Содержание к диссертации
Введение
Преобразование широкополосного излучения в нелинейнооптических кристаллах 9
Определение качества оптических кристаллов и исследование оптических свойств 9
Нелинейнооптические преобразования излучения в одноосных отрицательных кристаллах 14
Влияние различных факторов на спектральный состав преобразованного излучения 17
Определение оптической однородности кристалла и исследование его оптических свойств 24
Исследования оптической неоднородности кристаллов бесконтактным методом 24
Электрорефракция в кристалле ниобата лития 28
Изменение угла между индуцированными оптическими осями ниобата лития во внешнем электрическом поле 31
Экспериментальное измерение угла между оптическими осями кристалла ниобата лития, помещенного во внешнее электрическое поле 34
Электрооптический метод определения направлений кристаллофизических осей в кристалле ЫМЮз 37
Определение угловых характеристик амплитудных электрооптических модуляторов 40
Наблюдение изображения объектов на фоне коноскопических фигур 50
Электрооптический затвор немонохроматического излучения 51
Выводы 53
Нелинейнооптическое преобразование излучения в одноосных отрицательных кристаллах 54
3.1. Преобразование широкополосного излучения в кристалле LiNbCb из ИК области спектра в видимую область 54
3.2. Преобразование инфракрасного излучения с ультрафиолетовой широкополосной накачкой 60
3.3. Экспериментальные исследования преобразования широкополосного излучения по частоте в нелинейных оптических кристаллах 63
3.4. Экспериментальные исследования спектральных характеристик преобразователя теплового изображения 68
Выводы 73
Методы управление спектральным составом преобразованного излучения 74
4.1. Влияние расходимости немонохроматического излучения на процессы ап-конверсии 74
4.2. Влияние температуры объекта на процесс преобразования ИК излучения в тепловизоре 79
4.3. Влияние ширины спектра теплового излучения на процессы нелинейно-оптического преобразования 86
4.4. Влияние поляризации ИК излучения на спектр преобразованного излучения 89
4.5. Повышение эффективности нелинейно-оптического преобразования теплового излучения за счет использования нескольких кристаллов 91
4.6. Электрооптическое управление преобразованным излучением 95
Выводы 96
Заключение 98
Библиографический список 99
- Нелинейнооптические преобразования излучения в одноосных отрицательных кристаллах
- Электрорефракция в кристалле ниобата лития
- Преобразование инфракрасного излучения с ультрафиолетовой широкополосной накачкой
- Влияние температуры объекта на процесс преобразования ИК излучения в тепловизоре
Введение к работе
Среди устройств, использующих принципы нелинейной оптики, особое место занимают преобразователи теплового широкополосного излучения. Использование света, излучаемого. лазером или мощным нелазерным источником, приводит к нелинейному взаимодействию электрического поля световой волны с нелинейной средой, при котором нарушается принцип суперпозиции и создаются условия для генерации гармоник на суммарных и разностных частотах. Это происходит из-за того, что напряженность электрического поля световой волны становится соизмеримой с внутренними электрическими полями в кристаллах. Нелинейно-оптические кристаллы широко используются в качестве преобразующих и управляющих элементов во многих оптоэлектронных приборах [1].
Генерация суммарных частот используется в «ап-конверторах», то есть преобразователях частоты вверх, с их помощью оптические сигналы инфракрасного (ИК) диапазона трансформируются в видимую область спектра, что применяется для визуализации тепловых объектов [2].
В последнее время вызывают интерес процессы преобразования по частоте излучения с широким спектром в нелинеинооптических кристаллах. Было показано, что при одинаковых уровнях накачки эффективность преобразования широкополосного излучения может быть даже значительно выше, чем для лазерного излучения. Основным преимуществом в данном способе преобразования ИК изображения является отсутствие геометрических искажений изображения.
Процессы преобразования излучения в оптическом кристалле подвержены влиянию внешних воздействий. При приложении внешнего электрического поля изменяются показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, что сказывается на синхронных
взаимодействиях световых волн, а, следовательно, и на спектре преобразованного излучения.
В связи с вышесказанным, исследования особенностей преобразования излучения с широким спектром в кристаллах ІлМЮз, LiI03 и других средах, а так же изучение влияния воздействий внешнего электрического поля и температуры на оптические свойства данных материалов являются актуальными.
Целью диссертационной работы является выявление особенностей нелинейно-оптического преобразования широкополосного ИК излучения и развитие методов управления спектральным составом и интенсивностью преобразованного излучения в нелинейных анизотропных кристаллах.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
Развит метод определения однородности оптических одноосных кристаллов по совокупности коноскопических фигур на примере кристалла ниобата лития.
Разработана схема электрооптического затвора, позволяющего управлять интенсивностью немонохроматического изображения малой угловой апертуры (1 угловой градус).
Теоретически и экспериментально определена зависимость угла между наведенными оптическими осями в кристалле ниобата лития внешним электрическим полем.
Исследовано влияние степени фокусировки широкополосного ИК излучения, температуры ИК объекта, направления поляризации и ширины спектра исходного излучения на процессы ап-конверсии в нелинейно-оптических преобразователях ИК излучения.
Теоретически предсказана и экспериментально подтверждена возможность расширения спектра преобразованного излучения за счет нескольких кристаллов с различными направлениями синхронизма.
Теоретически исследован процесс преобразования немонохроматического ИК излучения с ультрафиолетовой широкополосной накачкой в видимую область спектра при реализации процесса генерации разностных частот.
Все полученные в диссертационной работе результаты и используемые методы могут служить основой для создания новых оптических приборов и устройств, а также могут быть использованы в неразрушающих методах контроля.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
В первой главе приведен анализ литературных данных по методам исследования оптических свойств кристаллов, по исследованию электрооптического эффекта в кристаллах и по преобразованию теплового широкополосного излучения в нелинейно-оптических кристаллах.
Вторая глава посвящена бесконтактному методу определения оптической однородности кристалла и электрооптическим свойствам ниобата лития.
В третьей главе рассмотрены векторные и коллинеарные взаимодействия световых волн в нелинеинооптических кристаллах LiNb03, LiIO. Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований по преобразованию РЖ излучения в этих кристаллах.
В четвертой главе приведены результаты по исследованию методов управления спектральным составом преобразованного излучения. Изучено влияние спектрального состава исходного ИК излучения при нелинейно-оптическом преобразовании теплового излучения в видимую область.
Рассмотрено влияние температуры ИК объекта, ширины спектра и поляризации излучения накачки на спектр преобразованного излучения.
На защиту выносятся следующие положения:
Метод наблюдения чередующихся коноскопических фигур позволяет определять положение неоднородностей кристалла, величину наведенного двулучепреломленйя с точностью порядка 10", характер распределения электрического поля и его направление в электрооптическом кристалле.
Для немонохроматического излучения возможно создание высокоскоростного электрооптического затвора на основе кристалла ниобата лития с угловой апертурой, составляющей порядка 1 углового градуса.
Спектральным составом преобразованного излучения, положением максимума и его интенсивностью можно управлять в диапазоне более 100 нм при использовании излучения от одного и того же ИК объекта за счет изменения поляризации излучения, фокусного расстояния объектива и угла между осью исходного пучка, и оптической осью нелинейнооптического кристалла.
По основным результатам исследований опубликовано 12 работ[3-14], которые были представлены на следующих научных конференциях:
Пятой региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» - Хабаровск: ХГПУ, 2005.
44 Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности» -Хабаровск: ДВГУПС, 2006.
Международном симпозиуме (III Самсоновские чтения) «Принципы и процессы создания неорганических материалов». - Хабаровск, 2006.
Fifth Asia Pacific Conference «Fundamental problems of opto- and microelectronics APCOM> 2005». -Vladivostok, 2005.
«X конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов» -Владивосток, 2006.
Четвертой международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика - 2005» - Санкт-Петербург, 2005.
Международном оптическом конгрессе «Оптика - XXI век» - Санкт-Петербург, 2006.
ВНКСФ-12-Новосибирск, 2006.
Научной сессии МИФИ-2007, Москва, 2007.
Часть научных результатов получена по научно-исследовательской госбюджетной теме Министерства транспорта РФ «Анизотропное отражение и электрооптические свойства кристаллов», выполняемой на кафедре физики Дальневосточного государственного университета путей сообщения.
Нелинейнооптические преобразования излучения в одноосных отрицательных кристаллах
Первыми экспериментальными и теоретическими работами по преобразованию некогерентного излучения- зарубежных исследователей можно считать [50-54]. Первые отечественные работы по преобразованию широкополосного инфракрасного излучения с немонохроматической накачкой начал проводить Ю.Г. Колпаков. В работе [55] авторы показали возможность преобразования широкополосного излучения в область суммарных частот за счет так называемого "многочастотного синхронизма", что дает возможность эффективного преобразования широкополосного излучения при выполнении условий фазового синхронизма.
Для эффективного использования мощности немонохроматического излучения при ап-конверсии зачастую приходится фокусировать основное излучение в объем нелинейного кристалла. Относительно высокий коэффициент нелинейного преобразования широкополосного излучения в данном случае авторы [56] связывают не только с существованием многочастотного синхронизма, но и с увеличением плотности энергии в фокальной плоскости линзы, так и с увеличением вклада векторных перекрестных взаимодействий при фокусировке широкополосного излучения в кристалл. Следует отметить, что вклад различных частотных составляющих в угловой спектр авторы не определяли. В работе [57] авторы рассматривают решение нелинейного волнового уравнения Максвелла при генерации второй оптической гармоники в случае немонохроматического излучения. В работе [58] преобразование некогерентного излучения рассматривается статистическими методами. В работах [59-61] приводятся экспериментальные результаты по преобразованию Ж излучения в нелинейно-оптических анизотропных кристаллах при использовании немонохроматической накачки. В работе [62] моделируются процессы нелинейно-оптического преобразования широкополосного излучения в различных оптических кристаллах. В работах [63, 64] рассматриваются некоторые особенности протекания нелинейных процессов при векторных взаимодействиях.
В работах [65, 66] выполнены расчеты спектров преобразованного теплового излучения при векторных взаимодействиях (в одном направлении) в нелинейно-оптических кристаллах LiJ03 и KTiOP04 (КТР).
Влияние немонохроматичности излучения лазерных источников на эффективность преобразования в нелинейнооптических кристаллах рассматривалось в [67-69]. Было показано, что при широкополосном возбуждении процессам удвоения сопутствуют акты их перекрестного сложения. При этом гармоника на частоте ш0 генерируется не только за счет процессов удвоения, но и сложения эквидистантных относительно центральной частоты боковых частотных компонент.
Эффективность преобразования ИК излучения и изображения с широким спектром мала из-за малости частотной ширины синхронизма Асос. При использовании лазерной накачки значение Асос колеблется в зависимости от длины волны X в пределах 1-100 см"1 [70, 71]. Ширина преобразованного спектра в несколько раз уже, чем ширина спектра преобразуемого излучения [72, 73, 74]. Поэтому долгое время считалось, что наиболее эффективно в нелинейных кристаллах может быть преобразовано по частоте узкополосное (монохроматическое) лазерное излучение. Особенно неблагоприятными считались условия преобразования для теплового излучения, ширина спектра которого достигает десятков тысяч см"1.
Однако авторы [67, 69] обратили внимание на то, что эффективность преобразования может быть значительно увеличена за счет вклада в преобразование эквидистантно расположенных относительно частоты синхронизма со0 боковых частот і и ю2. При этом излучение с частотой щ, соответствующее преобразованному излучению с частотой 2ооо, преобразуется в нелинейном оптическом кристалле наиболее эффективно.
В последующих работах рядом авторов [56, 71, 75-79] был проведен расчет спектра преобразованного излучения при использовании немонохроматического широкополосного излучения. Так, в работах [77, 78] были рассчитаны спектры при преобразовании излучения лазеров на красителях. Отмечено значительное сужение спектра после преобразования [56,76-79].
Нелинейные процессы в световых полях некогерентных источников могут быть сравнимы с процессами в когерентных полях [48,78, 80, 81]. В работах [76, 79] обнаружено существование в кристаллах явления многочастотного синхронизма. Многочастотный синхронизм делает возможным преобразование излучения с очень широким спектром при выполнении условий фазового синхронизма. В работах [67, 69, 70, 79, 82] проанализированы причины относительно высокой эффективности преобразования широкополосного излучения в нелинейных кристаллах. Авторы, в основном, связывают высокую эффективность с возможностью перекрестных частотно-угловых взаимодействий при точном выполнении условий фазового синхронизма.
Из экспериментальных работ зарубежных авторов, посвященных преобразованию широкополосного теплового изображения, следует отметить работы [50, 81]. Из пионерских отечественных работ по прямому преобразованию ИК излучения (без накачки от постороннего источника) можно считать работу [76]. В этой работе экспериментально показано, что ограничения, связанные с малой спектральной плотностью мощности нелазерных тепловых источников, не являются принципиальными и могут быть преодолены.
Системы тепловидения расширяют возможности нашего зрения, делая видимым излучение нагретых объектов в диапазоне от коротковолновых красных лучей до дальней инфракрасной области спектра. Оптические методы обработки информации оказываются более подходящими для решения ряда задач обработки тепловых изображений по сравнению с электронными методами, которые оказались плохо приспособлены для анализа двумерных (и трехмерных) изображений. Важным преимуществом нелинейной визуализации ИК-излучения по сравнению с электронно-оптическим преобразованием является сохранение фазовой информации, что позволяет проводить дальнейшую когерентную обработку изображения, например, голографию в ИК-диапазоне с безынерционной визуализацией.
Электрорефракция в кристалле ниобата лития
Фоторефрактивный эффект в оптических кристаллах обусловлен созданием электрическим полем световой волны дополнительного заряда, переноса его на ловушки и за счет электрооптического эффекта изменения этим зарядом показателя преломления кристалла [108]. Такой же результат достигается путем воздействия на кристалл рентгеновского излучения (рентгенорефракция) [107].
Нами обнаружен эффект фиксирования электрооптических изменений показателя преломления в кристалле ниобата лития, вызванных внешним электрическим полем. Данный эффект, по аналогии с приведенными выше, может быть назван электрорефракцией.
До сих пор неявно считается, что при удалении внешнего электрического поля электрооптический кристалл приходит к своему первоначальному состоянию, то есть все электрооптические изменения показателя преломления релаксируют до нуля. Электрооптический эффект - быстрый и. позволяет модулировать оптическое излучение на сверхвысоких частотах [43,105]. В наших экспериментах электрическое напряжение подавали от электростатического генератора на электроды, прижатые к боковым граням кристалла LiNbCb. Электрическое поле направлено вдоль кристаллофизической оси у. При подаче электрического напряжения на кристалл ЫМЮз, последний становился двуосным. С увеличением напряжения угловое расстояние 29 между оптическими осями увеличивалось (рис. 2.2.1). В эксперименте использовали напряжение в пределах 0 -г- ±8600В. Толщина кристалла вдоль оси у 13 мм. Запись электрооптических изменений показателя преломления кристалла осуществлялась следующим образом. При приложенном к кристаллу определенном высоком напряжении удаляют один или оба электрода от кристалла. Электрооптические изменения показателя преломления кристалла, соответствующие данному напряжению (при котором убирают электроды) фиксируются. Записанные электрооптические изменения показателя преломления и коноскопические фигуры сохраняются достаточно долго (рис.2.2.1). Если электроды, приложенные к кристаллу, отсоединить от электростатического генератора, а затем замкнуть, то электрооптические изменения в кристалле исчезают, кристалл становится одноосным.
Причиной фиксирования электрооптических изменений, на наш взгляд, является перенос электрического заряда (электронов) с электродов (с электростатического генератора) на кристалл и закрепление этого дополнительного заряда на кристалле. При подсоединении ячейки, состоящей из электродов и электрооптического кристалла к конденсатору электростатического генератора, заряд перераспределяется между ячейкой и конденсатором. Электрооптический кристалл поляризуется и, вероятно, под действием электрического поля в кристалле возникают (или уже существуют) дополнительные вакантные для электронов энергетические уровни (ловушки). На эти энергетические уровни электроны переходят. Скорее всего, эти уровни расположены по толщине кристалла неравномерно. Наибольшее их число, вероятно, находится на поверхности кристалла.
При удалении электродов с поверхности кристалла обратный переход электронов из кристалла на электроды невозможен, так как этому препятствуют электростатические силы отталкивания со стороны электростатического генератора.
Электрооптические изменения показателя преломления и их фиксация происходят во всем объеме кристалла между электродами, в отличие от фоторефракции, где изменения и фиксация локальные [108]. Проверка данного предположения с помощью зондирующего считывающего пучка, рассеиваемого в разных точках входной поверхности кристалла, подтверждает это [4, 6].
В работе [2] также изучали электрооптические свойства ниобата лития с помощью коноскопических фигур, но авторы этих статей особенности и аномалии, отмеченные в данной работе, не наблюдали. На рисунке 2.3.2 представлены графики зависимости угла между оптическими осями в ниобате лития от напряженности внешнего электрического поля, направленного перпендикулярно оптической оси. Из рисунка видно, что вычисления, произведенные по обеим формулам, достаточно хорошо согласуются между собой.
В [15] было доказано, что при изменении направления поля на противоположное изменяется показатель преломления при х2 и у2 . Теперь Ng=ny, а Nm=nx , но численные значения Ng и Nm не изменяются, то есть значения угла между оптическими осями не изменяется, а изменяется положение плоскости оптических осей - она поворачивается на 90. То же самое получается, когда поле приложено вдоль х - значение угла между осями не изменяется и равно (при U=const) углу в случае, когда поле приложено вдоль у.
Преобразование инфракрасного излучения с ультрафиолетовой широкополосной накачкой
ИК излучения в видимую область оптического спектра, но при реализации эффекта генерации разностных частот. В этом случае подход авторов [56] неприменим, так как преобразуемые в условиях фазового синхронизма частоты связаны сложным образом с частотами УФ накачки и ИК излучения. В этом случае будут наблюдаться некоторые характерные особенности, связанные с данным эффектом. К используемым кристаллам для преобразования предъявляются повышенные требования. Область прозрачности должна включать как УФ, так и ИК области оптического спектра.
Для определения вклада в интенсивность преобразованного излучения на определенной частоте о);=(а Уф±Ш:у)-(соик±0+у) (или на длине волны Х{) от всех частотных составляющих, необходимо одновременно увеличивать или уменьшать частоты в ИК и УФ области, "пробегая" по всей области спектра путем изменения Q (О. - определяет вклад всех частот в CUJ).
Для определения вклада во все частотные составляющие преобразованного излучения необходимо выбрать соответствующие частоты в ИК и УФ области, изменяя v (v управляет значением частоты сої) в диапазоне от -Дсо/2 до +Аш/2. При этом для преобразуемых частот ООІ СОО взаимодействующие частоты в УФ и ИК области будут сдвигаться к со0, а Для Ші Юо раздвигаться, то есть знаки при v будут различными. Условия фазового синхронизма в данном случае будут выполняться автоматически для определенных частот со, при определенном значении QHV.
Для лучшего выделения преобразованного излучения и подавления спектра накачки использовался светофильтр СЗС 21, который имеет полосу пропускания 0,3-0,65 мкм. Преобразованное излучение при помощи объектива 6 направляется на щель монохроматора 7. После монохроматора свет попадает в окно фотоэлектронного умножителя 8 (ФЭУ-79). Далее электрический сигнал с ФЭУ поступает на усилитель 9 и регистрируется самопишущим потенциометром КСП-4. Спектры пропускания светофильтров были учтены при построении спектров преобразованного излучения. В эксперименте исследовались кристаллы иодата лития (ЫЮз).
Для исследования преобразования широкополосного ИК излучения в видимую область спектра использовался плоскопараллельный кристалл иодата лития, который был вырезан из монокристалла под углом 30 градусов между нормалью к поверхности и оптической осью. Такая ориентация кристалла соответствует направлению синхронизма для генерации второй гармоники от исходного излучения 1,064 мкм. Длина кристалла 16 мм вдоль направления синхронизма.
В экспериментах исследовалось изменение спектра преобразованного излучения при изменении угла между направлением оси сфокусированного излучения и поверхностью кристалла [9, 8, 9, 11].
Обнаружено [11], что при увеличении угла между осью пучка лучей, падающих на кристалл, и осью кристалла положение максимума в спектре преобразованного излучения сдвигается в коротковолновую область спектра (рис.3.3.2,а).
Это касается и регистрации спектров преобразованного широкополосного излучения. Обычно в литературе проводятся расчеты для несфокусированных - коллинеарных пучков, а эксперимент проводится при фокусировании излучения, когда значителен вклад в преобразование перекрестных векторных взаимодействий. В основном такая ситуация возникает из-за достаточно малой эффективности преобразования широкополосного излучения в коллинеарных пучках по причине малой плотности мощности накачки.
Далее рассматриваются спектральные характеристики тепловизора первого типа, в котором использованы различные нелинейно-оптические кристаллы (LiNb03, LiNb03:Cu, LiJ03, a-HJ03, KTP) [61].
В тепловизоре использованы следующие нелинейно-оптические кристаллы ЫЫЪОз (толщина 11 мм), LiNb03:Cu (толщина 2 мм). В том и другом случаях ось пучка ИК лучей перпендикулярна оптической оси кристалла. Кристаллы: ШОз (толщина 13 мм), ось пучка под углом 30 градусов к оптической оси, а-НГОз (толщина 12 мм), ИК излучение распространяется в плоскости YZ и КТР (толщина 6 мм), ИК излучение распространяется в плоскости XY. В первых четырех случаях реализован тип взаимодействия оо-»е, для КТР - ое-»е.
Видно, что спектр преобразованного излучения в этих кристаллах при одном и том же падающем ИК спектре существенно различается . Нелинейно-оптические приборы (тепловизоры, радиометры), построенные на этих кристаллах будут иметь различные спектральные характеристики. Спектры приведены с учетом спектральной чувствительности ФЭУ-29 и пропускания светофильтра СЗС-21. Причиной различия спектров (положения максимумов в спектре) прежде всего, является неодинаковое значение длины волны \Q, служащей границей раздела между спектром накачки и спектром от объекта. Значение V определяется выбранным срезом кристалла [65].
Влияние температуры объекта на процесс преобразования ИК излучения в тепловизоре
Исследование этого вопроса представляет значительный интерес, поскольку полученная информация дает возможность дистанционного измерения температуры объектов [59]. В работе [65] уже проводились подобные исследование этого вопроса на примере кристалла ШОз, но детального анализа не было проведено, в частности, не были исследованы спектры преобразованного излучения при различной температуре ИК объекта. В качестве объекта теплового излучения использовалась вольфрамовая лампа накаливания (17В; 170Вт) с нитью малого размера. Температура нити вольфрама определялась омическим способом (R=Ro+ Roat=U/I).
Ниже представлены результаты экспериментальных исследований (рис.4.2.1-4.2.3) влияния температуры ИК объекта (вольфрамовая нить) выполненных на установке рис.3.14 с использованием кристаллов, описанных в КТР, ШОз, LiNb03[8].
На рис. 4.2.4 показаны зависимости мощности преобразованного теплового излучения от температуры ИК объекта. Мощность определялась путем интегрирования полученных спектральных зависимостей (рис.4.2.1-4.2.3) преобразованного теплового излучения. На рис.4.2.5 ясно прослеживается, что значения максимальной интенсивности преобразованного излучения в кристалле ШОз выше, чем в кристалле КТР, но интегральная мощность преобразованного теплового излучения в КТР значительно выше (рис.4.2.4). Из полученных зависимостей (рис.4.2.4 и рис.4.2.5) можно сделать вывод, что эффективность преобразования теплового излучения в различных кристаллах не одинаковая, и с ростом температуры ИК объекта мощность преобразованного излучения резко возрастает при использовании кристаллов КТР и Ш03 [59].
Полученные экспериментально результаты сравним с теоретическими расчетами [7]. Рассчитаем спектр преобразованного теплового излучения, например, для кристалла ниобата лития при различной температуре вольфрамовой нити накаливания, с учетом векторных взаимодействий по формуле .
В области высоких температур спектральная плотность излучения вольфрама практически совпадает с излучением абсолютно черного тела, поэтому для расчета спектральной плотности излучения вольфрама можно воспользоваться формулой Планка. На рис.4.2.6 приведены рассчитанные спектры излучения падающего на кристалл при различной температуре вольфрамовой нити, с учетом пропускания светофильтра КС-17.
В работе [9] рассмотрено влияние ширины спектра ИК излучения на процессы нелинейно-оптического преобразования широкополосного излучения. На рис.4.3.1-4.3.2 приводятся спектры преобразованного теплового излучения, при постоянной температуре вольфрамовой нити накаливания (Т=2400К), но при различной ширине спектра широкополосного излучения падающего на кристалл. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 4.4.1 ИК объектом служит лампа накаливания с вольфрамовой нитью. Тепловым излучением от объекта является излучение с длиной волны в интервале 1-1,9 мкм. В качестве накачки применяется часть излучения с длиной волны в интервале 0,7-1 мкм от теплового объекта.
Изображение теплового объекта формируется ИК объективом в нелинейно-оптическом кристалле, который преобразует изображение по спектру в видимую область. Для разделения теплового и преобразованного излучения использовались светофильтры: КС-18, СЗС-21. 1 f \ 3 г 1 ( \ - 7 9 : п — - \ , 1 А . \ 1. Рис. 4.4.1 Схема экспериментальной установки. 1- источник ИК-излучения; 2, 5- ИК объектив; 3- модулятор (150 Гц); 4-поляризатор; 6-светофильтр (КС-18); 7- нелинейно-оптический кристалл; 8- светофильтр (СЗС-21); 9- дифракционный монохроматор МСД-2; 10- ФЭУ-29
Особенности преобразования широкополосного излучения исследованы с кристаллом ниобата лития (толщина кристалла 11 мм). Ось пучка ИК лучей перпендикулярна оптической оси кристалла z (рис. 4.4.2). Спектры преобразованного излучения представлены на рис. 4.4.3. Спектр 1 получен для неполяризованного ИК-излучения. Спектр 2 (рис. 4.4.3) получен с анализатором (падающее излучение не поляризовано). Анализатор помещался после кристалла 7 . Спектр преобразованного в кристалле LiNb03 теплового широкополосного излучения; падающий пучок: 1- не поляризован; 2- не поляризован (с анализатором); 2- поляризован перпендикулярно оптической оси кристалла (оо— е взаимодействие); 3- поляризован параллельно оптической оси перед камерой, в которой находился кристалл.
Если ИК-излучение поляризовано в плоскости, перпендикулярной оптической оси кристалла, реализуется оо-е тип взаимодействия. Если ИК-излучение поляризовано в плоскости, параллельной оптической оси кристалла, то в этом случае должен реализовываться ее-е тип взаимодействия, который не обеспечен условиями фазового синхронизма. Максимум спектра преобразованного излучения в кристалле ниобата лития в этом случае наблюдался при = 530 нм (длина волны фазового синхронизма).
Несмотря на то, что возможность прямого (без посторонней накачки) преобразования широкополосного теплового излучения была показана достаточно давно [56], этот способ не получил широкого практического применения из-за невысокой эффективности преобразования. Ниже предлагается способ увеличения эффективности преобразования широкополосного теплового излучения за счет использования нескольких кристаллов [14].
Вопрос повышения эффективности генерации оптических гармоник ранее был рассмотрен Волосовым В.Д. [69], но при использовании лазерного излучения. На рис.4.5.1 показан эффективный нелинейно-оптический преобразователь широкополосного излучения. Нелинейно-оптические кристаллы 1, 2...П должны иметь различную ориентацию оптической оси по отношению к входной грани. Показан вариант, когда угол между оптической осью и входной гранью плавно уменьшается. Таким образом, каждый кристалл в данной схеме будет настроен на свою длину фазового синхронизма, что даст значительное увеличение как ширины спектра преобразованного излучения, так и спектральной плотности преобразованного излучения.
