Введение к работе
і
.^..^.'.актуальность темы. К числу основных задач лазерной физики "Втгедуэт'' отнести поиск новых возможностей дальнейшего расширения частотного диапазона квантовых генераторов. В настоящее время с использованием методов нелинейной оптики и квантовой электроники созданы перестраиваемые источники когерентных волн, частоты которых меняются, начиная от ультрафиолетовой вплоть до субмид-линетрозой областей спектра. В указанных областях преобразование лазерного излучения чаще всего осуществляется при помощи генерации гармоник суммарных или разностных частот.
Иначе обстоит дело с генерацией излучения в миллиметровой и более длиноволновой областях спектра. Здесь возникают трудности как в экспериментальном, так и в теоретическом плане,связанные с тем, что поперечные размеры возбуждающих пучков (лазеров оптического диапазона) сравнимы с длиной волны возбуждаемого излучения. Вопрос этот далеко не тривиален. В этом случае нельзя применить стандартный метод нелинейной оптики - метод параболического уравнения, а необходимо исходить из полных (неукороченных) уравнений Максвелла. С точки зрения экспериментатора это означает, что при генерации миллиметровых волн обычные методы согласования фазовых скоростей не подходят. В данной области частот возникает новое явление, а именно, черенковское излучение от сгустка электромагнитных волн, сущность которого заключается в следующем; пучок интенсивного света в среде возбуждает усредненную по несущей частоте волну нелинейной поляризации, которая распространяется с его групповой скоростью.Если эта скорость превышает фазовую скорость возбуждаемых волн, то происходит когерентное излучение, аналогичное черепковскому излучению от дипольных моментов или токов.
На языке нелинейной оптики это соответствует генерации раз
ностной частоты при условии сохранения;продольных компонент им
пульсов. 1
Вопрос об излучении Вавилова-Черенкова от сгустка электромагнитных волн был поднят Аскарьпном Г.А. еще на заре развития лазерной физики. Однако из-за низкого К.П.Д. этому явлению не было уделено должного"внимания. Только в самое последнее время наблюдается возрастающий интерес к методу черенковского излуче-
ния. Это связано с тем, что он является фактически единственным способом для исследования характеристик целого ряда быстро протекающих процессов. Недавно, при помощи черенковского излучения был открыт новый эффект - искажение формы ультракороткого импульса обусловленного полным внутренний отражением.
Несмотря на достигнутые успехи излучение Еавилова-Черенкова от волны нелинейной поляризации все еще остается недостаточно изученным, особенно в миллиметровой области длин волн. Казалось, что исследования в этой области представляют чисто академический интерес, т.к. в радиотехнике имеются хорошо разработанные источники (клистрон, магнетрон, лампа обратной волны и т.д.). В то же время во многих областях науки и техники все более становится очевидным необходимость создания плавноперестраивэеыых и ультракоротких импульсов миллиметрового диапазона, как например, в радиоспектроскопии, биофизике, радиолокации, физике сверхпроводников (для изучения динамики разрушения энергетической щели) и т.д.
Черенковское излучение миллиметровых волн в нелинейных кристаллах удачно дополняет традиционные методы создания генераторов с широким диапазоном перестраиваемых параметров (длительность, частота перестройки и т.д.).
Цель работы заключается:
в экспериментальном обнаружении и исследовании характерных особенностей черенковского излучения от волны нелинейной поляризации и развитии теории этого явления;
в определении оптимальных условий для возбуждения излучения, широко перестраиваемого по частоте, в миллиметровом диапазоне длин волн;
в получении аналог лазера ультракоротких импульсов в пи-косекундном и более коротких интервалах длительностей с помощью оптического квантового генератора с синхронизацией продольных моді
- в получении антенны поверхностных волн в миллиметровом диа
пазоне;
- в определении при помощи черенковсного излучения:
а) временных характеристик возбуждающих лазеров,
5) параметров нелинейных кристаллов.
Научная новизна и значимость полученных результатов. Резулъ- ' тэты, представленные в диссертации, развивают новое направление лазерной физики, основанное на получении и исследовании черен-ковского излучения от волны нелинейной поляризации и применении этого явления для определения характеристик возбуждающих лазеров и параметров нелинейных кристаллов.
При развитии этого направления получен ряд эффективных методов для создания когерентных источников электромагнитных волн миллиметрового диапазона. Показано, что применение черенковско-го механизма генерации лазерного излучения не ограничивается только созданием источников коротких плавно перестраиваемых по частоте импульсов.
По параметрам черенковского излучения можно определить временные характеристики возбуждающих лазеров. Малоинерционность нелинейных кристаллов и широкополосность приемной аппаратуры в миллиметровой области длин волн делают очевидным преимущество такого метода по сравнению с обычным фотосмешением.
Sin исследования приобретают большую ценность для лазеров, частота излучения которых лежит в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне спектра, т.к. в этих областях нет хорошо отработанных малоинерционных приемников.
d настоящее время для определения пшсосекундных интервалов времени широко используются методы, основанные на генерации второй гармоники. Черенковское излучение также можно применить с такой целью, т.к. оно, как и вторая гармоника возникает за счет нелинейности второго порядка. Применение этого метода позволяет использовать также кристаллы, которые непрозрачны на частотах зторой гармоники.
Другим возможным применением предлагаемого метода является определение параметров нелинейных кристаллов. Такие измерения особенно важны для сегнетоэлектрических кристаллов, параметры которых трудно, а, во многих случаях, невозможно измерить прямым методом из-за большого значения их диэлектрической проницаемости.
Практическая ценность работы определяется следующими результатами:
I. Реализована плавно-перестраиваемая генерация электромагнитных волн миллиметрового диапазона: от 12 Ггц до 150 Ггц.
- б -
2. С помощью лазера на стекле с неодимом, работающего в режиме синхронизации иод в кристалле ниобатэ лития реализована генерация ультракоротких импульсов в пикосекундном и субликосе-кундном интервала длительностей.
3. С помощью черенковского излучения определены следующие _характеристики возбуждающих лазеров и параметры нелинейных кристаллов :
а) длительность (средняя по цугу) импульсов лазера на стекле с неодимом, работающего в режиме синхронизации мод;
5) взаимная корреляционная функция интенсивностей двух час
тотно-расстроенных рубиновых лазеров;
в) диэлектрическая проницаемость эрсенйдэ галлия на длине
волны X =5,6 мм;
г) диэлектрические потери в кристалле ниобата лития;
д) дисперсия нелинейной восприимчивости ниобата лития в
диапазоне частот 12-150 Ггц;
ж) отношение компонент тензора нелинейной восприимчивости
ниобата лития. ,
. Основные положения, представленные к защите;
-
Результаты исследования характерных особенностей черенковского излучения от волны нелинейной поляризации.
-
Результаты экспериментально полученных данных:
а) получение широко перестраиваемого излучения в милли
метровом диапазоне;
б) получение ультракоротких импульсов с помощью смеше
ния частоты лазера, работающего в режиме с синхро
низацией мод. .
3. Результаты применения метода черенковского излучения
для определения:
а) временных характеристик возбуждаемых лазеров;
6) параметров нелинейных кристаллов.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на: Всесоюзной конференции по нелинейной оптике (Минск,1972г.), Всесоюзном симпозиуме по световому эхо (Казань, 1973 г.), УШ Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Тбили -
си, 1976 г.), Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1977 г.). Всесоюзном совещании по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1978 г.). IX Всесоюзной радиоастрономической конференции по аппаратуре, антеннам и методам (Ереван, 1978 г.)» Годичном собрании отделения физико-технических наук АН Армянской ССР (Ереван. 1978 г.) і IX Всесоюзном совещании по сегнотоэяектричеству (Ростов-на-Дону, 1979 г.)» Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982 г.)» U Всесоюзном симпозиуме по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (Минск, 1983 г.)> У ІІендуна-содном симпозиуме по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (Вильнюс, 1987 г.), Ш Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1988 г.)» семинарах и межреспубликанских совещаниях института физических исследований АН Арм.ССР.
Публикации. Основные результаты опубликованы в печатных работах, перечисленных в конце автореферата.
В диссертации изложены результаты.работ, з которых личный вклад автора является определяющим на всех этапах исследований.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 160 страницах основного машинописного текста (включая 47 рисунков и 3 таблицы), состоит из краткого введения, пяти глав и заключения. Имеется список литературы, включающей 140 названий цитируемых литературных источников.
