Введение к работе
Актуальность исследований. Успешное развитие лазерной техники, оптической связи, оптических методов измерения позволило реализовать многочисленные эксперименты в области анизотропной линейной и нелинейной оптики. Практически любые новые ффекты могут быть положены в основу работы оптических приборов, которые приобретет новые уникальные свойства и значительно расширяют свои характеристики.
Однако ряд задач не завершен и требует дальнейшего рассмотрения. Например, целесообразно иметь систему с помощью которой можно изменять эллиптичность в оптическом луче. Система должна быть простой в изготовлении и использовании, не иметь деталей, требующих прецизионной обработки. С другой стороны, в ряде случаев необходимо совмещение лучей (трех, четырех) в одном оптическом элементе. Данные направления яв-тяются актуальными, расширяя методы экспериментальной техники, используемой авто-ом при выполнении работ по нелинейной оптике. Отметим, что работы по «нелинейной» низотропной оптике частично выполнялись совместно с О.Ю. Пикуль, Г.В. Куликовой, В.А. Кузнецовым, П.А. Андреевым и опубликованы в некоторых совместных статьях.
С другой стороны, создание мощных лазеров, в том числе фемтосекундных, позволяет изучить нелинейные оптические процессы с малой эффективностью (при нарушенных условиях фазового синхронизма). В этом случае при генерации гармоник в кристалле преобразованное излучение выходит в виде двух волн - свободной и вынуж-енной, которые можно пространственно разделить. Целесообразно провести систематический анализ такого разделения в разных нелинейных системах (плоскопараллельных пластинах, призмах) для разных типов взаимодействий; при векторном взаимодействии волн, при наличии поглощения. Выявить влияние неравномерного пространственного распределения нелинейной поляризации среды на интенсивность излучения.
При фокусировании лазерных пучков излучения в нелинейный кристалл, возникают за счет интерференции свободной и вынужденной гармоник «нелинейные» коноско-пические картины. Такие картины изучены ранее только для отрицательных кристаллов KDP, LiNb03, LiI03. Для положительных кристаллов; для гармоник более высокого порядка (третья и т.д.); взаимосвязь между линейными и нелинейными картинами; влияние векторных взаимодействий не рассмотрено.
Все перечисленные выше эффекты могут быть использованы в оптическом прибо-остроении. В связи с этим анализ нелинейных преобразований при нарушенных условиях фазового синхронизма в оптических кристаллах является актуальным и требует систематических теоретических и экспериментальных исследований
Цель работы. Основная цель работы заключается в выявлении закономерностей и особенностей в распространении света в нелинейных оптических кристаллах, в том числе и в нелинейной оптике при наличии расстройки фазового синхронизма для взаимодействующих волн.
Задачи исследований. Для достижения указанных целей необходимо решить сле-ующие задачи:
1. Рассмотреть возможность создания системы для внесения в оптическое излуче
ние заданной эллиптичности. Система должна обладать простотой в изготовлении и с
пониженными требованиями к точности изготовления.
2. Выявить влияние начальных фаз, а также критичность настройки в синхронизм
ри генерации гармоник, при возбуждении эффекта оптического выпрямления широко-,
юлосным излучением.
3. Рассмотреть генерацию свободных и вынужденных волн в прямоугольны,
призмах и выявить влияние иммерсионной среды на направление распространения вы
нужденной гармоники. Выявить влияние распределения нелинейной поляризации кри
сталла на интенсивность и распределение интенсивности по поперечному сечению лу
чей свободной и вынужденной гармоник.
-
Рассчитать «нелинейные» коноскопические картины в отрицательном кристалл KDP для третьей оптической гармоники и в положительном кристалле Те02 - для вто рой гармоники и рассмотреть роль векторных взаимодействий световых волн при фор мировании «нелинейных» коноскопических фигур.
-
Выявить возможность существования нелинейных пьезоэлектрического, пьезо оптического эффекта и электрострикции.
Связь с государственными программами и НИР
Диссертационная работа связана с фундаментальной научно-исследовательскоі темой ОАО «РЖД» «Анизотропное отражение света и электрооптические свойства кри сталлов», выполняемой на кафедре «Физика» ДВГУПС.
Научная новизна работы
При решении поставленных задач получены следующие научные результаты:
1. Плоскопараллельная кристаллическая пластинка произвольной толщины, позво
ляет управлять эллиптичностью проходящего излучения. Две пластинки позволяют за
давать необходимую эллиптичность широкополосного излучения.
Монопризма, изготовленная из кристалла с разным расположением плоскості главного сечения для входящих и выходящих лучей, делает возможным совмещение одном направлении четырех лучей.
-
При генерации оптических гармоник широкополосным излучением интенсивност преобразованного излучения не критична к настройке кристалла. Отклик за счет эффект оптического выпрямления пропорционален ширине спектра используемого излучения.
-
Плавное пространственное распределение нелинейной поляризации в кристалл при генерации гармоник вне синхронизма приводит к значительному уменьшению ин тенсивности. При использовании пространственно ограниченного луча гармоника рож дается в виде свободной и вынужденной волн. Разделение возможно в прямоугольны призмах для разных типов взаимодействий (оо—»о, оо—>е, ое->е, ое->о, ее—>е, ее—»о).
-
Коноскопические картины в анизотропной оптике и «нелинейные» коноскопи ческие картины могут быть построены на основе одного итого же математического вы ражения с учётом параметра т. Параметр m = 1 - обычные коноскопические; m = 2 нелинейные коноскопические для второй гармоники; m = 3 - для третьей гармоники Для каждого типа взаимодействий существует своя коноскопическая картина.
-
Зондовый метод позволил провести анализ влияния векторных взаимодействи" световых волн на векторные нелинейные коноскопические картины. Показано, что уг ловая структура в распределении интенсивности гармоники значительно меньше дл векторных взаимодействий, чем для коллинеарных.
-
Нелинейный пьезооптический эффект возможен за счет тензора пятого ранг (Pi= QejkimEiEiOv), что позволяет использовать в модуляторах два пучка излучения с час тотами о), и ш2. В этом случае возможно векторное взаимодействие акустических и оп тических волн.
Практическая значимость работы
Экспериментальные результаты и теоретические расчеты могут служить основа нием для дальнейшего изучения свойств оптических элементов из анизотропных кри сталлов и использоваться в научном и прикладном оптическом приборостроении.
1. Обычные и «нелинейные» коноскопические картины можно описать одним ма
тематическим выражением, меняя параметр т.
[Vnf(A)-SinV - V<(A,.)-Sin>]= ^-=М I . (1)
2L т Для коноскопическнх фигз'р т=1: Для второй гармоники т = 2; для третьей m = 3 и т.д. Для каждого конкретного типа взаимодействий световых воли наблюдается своя коноскопиче-ская нелинейная картина, в том числе и при наличии векторных взаимодействий; <р - угол падения излучения с частотой ю; Д,, Д„ - угол преломления вынужденной и свободной гармоник; П] nm - показатели преломления основного излучения и гармоники; j - число слоев, вносящих разность хода 2л; L - толщина пластины; к - длина волны.
2. Плавное пространственное распределение нелинейной поляризации среды при
арушенных условиях фазового синхронизма приводит к уменьшению интенсивности
преобразованного излучения. Если поляризация уменьшается, то генерируется только свободная гармоника (2); если увеличивается, то только вынужденная гармоника (3).
Е, = @хЕ" Ге ~pL е i(2u1"2 *» ^ > - є і(2ш1" *2<» ^ л (2)
2ш і{кгш-2кш)-р h
Е2м= P%El [1 -е~PL] еі(2ш"2^> . (3)
i(k2„-2kj
где Р - коэффициент поглощения; х ~ компонента нелинейной восприимчивости; Е0 -
напряженность электрического поля основной волны; к ш, к 2ш - волновые векторы волн
на частотах ы и 2ш; L - толщина кристалла.
-
Отклик при наблюдении эффекта оптического выпрямления пропорционален ширине спектра Дсо используемого широкополосного излучения.
-
Интенсивность и распределение интенсивности по поперечному сечению свободной и вынужденной гармоник одинаковы для взаимодействий оо—*е и ее—>о и различны для взаимодействий ое-»е и ое-»о. В иммерсионной жидкости вынужденная гармоника распространяется в направлении, отличном от направления основного излучения.
Апробация работы
Основные результаты работы изложены в статьях [1-23] и докладывались на следующих конференциях:
-
На VI региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование». Благовещенск, АмГУ, 2006 г.
-
Международной научной конференции «Принципы и процессы создания неорганических материалов», третьи Самсоновские чтения, Хабаровск, 12-15 апреля 2006 г.
-
Научной сессии МИФИ, Москва, 2007 г.
-
Сорок пятой научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, Хабаровск, 7-9 ноября, 2007 г.
-
Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленность Дальнего Востока», Комсомольск-на-Амуре, КнАГТУ, 15-19 октября 2007 г.
6. Международной научной конференции «Оптика кристаллов и наноструктур»,
абаровск, ДВГУПС, 12-15 ноября 2008 г.
-
Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2008» Санкт-Петербург, СПбГУ ИТМО, 20-24 октября 2008 г.
-
VI Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Пер спективы развития фундаментальных наук». - Томск, 26-29 мая 2009.
-
Региональной научной конференции. Физика: фундаментальные и прикладны исследования. Благовещенск, 2009.
10. VI международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика
2009», 19-23 октября 2009, Санкт-Петербург.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списк' литературы из 123 наименований. Общий объем работы составляет 102 страницы включая 53 рисунка.
