной поляризации порождает вторую оптическую гармонику. Интересно, что поляризационная волна распространяется в плоскости с не такой высокой скоростью, как волна второй гармоники. Чтобы передача энергетического потенциала от волны поляризации к переизлученному световому вектору происходила достаточно эффективно, нужно добиться совпадение скоростей обеих волн.
Это означает, что должно выполняться условие, которое в науке называют волновым синхронизмом.
В этом случае используется:
- зависимость коэффициента преломления света от направления в кристалле;
- световая волна, имеющие разные скорости;
- большая группа кристаллов, которую называют одноосными кристаллами.
Показатель преломления для обыкновенной волны движется самостоятельно и не зависит от направления распространения электромагнитной волны, тогда как параметр преломления необыкновенной волны непосредственно зависит от направления распределения света.
Если световая волна распространяется вдоль оптического вектора кристалла, тогда она не «расщепляется» на «простую» и «сложную» волны. Если же волновая ось образует некоторый угол, то упомянутый процесс происходит. Итак, условие волнового синхронизма будет считаться выполненным, если волны светового луча распространяются в кристалле под определенным углом к его оптическому вектору, а также, если падающая на кристалл волна полностью поляризована перпендикулярно к плоскости основного сечения.
Следовательно, за основу желательно брать кристаллический образец, где волна второй гармоники поляризована, испытывает определенный снос в поперечном направлении, который характеризуется углом, называемым углом анизотропии. Отмеченное изменение приводит к уменьшению отношения интенсивности второй гармоники к мощности светового излучения, падающего на кристалл. Это отношение ученые и называют эффективностью трансформации во вторую гармонику.
