Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сходящиеся пучки лучей в оптике 6
1.1. Отражение и преломление оптических лучей в анизотропных средах.. 6
1.2. Коноскопический метод в оптике 13
1.3. Гауссовы и бесселевы пучки излучения 14
1.4. Коническая рефракция в сходящихся пучках лучей 18
1.5. Векторные взаимодействия световых волн при генерации второй оптической гармоники 23
1.6. Регистрация углового распределения интенсивности в пучках излучения. Регистрирующие среды 25
Выводы 26
Глава 2. Экспериментальные установки. Световые пучки 28
2.1. Экспериментальные установки 28
2.2. Отраэ/сение световых лучей от плоскопараллельной кристаллической пластинки 31
2.3. Гауссовы и Бесселевы пучки излучения 34
2.4. Коноскопические фигуры в отраженных от экрана лучах 41
Выводы 45
Глава 3. Генерация второй оптической гармоники при нарушенных условиях фазового синхронизма 47
3.1. Теневая оптическая гармоника на частоте 2со 47
3.2. Генерация второй оптической гармоники цилиндрически сходящимися пучками излучения 51
3.3. Коническая рефракция на частоте второй оптической гармоники 56
3.4. Переход через фазовый синхронизм на частоте второй оптической гармоники 64
Выводы 67
Глава 4. Коническая рефракция пучков излучения 68
4.1. Теневая коническая рефракция 68
4.1.1. Теневое двулучепреломление 68
4.1.2. Теневые двулучепреломления со сходящимся пучком лучей 71
4.1.3. Теневая коническая рефракция в сходящихся пучках излучения 73
4.2. Взаимное влияние внутренней и внешней конической рефракции 77
4.3. Поляризационная структура сходящихся пучков излучения 80
Выводы 86
Заключение 87
Список литературы 89
- Векторные взаимодействия световых волн при генерации второй оптической гармоники
- Регистрация углового распределения интенсивности в пучках излучения. Регистрирующие среды
- Отраэ/сение световых лучей от плоскопараллельной кристаллической пластинки
- Генерация второй оптической гармоники цилиндрически сходящимися пучками излучения
Введение к работе
Развитие современной вычислительной и лазерной техники позволяет реализовывать достаточно сложные и точные эксперименты в области нелинейных свойств оптических кристаллов.
Новые научные результаты являются основой конструирования оптических современных приборов. Оптические средства хранения информации доминируют на рынке современных компьютерных технологий. Их развитие и применение имеет огромное научное и прикладное значение. Это одна из причин, которой обусловлена актуальность научных исследований в области нелинейных свойств оптических кристаллов.
Сходящиеся и расходящиеся пучки лучей используются практически в любом оптическом приборе. В ряде случаев, особенно при использовании в устройствах элементов из анизотропных кристаллов, возникают характерные особенности, связанные с распространением лучей в направлениях, отличных от оптических осей. В случае использования двуосных кристаллов, наоборот, в направлении оптической оси возникает явление конической рефракции и в полной мере проявляются векторные взаимодействия световых волн. Дополнительной особенностью в оптике и в нелинейной оптике является возможность наблюдения ряда оптических эффектов в виде теневых картин.
Законы преломления и отражения в кристаллах приобретают большое своеобразие по сравнению с изотропной средой. В связи с этим прохождение сходящихся или расходящихся пучков лучей через кристаллическую пластинку приводит к значительному усложнению поляризационной структуры. Все эти особенности должны быть учтены при конструировании новейшей оптической аппаратуры, предназначенной для записи, хранения и обработки оптической информации, при неразрушающих исследованиях и контроле, в системах оптической связи.
В связи со сказанным, исследование перечисленных выше характерных особенностей является актуальной задачей.
В данном направлении проведено достаточно много работ. Анизотропная структура отражения и преломления вскрыта в работах Л.В. Алексеевой, И.В. Похв, Н.В. Дейнекиной, О.А. Кравченко, К.Г. Карася, Е.А. Толстого и других авторов. Коническая рефракция достаточно подробно исследована в работах белорусских авторов и СВ. Мешалкиной, Л.В. Алексеевой. Ряд характерных черт по распространению световых лучей в плоскопараллельной кристаллической пластинке описано в известных монографиях и диссертации Л.В. Алексеевой.
Особенности векторных взаимодействий световых волн в нелинейной оптике, в особенности в присутствии оптических аберраций, достаточно подробно рассмотрены в докторских диссертациях В.И. Строганова, А.И. РІлларионова. В работах белорусских авторов уделено значительной внимание Гауссовым и Бесселевым пучкам излучения.
Однако в ряде случаев из перечисленных областей исследований выпали важные для практического применения разделы.
Недостаточно подробно исследована теневая коническая рефракция; векторные взаимодействия световых волн; в том числе при отсутствии условий фазового синхронизма; поляризационная структура сходящихся пучков излучения; одновременное проявление внешней и внутренней конической рефракции; некоторые особенности использования в кристаллооптике Гауссовых и Бесселевых пучков излучения и ряд других вопросов.
Цель работы: Исследование закономерностей распространения и взаимодействия сходящихся и расходящихся пучков излучения в плоскопараллельных пластинках, изготовленных из одноосных и двуосных оптических кристаллов (исследование преломления, отражения, конической рефракции и второй оптической гармоники при наличии расстройки фазового синхронизма).
Задачи исследования:
Рассмотреть в полном объеме отражение оптических лучей от плоскопараллельной кристаллической пластинки;
Рассмотреть особенности распространения Гауссовых и Бесслелевых пучков излучения в кристаллах;
Выяснить фазовые условия генерации векторной второй оптической гармоники при наличии оптических аберраций (выполнены ли условия фазового синхронизма).
Выявить особенности векторных взаимодействий при регистрации конической рефракции;
Проанализировать условия возникновения теневой конической рефракции;
Дать рекомендации по использованию нетрадиционных оптических регистрирующих сред для регистрации перечисленных выше эффектов;
Провести анализ генерации второй оптической гармоники в сходящемся цилиндрическом пучке при отсутствии фазового синхронизма.
Работы автора, опубликованные в открытой печати, приведены в списке литературы [1-23].
Работа выполнялась в рамках научной темы ДВГУПС «Анизотропное отражение и электрооптический эффект в оптических кристаллах».
В первой главе диссертации приведен обзор вопросов, имеющих отношение к диссертации.
Во второй главе описана экспериментальная установка и особенности поведения пучков излучения в оптических анизотропных кристаллах.
В третьей главе описаны особенности генерации оптических гармоник в сходящихся пучках излучения при нарушенных условиях фазового синхронизма.
В четвертой главе приведены научные результаты по конической рефракции света. Показано, что необходимо рассматривать внешнюю и внутреннюю коническую рефракцию во взаимосвязи.
Векторные взаимодействия световых волн при генерации второй оптической гармоники
В обычных условиях, когда условия фазового синхронизма не выполняются (Лк О) вторая оптическая гармоника представляет собой наложение двух волн одной и той же частоты 2со: вынужденной волны cos(o 2t-2kr) и свободно распространяющейся волны cos(a 2t-k2r). Обе волны распространяются в одном и том же направлении, но с различными фазовыми скоростями. Поэтому по мере распространения меняется разность фаз между ними и возникнет характерное в таких случаях явление биений [107-113].
Для интенсивного обмена энергией необходимо удовлетворить условию фазового синхронизма n(co) = п(2со). Но это невозможно сделать для изотропных сред в прозрачной области спектра, так как в этой области показатель преломления п(со) монотонно возрастает с частотой. Равенство п(со)=п(2со) может удовлетворяться только тогда, когда частота со взята в прозрачной области, а 2со — в области сильного поглощения или наоборот [107-110].Однако, как указали в 1962 г. Джордмейн и Терхыон и подтвердили это указание на опыте, фазовый синхронизм на частотах ю и 2со можно осуществить между обыкновенной и необыкновенной волнами в некоторых кристаллах. На рис. 1.2 представлены обыкновенный п и необыкновенный пе показатели преломления одноосного кристалла в зависимости от направления волновой нормали. Сплошные кривые относятся к частоте со, пунктирные — к удвоенной частоте 2со. На первом из этих двух рисунков (а) кривые п(со) и пе(2со) пересекаются между собой. Точкам их пересечения соответствуют направления, для которых между обыкновенной волной с частотой со и ее гармоникой с частотой 2со выполняется фазовый синхронизм. Эти направления называются направлениями фазового синхронизма, а угол 3 между ними и оптической осью кристалла - углом синхронизма.
Если на нелинейную среду направить два пучка света с различными частотами і и со2, то из нее будет выходить свет не только с первоначальными частотами сої и со2 и их гармониками 2coi и 2 со2, но и свет с суммарной соі+со2 и разностной о)і-ю2 частотами. Подобными методами генерации волн разных частот удается далеко продвинуться в инфракрасную и ультрафиолетовую области спектра.
В пересекающихся световых пучках возможны векторные взаимодействия [114], когда взаимодействующие пучки пересекаются под определенным углом. В области пересечения рождается излучение с частотой соі±сс 2. это излучение распространяется в направлении не совпадающим с направлением падающих пучков с частотами со і и со2 [22,23,107-109]. Для разных нелинейных оптических кристаллов угол между взаимодействующими пучками, когда условия фазового синхронизма выполнены, вполне определен и называется углом векторного синхронизма [114].
Существует методика нахождения направления фазового синхронизма в кристалле. Используется мощный импульсный лазер, излучение которого направляют в нелинейный кристалл. Часть излучения рассеивается во всевозможных направлениях на передней грани кристалла, а затем взаимодействует в кристалле с основным падающим пучком, высвечивая направления фазового синхронизма на частотах 2со или СОІ±(Й2 [107-113].
Для необыкновенного луча существует различие в кристалле направлений фазовых и групповых скоростей. В случае оо— е взаимодействия происходит снос необыкновенного луча второй оптической гармоники относительно волны нелинейной поляризации. Особенно значительно уменьшение эффективности преобразования при взаимодействии ое-»е, когда лучи основной частоты пересекаются только в небольшой области нелинейного кристалла и только в этой области существует волна нелинейной поляризации, возбуждающая гармонику [110-113].
Особенно интересными для понимания физических процессов в нелинейных оптических кристаллах являются процессы преобразования излучения в гармоники, когда условия фазового синхронизма не выполнены, то есть Ак О [114]. В этом случае, из-за определенных интерференционных условий, генерация гармоник возможна только на входной и выходной границах кристалла [114]. Представляют интерес работы по цилиндрической фокусировке излучения при нарушенных условиях фазового синхронизма [13,16,18,22,26].
Регистрация углового распределения интенсивности в пучках излучения. Регистрирующие среды
Важным вопросом в наблюдении коноскопических картин является получение их четких изображений. Один из таких способов -фотографирование полученного изображение на фотопленку. Однако такой способ не всегда бывает эффективен, так как фотоаппарат находится под некоторым углом к экрану. Иногда целесообразно получить изображение коноскопических фигур на специальном фоточувствительном слое, расположенном в плоскости экрана. В этом случае регистрируется достаточно четко структура изображения. Экспонирование полученной картины на фоточувствительный слой композиции поливиниловый спирт + оксид цинка возможно и при дневном свете, так как данный композит не содержит оксидов серебра, используемых в традиционной фотографии [1-4,115-118].
Среди фоточувствительных систем важное место занимают композиции широкозонных полупроводников в органическом связующем. К таким материалам относятся, в частности, галогенсеребряные фотоэмульсии и композиции поливиниловый спирт (nBC)-ZnO/Ti02. Имеются данные о том, что связующее играет важную роль в механизме фоточувствительности этих систем [116-118]. При взаимодействии полимера с поверхностью полупроводника могут образовываться локальные центры, оказывающие влияние на протекание электронных процессов в этих материалах. В частности, возникновение таких локальных центров проявляется в люминесцентных и фотоэлектрических свойствах композиций [118]. В системе ПВС-ZnO наблюдается свечение в диапазоне 400-450 нм, которого нет у чистого оксида цинка. В данной главе приведен обзор научных статей, имеющих отношение к теме диссертации.
Проанализированы условия отражения и преломления лучей в оптических кристаллах. Показано, что в общем случае от анизотропных систем отражается четыре луча. Описаны особенности системы наблюдения крупномасштабных коноскопических картин. Рассмотрено распространение и генерация оптических гармоник в плоскопараллельных кристаллических пластинках. Рассмотрены векторные взаимодействия световых волн при генерации гармоник и при конической рефракции.
Таким образом, из обзора следует, что в данном направлении исследований, на момент начала работ автора, оказались не выясненными многие актуальные вопросы. Не было ясно сколько лучей отражается от плоскопараллельной кристаллической пластинки, как они распространяются. Не выяснены поляризационные характеристики сходящихся пучков излучения. Не вскрыт ряд особенностей теневой конической рефракции. До начала работ автора не был обнаружен и исследован эффект теневой оптической гармоники. Не было исследований второй оптической гармоники с цилиндрической фокусировки при нарушенных условиях фазового синхронизма. Не было проведено исследование свойств и применимость для регистрации оптических эффектов новых фотослоев на основе IIBC-ZnO/TiCb.
Отметим, что во всех указанных случаях объектом исследования является плоскопараллельная пластинка, изготовленная их анизотропного критсалла. Данное направление исследований является актуальным и важным для практических применений. Исследования перечисленных выше эффектов следует продолжить.
Основная часть экспериментальных исследований нелинейных оптических процессов выполнены автором с лазерными источниками излучения. Эксперименты по изучению фотолюминесценции и фотографических характеристик композиций ПВС-ZnO, ПВС-ТЮг с ртутной лампой ДТР-400 и азотным лазером ЛГИ-21. На рис. 2.1 приведена схема экспериментальной установки, используемой для изучения нелинейных оптических эффектов. Для наблюдения перехода через фазовый синхронизм на частоте 2со использовался рубиновый лазер [22, 23]. С помощью лазера ЛТИПЧ наблюдалась коническая рефракция на частоте 2со [21] и теневые картины на частоте 2со вне фазового синхронизма [1,0, 16, 18].
Отраэ/сение световых лучей от плоскопараллельной кристаллической пластинки
В работе [35,44] показано, что углы выхода лучей, отраженных от плоскопараллельной кристаллической пластинки, независимо от положения оптической оси равны углу падения излучения на кристалл. Остался невыясненным вопрос о количестве отраженных лучей. При проведении экспериментальных исследований ожидалось, что в направлении отраженных лучей выйдут два луча - обыкновенный и необыкновенный. Однако оказалось, что в общем случае число отраженных от выходной грани пластинки лучей равно четырем [9,20]. Другая особенность состоит в том, что два луча - обыкновенный и необыкновенный - лежат в плоскости отражения, совпадающей с плоскостью падения. Третий (обыкновенный) и четвертый (необыкновенный) лучи лежат в плоскостях отражения, параллельных плоскости падения, но находящихся на довольно значительном расстоянии с разных сторон от плоскости падения. В целом, на экране появляются четыре отраженных от выходной грани пластинки луча, которые создают на экране точки, находящиеся в вершинах параллелограмма. Причиной такого расположения отраженных лучей является смещение лучей в пластинке за счет двулучепреломления. Величина этого смещения зависит от величины двупреломления кристалла An = П(г пе, от расположения оптической оси в пластинке, от положения плоскости падения луча на пластинку относительно плоскости оптической оси (плоскости, содержащей нормаль к пластинке и оптическую ось кристалла). Если плоскость падения луча и плоскость оптической оси совпадают, то отражаются только два луча; если не совпадают, появляются еще два луча, лежащие в плоскостях отражения, параллельных плоскости падения, но смещенных относительно ее на некоторое расстояние.
Максимальное смещение реализуется, когда угол между плоскостью падения и плоскостью оптической оси равен 90. Последний случай является очень интересным с точки зрения возможности разделения двух эффектов - преломления лучей при наклонном падении и смещения луча за счет двулучепреломления. Преломление лучей реализуется в плоскости падения, снос лучей происходит в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, - плоскости оптической оси. Падающий на пластинку под определенным углом падения а луч, в точке 2 входной грани пластинки преломляется и разбивается на два - обыкновенный 3 и необыкновенный 4. Эти лучи попадают на выходную грань пластинки в точках 5 и 6, где каждый из них при отражении преобразуется в два луча -обыкновенные 8, 10 и необыкновенные 7, 9. Причиной удвоения является несовпадение плоскостей главного сечения кристалла для преломленных лучей 3, 4 и для отраженных лучей 7-10 [35,36]. На входную грань пластинки отраженные лучи попадают в точках 11-14. Из пластинки под одним углом (равным углу падения а) выходят четыре параллельных луча 15-18. Обратим внимание на тот факт, что смещение лучей для преломленного необыкновенного луча и отраженных необыкновенных лучей происходит в противоположные стороны (см. рисунок): луч 4 смещается вниз, лучи 7, 9 -вверх. Оптическая ось ZZ для данной пластинки расположена под углом 45 относительно плоскости рисунка.
Эксперимент выполнен с плоскопараллельной пластинкой, изготовленной из кристалла кальцита толщиной 25 мм. Использовалось излучение гелий-неонового лазера (к - 0,6328 мкм). Расстояния между точками 2-5 и 2-6 определяются следующим образом: где h - толщина пластинки; р0, Ре - углы преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Расстояния между точками 5-11, 6-13 и 5-12, 6-14 равны где фе, фо - углы отражения необыкновенного и обыкновенного лучей соответственно. Расстояние 1п между боковыми плоскостями отражения (лучи 15 и 18) и центральной (лучи 16 и 17) определяются только величиной двулучепрелом-ления (углом смещения у необыкновенных лучей): Расстояния между точками 2-5, 2-6, 5-11, 5-12, 6-13, 6-14 при увеличении угла падения а увеличиваются. Расстояния между боковыми плоскостями отражения не зависят от а. Но при увеличении угла а интенсивность отраженных лучей 15 и 18 увеличивается, так как увеличивается угол между плоскостями главного сечения для падающих и отраженных лучей. Экспериментально измеренные расстояния для данной плоскопараллельной пластинки хорошо совпадают с рассчитанными по формулам (13)-(16). В последнее время появилось достаточно много работ по исследованию физических явлений с бесселевыми или близкими к бесселевым оптическим пучками излучения [59-64,68,69]. Примером такого процесса может служить образование внутренней конической рефракции в оптических кристаллах, когда излучение образует конус лучей в кристалле. Возникает ряд характерных особенностей при генерации оптических гармоник бесселевым пучком. Ниже приведены результаты исследования оптических гармоник пучками излучения, близкими по угловому распределению к бесселевым [11]. Теоретические расчеты и экспериментальные результаты получены для гармоник в направлениях, когда расстройка фазового синхронизма Ак в кристалле значительна, т. е. процесс происходит вне синхронизма. В этом случае генерация оптических гармоник возможна в тонком слое на передней или задней поверхностях кристалла, что позволяет выявить характерные особенности, не завуалированные за счет генерации оптических гармоник в объеме нелинейного кристалла.
Генерация второй оптической гармоники цилиндрически сходящимися пучками излучения
Существует достаточно большое количество работ, посвященных генерации оптических гармоник излучения со фокусированными пучками излучения [107,108,110]. В основном, во всех работах речь идет о повышении эффективности преобразования излучения при выполнении условий фазового синхронизма. В случае нарушения условий фазового синхронизма процесс преобразования достаточно отличается от случая, когда условия фазового синхронизма выполнены.
Из-за особых интерференционных условий [119] генерация гармоники происходит только вблизи входной и выходной граней кристаллической пластинки. Если пучок лучей сходящийся или расходящийся, но область перетяжки пучка находится вне кристалла, наблюдаются коноскопические фигуры на частоте второй оптической гармоники, обусловленные коллинеарными взаимодействиями. То есть, коноскопическая картина обусловлена интерференцией между свободной и вынужденной гармониками. Коноскопические картины на частоте второй оптической гармоники похожи на обыкновенные коноскопические фигуры в линейной оптике. Если оптическая ось перпендикулярна граням пластинки, то это коноскопичекие темные и светлые окружности. «Мальтийский крест» отсутствует. При наличии нескольких типов взаимодействий окружности накладываются друг на друга; интерференционная картина несколько усложняется. Если оптическая ось параллельна входной и выходной граням - то наблюдаются две системы гипербол [114].
На описанную выше интерференционную картину накладывается излучение второй оптической гармоники, возбужденное за счет векторных взаимодействий световых волн [114]. В работе [114] и других исследовалась фокусировка оптических лучей сферическими линзами. Характер наблюдаемых на экране картин в излучении с частотой 2ю позволяет судить о наличии оптических аберраций фокусирующей оптической системы, о соосности линз этой системы. Представляет значительный интерес рассмотреть генерацию оптических гармоник при цилиндрической фокусировке цилиндрическими линзами в случае, когда условия фазового синхронизма нарушены (ДМО) [16,18,23]. На рис.3.2. приведены положения сходящихся цилиндрических лазерных пучков относительно кристаллической пластинки.
Векторная вторая гармоника возникает, если перетяжка 2со находится на входной (рис.3.2,6) или выходных гранях пластинки. В первом случае возникает свободная гармоника 2со, во втором - вынужденная 2со. Угловое распределение, интенсивности гармоник, в основном, обусловлено угловым распределением интенсивности в падающем, цилиндрически фокусируемым излучении. На рис.3.3. приведено угловое распределение «второй» гармоники, рассчитанное в предположении гаусового углового распределения основного излучения [16]. Максимум интенсивности распределения соответствует оси пучка лучей. Вдоль цилиндрической линзы интенсивность излучения остается неизменной. При наличии аберраций у цилиндрической линзы, распределение интенсивности векторной гармоники более сложное.
Для цилиндрической линзы при наличии «сферических» аберраций имеется три области фокусирования (на рис.3.4 точки 1,2,3). В этом случае в распределении интенсивности излучения векторной гармоники появляется три области (рис.3.5,а). При наличии расходимости излучения и отсутствии сферических аберраций область перетяжки смещается при отходе лучей от центра пучка, что приводит к периодическому излучению интенсивности (рис.3.5,б). Эксперимент проведен с излучением лазера (А,=0,6943мкм) на пластинке, изготовленной из кристалла KDP. Результаты эксперимента приведены на рис.3.6. Часть эллиптической кривой на рис.3.6,6 - результат взаимодействия фокусируемого излучения с частотой рассеяния на передней грани кристалла.
