МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра ЛИНС ДОКЛАД по дисциплине «Материалы и компоненты лазерной техники» Тема: Нелинейные кристаллы Студент гр. 8585 Куприянчик М.А. Преподаватель Шалымов Е.В. Санкт-Петербург 2022 СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение 3 ПРИМЕРЫ КРИСТАЛЛОВ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ 4 1.1. Примеры кристаллов 4 1.2. Требования к нелинейным кристаллам 5 2. СВОЙСТВА НЕЛИНЕЙНЫХ КРИСТАЛЛОВ 6 2.1. Генерация второй и третьей гармоники 6 2.2. Самофокусировка и самодефокусирофка излучения 7 2.3. Насыщающееся поглощение 7 2.4. Многофотонное поглощение 8 2.5. Вынужденное рассеяние 8 Заключение 9 Список использованных источников 10 2 ВВЕДЕНИЕ При больших интенсивностях оптические среды проявляют нелинейные свойства: Показатель преломления зависит от интенсивности света; Следовательно, принцип суперпозиции нарушается в нелинейной оптической среде: пучки света взаимодействуют между собой (так, что светом можно управлять с помощью света); Частота света может изменяться при прохождении через нелинейную среду. Открытие нелинейных оптических эффектов существенно расширило возможности лазерной техники: появились способы изменения частоты излучения (генерации гармоник), источники перестраиваемого по частоте излучения (параметрические генераторы), лазеры на основе вынужденного рассеяния и т. д. В основе большинства методов генерации ультракоротких лазерных импульсов также лежат нелинейнооптические явления, такие как нелинейная рефракция и поглощение. Очень широко применяются нелинейно-оптические методы в научных исследованиях. Вместе с тем, многие нелинейные эффекты в оптике (самофокусировка, фазовая модуляция, вынужденное рассеяние) являются вредными, они ограничивают эффективность лазерных систем. Это относится, прежде всего, к особо мощным лазерам, поскольку в них велика интенсивность излучения, а также к волоконно-оптическим линиям связи – в силу их большой длины даже малые нелинейные эффекты могут накапливаться. 3 1. ПРИМЕРЫ КРИСТАЛЛОВ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ 1.1. Примеры кристаллов Нелинейные кристаллы дигидрофосфата калия KDP (KH2PO4) являются очень распространенными. Они обладают хорошим пропусканием УФ излучения и высоким порогом разрушения. Нелинейные кристаллы дидейтерофосфата калия DKDP (KD2PO4). Применение дейтерия позволяет получить на длине волны 1064 нм коэффициент поглощения около 0,8%/см, тогда как у обычного KDP он равен приблизительно 4.7%. Нелинейные кристаллы титанил-фосфата калия KTP (KTiOPO4) наиболее часто используются для генерации второй гармоники (удвоения частоты) неодимовых лазеров. Нелинейные кристаллы титанил-фосфата калия широко применяются в лазерной технике коммерческого и военного назначения, в лабораториях, в медицинских системах, в дальномерах, в лазерных локаторах, оптической связи и промышленных системах. Кристаллы трибората лития LBO (LiB3O5 ) широко используются для генерации 2-ой и 3-ей гармоники в кристаллах Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO4 и в титан-сапфировых лазерах, в оптический параметрический осцилляторах (OPOs) и оптических параметрических усилителях (OPAs). Кристаллы бората бария ВВО (BaB2O4) применяется в перестраиваемых лазерных источниках, таких как титан-сапфировые лазеры, лазерах на красителях. Так же широко применяется для получения 2-ой, 3-ей, 4-ой гармоник. 4 1.2. Требования к нелинейным кристаллам Наличие ненулевых нелинейных оптических восприимчивостей требуемых порядков. Наличие в кристалле двойного лучепреломления. Высокое оптическое качество кристаллов. Возможность получения кристаллов достаточно больших размеров и требуемой геометрической формы. Стабильность свойств материала во внешней среде и стойкость к действию внешних факторов. Малые оптические потери. 5 2. СВОЙСТВА НЕЛИНЕЙНЫХ КРИСТАЛЛОВ 2.1. Генерация второй и третьей гармоники Пусть на квадратично-нелинейную среду воздействует монохроматическое поле с частотой ω: E(t)=Acos Тогда отклик среды (нелинейная поляризация второго порядка) будет пропорционален полю во второй степени: Это значит, что поляризация будет иметь постоянную составляющую 0,5χ(2)A(2), и переменную 0,5χ(2)A(2)cos2ωt, на удвоенной частоте 2ω. Первое слагаемое в соответствует нелинейному процессу, который называется оптическим выпрямлением, а второе – генерации второй гармоники. С квантовой точки зрения нелинейный процесс преобразования частоты выглядит следующим образом. Например, при генерации второй гармоники, можно считать, что два фотона исходной частоты ω одновременно поглощаются в среде, переводя систему на виртуальный уровень с энергией 2ħω, после чего система релаксирует с этого уровня в основное состояние с излучением фотона частотой 2ω. Пусть на вход кубически-нелинейной среды падает волна с частотой ω: E(t)=Acos Тогда поляризация третьего порядка зависит от времени следующим образом: То есть, происходит генерация третьей гармоники (ГТГ) и переизлучение на исходной частоте (самовоздействие света). Поскольку, как правило, χ(3)Е(3)<< χ(2)Е(2), то эффект ГТГ в кубически-нелинейной среде 6 очень мал, и на практике третью гармонику лазерного излучения получают путем последовательного удвоения частоты ω + ω → 2ω, а затем сложения волн первой и второй гармоники: ω + 2ω → 3ω в квадратично-нелинейной среде. 2.2. Самофокусировка и самодефокусирофка излучения Второе слагаемое в правой части уравнения описывает самовоздействие света. В простейшем случае можно показать, что оно сводится к изменению показателя преломления пропорционально интенсивности света: Если нелинейный коэффициент γ > 0, то показатель преломления в центре пучка, где интенсивность максимальна, больше, чем на периферии, поэтому пучок сходится к оси. Этот процесс называется самофокусировкой. В противном случае, при γ < 0, происходит самодефокусировка излучения. 2.3. Насыщающееся поглощение Во многих материалах коэффициент поглощения уменьшается с увеличением интенсивности лазерного излучения. Часто эту зависимость можно представить в виде: где α0 – коэффициент поглощения слабого сигнала, Is – интенсивность насыщения (эта формула справедлива, например, при однородном уширении атомного перехода). Причиной этого явления может быть перераспределение населенности энергетических уровней 7 среды. Если излучение переводит существенную долю атомов из основного в возбужденное состояние, то поглощение, которое пропорционально населенности основного состояния, уменьшается. Одно из применений этого эффекта – пассивные затворы для модуляции добротности и синхронизации мод в лазерах. Другое применение – бистабильные оптические элементы, обладающие гистерезисом пропускания. Их можно использовать в качестве логических элементов оптических вычислительных устройств. 2.4. Многофотонное поглощение В процессе многофотонного поглощения атом переходит из основного состояния в возбужденное при одновременном поглощении двух и более фотонов. При этом сечение поглощения (отношение мощности поглощенного излучения к интенсивности падающей волны), в отличие от сечения «обычного», линейного поглощения, зависит от интенсивности. Например, для двухфотонного поглощения, Следовательно, скорость перехода зависит от интенсивности квадратично: Двухфотонное поглощение – полезный спектроскопический метод для определения положения атомных уровней, которые не связаны с основным состоянием однофотонными переходами. 2.5. Вынужденное рассеяние Вынужденное рассеяние отличается от спонтанного тем, что падающее лазерное излучение, интерферируя с рассеянной волной, «раскачивает» неоднородности среды, на которых происходит рассеяние. Поэтому интенсивность вынужденного рассеяния может быть на много порядков больше, чем спонтанного. 8 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящее время известно большое количество нелинейных кристаллов, обладающие заметной нелинейной восприимчивостью второго порядка. Однако требования, предъявляемые к кристаллам с точки зрения получения необходимых характеристик нелинейных оптических устройств (генераторов гармоник и существенно сокращают параметрических число генераторов пригодных для света), практического использования материалов. Основному требованию – наличию квадратичной нелинейности (отсутствие центра симметрии) – удовлетворяет достаточно большое число (~100) кристаллов, однако лишь относительно небольшое число из них имеет достаточное двулучепреломление для обеспечения условий фазового синхронизма. Отметим также требование высокого оптического качества кристаллов, предопределяемое интерференционной природой квадратично-нелинейных эффектов. Дополнительные требования, традиционно предъявляемые к кристаллам с первых же шагов нелинейной оптики: стойкость поверхности и объема образца к лазерному излучению, устойчивость и сохраняемость свойств материала во внешней среде (негигроскопичность, твердость, устойчивость к резким изменениям температуры и т. п.). В процессе развития нелинейной оптики выявился еще целый ряд условий, важных с точки зрения достижения высоких коэффициентов преобразования. К ним относятся требования больших значений угловой, температурной и спектральной ширин синхронизма, малых потерь, отсутствие фоторефрактивного эффекта и нелинейного поглощения, слабого влияния конкурирующих процессов (например, вынужденного комбинационного рассеяния), специальной ориентации и специальной геометрической формы кристаллического образца, неподверженности к появлению центров окраски под действием УФ и более коротковолнового излучений и т. д. 9 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Учебно-методическое пособие Д. В. Сизмин «Нелинейная оптика». 2. Нелинейные кристаллы KTP, KDP, LBO, BBO URL: https://lasercomponents.ru/product/optika/nelinejnye-kristally/nelinejnyekristally-ktp-kdp-lbo-bbo 3. Нелинейная оптика URL: https://rus-bse.slovaronline.com/52503Нелинейная%20оптика 10
