Генераторы оптических гармоник

СОДЕРЖАНИЕ:

Генераторы оптических гармоник

ОПТИКА — (греч. optike наука о зрительных восприятиях, от optos видимый, зримый), раздел физики, в к ром изучаются оптическое излучение (свет), процессы его распространения и явления, наблюдаемые при вз ствии света и в ва. Оптич. излучение представляет… … Физическая энциклопедия

Квантовая электроника — область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитных колебаний, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения (См. Вынужденное излучение), а также свойства квантовых усилителей и генераторов и их применения … Большая советская энциклопедия

Оптика — (греч. optikē наука о зрительных восприятиях, от optós видимый, зримый) раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии… … Большая советская энциклопедия

НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА — раздел оптики, охватывающий исследования распространения мощных световых пучков в тв. телах, жидкостях и газах и их вз ствия с в вом. Сильное световое поле изменяет оптич. хар ки среды (показатель преломления, коэфф. поглощения), к рые становятся … Физическая энциклопедия

Нелинейная оптика — раздел физической оптики, охватывающий исследование распространения мощных световых пучков в твёрдых телах, жидкостях и газах и их взаимодействие с веществом. С появлением Лазеров оптика получила в своё распоряжение источники когерентного … Большая советская энциклопедия

Лазеры сверхкоротких импульсов — Лазеры сверхкоротких (предельно коротких) импульсов, лазеры УКИ (ПКИ), фемтосекундные лазеры оптические квантовые генераторы, способные генерировать импульсы лазерного излучения. В общем случае ультракороткими лазерными импульсами могут… … Википедия

Кристаллофизика — физическая кристаллография, изучает физические свойства кристаллов (См. Кристаллы) и кристаллических агрегатов и изменение этих свойств под влиянием различных воздействий. В отношении многих физических свойств дискретность решётчатого… … Большая советская энциклопедия

Квантовая электроника — Квантовая электроника область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитного излучения на основе явления вынужденного излучения в неравновесных квантовых системах, а также свойств получаемых таким образом усилителей и… … Википедия

ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ — раздел оптич. спектроскопии, методы к рого основаны на использовании лазерного излучения. Применение монохроматич. излучения лазеров позволяет стимулировать квантовые переходы между вполне определёнными уровнями энергии атомов и молекул (в… … Физическая энциклопедия

НЕЛИНЕЙНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ — совокупность методов, в к рых для исследования строения в ва служат нелинейные оптич. явления. В Н. с. используются: генерация гармоник и смешение частот, нелинейное поглощение, многофотонные процессы, самоиндуцированная прозрачность, фотонное… … Физическая энциклопедия

Бондур, Валерий Григорьевич — Валерий Григорьевич Бондур Дата рождения: 28 октября 1947(1947 10 28) (65 лет) Место рождения: Полтава Страна … Википедия

Генератор гармоник оптического излучения

О П И С А Н И Е (») 475700

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 27.09.71 (21) 1704748/26-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 30.06.75. Бюллетень ¹ 24

Дата опубликования описания 23.09.75 (51) М. Кл. H Ols 3/10

Совета Министров СССР по делам изобретений (53) УДК 621 375 8 (088.8) ! н открытий (72) Авторы изобретения В. Д. Волосов, С. Г. Карпенко, В. Л. Стрижевский и В. Д. Таранухин (71) Заявитель

ФГ Г . -» .. (54) ГЕНЕРАТОР ГАРМОНИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании преобразователей частоты оптического излучения средствами нелинейной оптики.

Известные генераторы гармоник оптического излучения обладают следующими недостатками: а) интенсивность излучения гармоники флюктуирует при удвоении нестабильного по частоте от одного акта генерации к другому излучения твердотельного оптического квантового генератора (ОКГ); б) энергетический к. п. д. преобразования излучения падает при увеличении спектральной ширины излучения накачки.

Цель изобретения — стабилизировать и увеличить интегральную по спектру интенсивность гармоники.

Для этого между ОКГ и нелинейным кристаллом установлен дисперсионный элемент с угловой дисперсией Д, связанной с дисперсией направления фазового синхронизма в

d0 d0 кристалле соотношением Д= и, где

АУЛ АУЛ и — показатель преломления кристалла для центральной частоты спектра излучения, и ориентированный таким образом, чтобы главное сечение кристалла совпадало с плоскостью его дисперсии.

На чертеже схематически изображен предлагаемый генератор. Он содержит ОКГ 1, дисперсионный элемент (например, призму)

2, нелинейный кристалл 3.

Для наиболее эффективного преобразования частоты излучения монохроматической плоской волны необходимо, чтобы эта волна распространялась в определенном направлении в нелинейном кристалле, определяемом углом 0 с оптической осью кристалла и называемом направлением фазового сннхронизма, Направление синхронизма изменяется с длиной волны накачки, что ведет к сильным флюктуациям интенсивности излучения гармоники, возбуждаемой излучением ОКГ, флюктуирующим по частоте от одной вспышки генерации до другой. Если во время первой генерации длина волны излучения ОК равна Х, во время второй — Х и во время третьей Хз и выполняется условие Х )Х, )Хз, то преломленные призмой пучки во время .первой, второй и третьей генерации пойдут по некоторым направлениям а, б и в соответственно. Нелинейный кристалл установлен так, чтобы направление а совпало с направлением синхронизма для генерации второй гармоники излучения ОКГ с длиной волны Х» Чтобы интенсивность гармоники была максим альна и не изменялась бы,прп флюктуациях длины волны генерации ОКГ, необходимо, что30 бы направления б и в совпали бы с направлениями синхронизма в кристалле для гене475700

Составитель Т, Москалева

Редактор Н. Коляда

Корректоры: Е. Давыдкина и В. Петрова

Техред Е. Подурушина

Заказ 2225/18 Изд. № 1557 Тираж 833 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, rrp, Сапунова, 2 рации второй гармоники излучения ОКГ с

Л2 и Лз соответственно. Для реализации этих требований должно соблюдаться указанное выше соотношение между дисперсией призмы (дисперсионного элемента) и дисперсией направления фазового синхронизма. В случае, если дисперсия призмы недостаточно велика, можно установить последовательно несколько призм.

Описываемое устройство позволяет также эффективно преобразовывать во вторую гармонику все спектральные компоненты пучка

ОКГ, что увеличивает интегральную по спектру интенсивность гармоники.

Генератор гармоник оптического излучения, содержащий оптический квантовый генератор с квазимонохроматическим нестабильным по частоте спектром излучения и нелинейный кристалл, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью стабилизации и увеличения интегральной по спектру интенсивности гармоники, между оптическим квантовым генератором и нелинейным кристаллом установлен дисперсионный элемент с угловой дисперсией Д, связанной с дисперсией направления фазового

d8 синхронизма в кристалле соотношением ал

Д= —. и, где n — показатель преломления кл кристалла для центральной частоты спектра излучения, и ориентированный таким образом, чтобы главное сечение кристалла совпадало с плоскостью его дисперсии.

Квантовые приборы оптического и СВЧ диапазонов

Квантовая электроника – одна из новейших областей науки и техники, созданная за последние 10 – 15 лет. Ее возникновение подготавливалось развитием квантовой механики и теории излучения, радиофизики и радиоспектроскопии, физики твердого тела и физики низких температур, оптики и светотехники, полупроводниковой и электронной техники.

В квантовой электронике используются новые принципы генерирования и усиления электромагнитных волн, что позволяет получать результаты, недостижимые в классической электронике.

В обычной вакуумной электронике усиление и генерирование электромагнитных колебаний осуществляется при взаимодействии свободных электронов с электромагнитным полем. Развитие этого принципа позволило создать большое количество типов приборов для усиления, генерирования и преобразования излучения различных диапазонов длин волн. Эти приборы составляют основу современной радиоэлектроники.

На пути развития некоторых приборов классической электроники встречаются серьезные трудности, в ряде случаев – принципиальные. Это в первую очередь относится к повышению стабильности частоты источников излучения, определяемой в этих приборах добротностью внешних резонансных контуров; к уменьшению собственных шумов, ограниченному дробовыми эффектами в электронном пучке; к генерации коротких волн, где пределы ставятся технологическими возможностями изготовления миниатюрных замедляющих систем или высокодобротных резонаторов.

В квантовой электронике для усиления и генерирования электромагнитных волн используется принцип индуцированного излучения в атомах и молекулах вещества, сформулированный Эйнштейном в 1917 г. Индуцированное излучение состоит в том, что возбужденные атомы (молекулы) вещества под влиянием внешнего электромагнитного поля излучают энергию с той же частотой, фазой и поляризацией и в том же направлении, что и внешнее излучение.

С этим эффектом непосредственно связана когерентность электромагнитных волн, излучаемых квантовыми приборами, отличающая их от обычных источников оптического излучения. Для создания квантового прибора необходимо тем или иным методом получить вещество с так называемой инверсной населенностью уровней энергии, когда количество атомов или молекул в возбужденном состоянии оказывается больше, чем в основном состоянии. Необходимо также обеспечить взаимодействие возбужденного вещества с внешним электромагнитным полем и создать условия для многократного прохождения через среду и усиления случайно возникших первичных фотонов излучения. Обычно это достигается использованием резонатора.

В настоящее время разработаны методы получения инверсной населенности уровней в твердых телах, жидкостях и газах, в плазме и полупроводниках. Для создания молекулярных генераторов, используемых в качестве стандартов частоты и времени, используются разреженные молекулярные пучки, обладающие узкими линиями атомных переходов. В квантовых парамагнитных усилителях (КПУ), обладающих низкими уровнями шума, применяются диэлектрические парамагнитные кристаллы, находящиеся при температуре жидкого гелия или азота.

Оптические квантовые генераторы были разработаны как на твердых телах (активированные кристаллы и стекла, полупроводники), так и на жидкостях и газах.

Методы квантовой электроники позволили существенно превзойти параметры электронных приборов. На молекулярных генераторах реализована стабильность частоты 10 -11 , на много порядков превышающая стабильность обычных генераторов. В КПУ достигнута шумовая температура ниже 10 К. Приборы квантовой электроники продвинулись в оптический диапазон и охватывают ныне область длин волн от глубокого ультрафиолета (λ ≈ 0,2 мкм) до далекой инфракрасной и субмиллиметровой областей, где они смыкаются с приборами классической электроники.

Когерентные оптические квантовые генераторы (ОКГ) способны генерировать излучение весьма высокой направленности, ограниченной лишь дифракционной расходимостью пучка. Это позволяет передавать энергию на очень большие расстояния. Высокая частота излучения позволяет передавать информацию по громадному количеству каналов. Фокусированное излучение ОКГ отличается высокой концентрацией энергии в малых объемах и может быть использовано для плавления и испарения любых материалов.

ОКГ с модуляцией добротности резонатора позволяют получать значительную энергию в очень малые промежутки времени, т. е. обладают рекордно высокой мощностью излучения. При фокусировании такого излучения внутри вещества удается получать напряженности электрического поля, соизмеримые с внутренними атомными полями. Здесь открывается целая область новых физических явлений – нелинейная оптика. Методы нелинейной оптики позволяют изменять частоту ОКГ, генерировать гармоники и субгармоники и создавать параметрические генераторы с плавной перестройкой частоты.

Разные типы ОКГ обладают существенно различными параметрами. ОКГ на рубине и активированном стекле дают максимальные значения энергии в импульсе (до нескольких тысяч джоулей) и мощности в режиме модуляции добротности (до 10 10 Вт). Однако к. п. д. таких генераторов не превышает 1 – 3%.

Газовые квантовые генераторы обладают наибольшей направленностью, когерентностью и монохроматичностью излучения. На молекулярных газовых лазерах в далеком инфракрасном диапазоне (10,6 мкм) удается получать высокие непрерывные мощности (до 10 4 Вт) при к. п. д. свыше 10%. Однако эти лазеры имеют очень большие габариты и требуют пока непрерывной прокачки рабочей смеси.

Полупроводниковые лазеры потенциально имеют очень высокий к.п.д., обладают малыми размерами и высокой яркостью излучения. Однако по расходимости излучения эти лазеры уступают другим типам ОКГ. Новые интересные возможности можно ожидать от еще сравнительно мало развитых жидкостных лазеров.

Развитие лазерной техники происходит в условиях соревнования между различными типами ОКГ. При этом темпы развития настолько высоки, что срок в один год часто приводит к существенной переоценке возможностей различных типов генераторов.

Области применения приборов квантовой электроники уже начинают складываться. Это вакуумная и полупроводниковая технология и микроэлектроника, дальнометрия, оптическая локация, связь и навигация, сверхточные измерения, голография, медицина, биология и др. Применение квантовых приборов непрерывно расширяется.

Существенный вклад в развитие квантовой электроники сделан советскими учеными. Им принадлежит приоритет в ряде фундаментальных исследований и открытий. Пионерские работы В. А. Фабриканта и его сотрудников по усилению света на основе индуцированного излучения отмечены присуждением диплома на открытие с приоритетом от 18 июня 1951 г. [1].

Работы академиков А. М. Прохорова и Н. Г. Басова и их научных коллективов в области квантовой электроники получили всеобщее признание в СССР и за рубежом. Большая группа советских ученых за работы в области полупроводниковых квантовых генераторов удостоена Ленинской премии.

В развитие квантовой электроники в Советском Союзе наряду с институтами Академии наук и высшими учебными заведениями существенный вклад внесли коллективы отраслевых институтов различных министерств и ведомств, выполнившие ряд оригинальных исследований и разработок и создавшие промышленные образцы приборов квантовой электроники.

В настоящей статье излагается современное состояние и перспективы отдельных направлений квантовой электроники, приводятся данные о разработанных и выпускаемых промышленностью приборах и их применениях в народном хозяйстве страны.

Квантовые стандарты частоты и времени

Молекулярный генератор на пучке молекул аммиака, разработанный в 1955 г. в СССР и США, явился не только первым прибором квантовой электроники, но и первым квантовым стандартом частоты и времени.

В этом приборе подготовка системы молекул к излучению осуществляется отбором молекул, находящихся в верхнем энергетическом состоянии. Такой отбор производится путем пропускания пучка молекул аммиака через неоднородное электрическое поле специальной формы. Пролетая затем через резонатор высокой добротности, молекулы испытывают индуцированные переходы в нижнее энергетическое состояние, отдавая энергию полю резонатора. При выполнении определенных условий в резонаторе устанавливаются непрерывные колебания. Так как частота этих колебаний определяется используемым энергетическим переходом в молекуле аммиака, то она в чрезвычайно малой степени подвержена влиянию внешних дестабилизирующих факторов.

Исследования физических процессов, лежащих в основе работы молекулярных генераторов, и работы по усовершенствованию их конструкции, проводившиеся в ряде научно-исследовательских организаций Советского Союза, завершились созданием генераторов с относительной нестабильностью и погрешностью номинального значения частоты колебаний, не превышающей 10 -11 . В настоящее время молекулярный генератор используется в качестве государственного эталона службы частоты и времени СССР.

На основе молекулярного генератора промышленностью разработаны и выпускаются стандарты частоты широкого применения. В 1966 г. был проведен успешный эксперимент по запуску молекулярного генератора на искусственном спутнике Земли [2]. Этот эксперимент, проведенный в Советском Союзе впервые в мире, открыл перспективы применения молекулярных генераторов в космической связи и навигации. Среди работ по созданию молекулярных стандартов частоты следует отметить создание организациями МЭП автономного молекулярного генератора на аммиаке, работающего без водяного охлаждения с использованием безмасляных высоковакуумных насосов.

Несмотря на уже достигнутые высокие характеристики молекулярных генераторов, требования к дальнейшему увеличению стабильности и точности номинального значения частоты колебаний продолжают увеличиваться. В ряде применений – навигации, допплеровской локации, метрологии, службе времени, в физических исследованиях – требуются относительная стабильность и точность номинального значения частоты колебаний вплоть до 10 -13 и выше. Эти потребности стимулировали развитие и появление целого ряда квантовых приборов, либо непосредственно генерирующих колебания сверхстабильных частот, либо позволяющих стабилизировать частоту колебаний классических генераторов (обычно кварцевых) с высокой точностью.

В 1961 г. был предложен квантовый генератор на пучке атомарного водорода. По принципу действия этот прибор близок к молекулярному генератору и отличается от него тем, что в приборе создаются условия для длительного взаимодействия атома водорода, находящегося в верхнем энергетическом состоянии, с полем резонатора. Увеличение времени взаимодействия приводит к очень узкой линии излучения и, соответственно, к высокой стабильности и точности номинального значения частоты генерируемых колебаний. Развитие этого направления в ФИАН и других организациях привело к созданию генераторов с относительной нестабильностью частоты колебаний, не превышающей 10 -12 .

Другой цикл исследований, начатых в начале 60-х годов, завершился получением квантовых генераторов на парах изотопа рубидия-87 с оптической накачкой. Эти приборы характеризуются высокой стабильностью частоты генерируемых колебаний и наименьшими, по сравнению со всеми другими квантовыми стандартами частоты, размерами и весом. Эти особенности открывают широкие перспективы использования рубидиевых генераторов в космической технике, авиации и т. п.

Наиболее высокую долговременную стабильность при высокой точности номинального значения частоты генерируемых колебаний обеспечивают атомнолучевые цезиевые трубки. Эти приборы представляют собой высокодобротные частотные дискриминаторы. С их помощью осуществляется автоматическая подстройка умноженной частоты колебаний кварцевого генератора по частоте энергетического перехода в атомах цезия. В Советском Союзе на предприятиях МЭП был проведен большой цикл исследовательских работ, в результате чего было разработано несколько типов атомнолучевых цезиевых трубок для стандартов частоты, позволяющих обеспечить стабильность частоты генерируемых колебаний в течение всего времени эксплуатации не хуже 10 -11 . Эти приборы в настоящее время выпускаются промышленностью. Ведутся работы по дальнейшему увеличению долговременной стабильности до 10 -12 и выше. Одна из атомнолучевых трубок представлена на рис. 1.

Рис. 1. Атомнолучевая цезиевая трубка АЛТ-2
Длина 65 см

Здесь описаны далеко не все типы квантовых стандартов частоты. Но и из приведенного краткого обзора видно, что развитие этой области квантовой электроники привело к фундаментальным изменениям в технике стабилизации частоты и позволило совершенно по-новому ставить и решать целый ряд важных научных и технических задач. Советские исследователи внесли в эту область значительный вклад.

Квантовые парамагнитные усилители (мазеры)

Квантовые парамагнитные усилители (КПУ) осуществляют усиление слабых СВЧ сигналов за счет индуцированного излучения системы парамагнитных ионов в диэлектрическом кристалле. Возбуждение активного вещества производится внешним источником электромагнитного поля (например, клистроном).

Заметим, что для успешной работы КПУ необходимы кристаллы с небольшой примесью парамагнитных ионов, когда отсутствует сильное взаимодействие ионов друг с другом, препятствующее созданию инверсной населенности. Кроме того, кристаллическое поле видоизменяет энергетический спектр парамагнитных ионов. В мазере активное вещество помещается во внешнее магнитное поле, регулировкой которого можно изменять энергетический спектр ионов и таким образом – резонансные частоты сигнала и излучения накачки.

Для увеличения взаимодействия электромагнитного поля сигнала с веществом последнее помещается в резонатор или замедляющую систему.

Так как эффективность усиления КПУ растет с понижением температуры, обычно используются температуры жидкого гелия.

Первые квантовые усилители были созданы в 1957 – 1958 гг. Главным преимуществом их явилась чрезвычайно низкая температура шумов, которая более чем на порядок была ниже температуры шумов электронных приборов – ламп бегущей волны и квадрупольных усилителей.

Практическое использование квантовых парамагнитных приборов определяется в значительной степени такими техническими характеристиками, как ширина полосы, усиление и шумовая температура. Области применения КПУ – радиоастрономия, радиолокация космических объектов, связь и телевидение через искусственные спутники Земли и др. [3]. Совершенствование КПУ идет по пути усовершенствования его элементов. Так, например, замена СВЧ резонатора на замедляющую систему, в которой реализуется бегущая волна, позволила существенно расширить полосу усиления, увеличить стабильность усиления и уменьшить уровень шумов. Замена громоздкого постоянного магнита весом 100 кг и более на сверхпроводящий магнит весом всего 2 – 3 кг позволила получить легкий, с приемлемыми для практики весом и размерами усилитель. Переход на новое активное вещество – монокристалл рутила с примесью ионов хрома и железа – дает возможность создать усилитель с малым временем восстановления чувствительности после воздействия на него сильного сигнала.

В СССР такие работы начались в 1957 – 1958 гг. в институтах АН и в некоторых отраслевых институтах. Проведение исследований на предприятиях МЭП привело к созданию ряда приборов.

Впервые в СССР был разработан мазер бегущей волны дециметрового диапазона на новом активном материале – рутиле с примесью хрома и со сверхпроводящим магнитом [4]. Такой усилитель обладает предельно низкими шумами (сам усилитель имеет шумовую температуру порядка 10 К) и малым временем восстановления чувствительности после воздействия на него зондирующего импульса передатчика или помех, что выгодно отличает его от КПУ на рубине. Сложность создания такого усилителя заключается не только в получении монокристалла рутила с хорошими характеристиками, но и в создании эффективной замедляющей системы с учетом чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемости рутила и большого тангенса угла потерь.

В 1966 г. разработан мазер бегущей волны сантиметрового диапазона на рубине (рис. 2). Рабочие характеристики этого мазера значительно лучше, чем у аналогичных более ранних отечественных и у некоторых зарубежных мазеров. Так, полоса усиления его составляет 35 МГц при усилении не менее 20 дБ. Усилитель имеет сверхпроводя-щий магнит и сверхпроводящую дополнительную катушку для регулировки полосы усиления в пределах 20 – 50 МГц при усилении соответственно 30 – 16 дБ. Использование такого усилителя в глобальной системе связи и телевидения повысит качество, и надежность приема.

Рис. 2. Квантовый парамагнитный усилитель бегущей волны сантиметрового диапазона в гелиевом криостате

Описанные выше усилители работают при температуре жидкого гелия, для чего используются гелиевые криостаты. Следующим этапом, обеспечивающим более широкое внедрение квантовых парамагнитных усилителей, является переход на гелиевые микроохладители с замкнутым циклом, что значительно упростит эксплуатацию приборов.

Дальнейший прогресс в этой области квантовой электроники происходит в следующих направлениях: освоение новых диапазонов: поиски новых парамагнитных веществ; совершенствование системы охлаждения; улучшение эксплуатационных характеристик.

Оптические квантовые генераторы на активированных диэлектрических кристаллах и стеклах (твердотельные ОКГ)

Первым оптическим квантовым генератором был генератор на твердом теле, а именно – на кристалле рубина. Возбуждение в таких ОКГ создается мощными лампами накачки.

Активный элемент помещается в оптический резонатор из двух плоско-параллельных зеркал и в осветитель с лампами накачки. Излучение ламп накачки в широком спектре поглощается активными ионами и преобразуется в мощное когерентное монохроматическое излучение. В кристалле рубина активными ионами являются ионы хрома, содержащиеся в качестве небольшой примеси (около 0,05%). При определенных условиях (в режиме модуляции добротности) активные ионы могут накапливать энергию накачки примерно за 10 -3 сек и испускать ее в виде очень короткого и мощного лазерного импульса.

Основным достоинством твердотельных квантовых генераторов является возможность получения с их помощью больших значений энергии и мощности в импульсе, которые необходимы для воздействия излучения на вещество и создания систем оптической локации и связи. Однако к.п.д. преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения для генераторов этого типа остается сравнительно низким. Поэтому наряду с повышением энергии и мощности в импульсе и увеличением частоты повторения импульсов большое внимание в процессе исследований и разработок уделяется увеличению к. п.д. генераторов, повышению надежности и срока их службы. Эти задачи решаются путем повышения качества активных элементов (в первую очередь, рубина и стекла с неодимом), улучшения конструкции осветителей и систем охлаждения путем улучшения спектральных и энергетических характеристик источников накачки. Были начаты работы по практическому применению ОКГ для обработки различных материалов. Одной из таких работ было создание в конце 1963 г. макета лазерной технологической установки и проведение с ее помощью технологических поисков, а через год была выпущена первая партия технологических установок и передана в различные учреждения и на предприятия для изучения возможных областей использования лазерной обработки материалов [5].

В настоящее время создана серия лазерных технологических установок с различными параметрами светового излучения (см. таблицу).

Одна из них (К-ЗМ, рис.3) позволяет произ-водить обработку мате-риалов импульсами излучения с максималь-ной энергией до 3 Дж, с изменением длитель-ности импульса от 0,6 до 5 мсек и частотой повторения 3 имп/мин. Установка снабжена системой стабилизации энергии излучения.

Рис. 3. Лазерная технологическая установка К-3М

Параметры технологических установок

Замкнутое с дистиллированной водой, теплообмен к водопроводу
Замкнутое с дистиллированной водой, теплообмен к водопроводу Замкнутое с дистиллированной водой и холодильным агрегатом Замкнутое с дистиллированной водой и холодильным агрегатом

Применение совершенной оптической системы дает возможность получать в металлических пленках отверстия диаметром до 3 мкм. В настоящее время налажен серийный выпуск этих установок. Они применяются для изготовления фильер при производстве синтетических волокон, корректировки пленочных сопротивлений, приварки тонких выводов в полупроводниковых и электровакуумных приборах, изготовления жиклеров и т. п.

Образцы технологических установок К-3М и «Луч-1» демонстрировались на международных выставках и получили высокую оценку зарубежных специалистов.

В настоящее время ведутся работы по использованию твердотельных ОКГ в масс-спектрометрии, для сверхбыстрой передачи информации, для систем оптической локации и в медицине.

Достигнутые в настоящее время предельные значения уровней энергии и мощности ограничены стойкостью активных веществ. Поэтому исследования механизма разрушения активных элементов и изыскание путей повышения их стойкости являются кардинальными проблемами в области твердотельных ОКГ.

Для создания твердотельных ОКГ непрерывного действия важное значение имеют работы, направленные на снижение порогов возбуждения. В связи с этим большой интерес представляет разработка таких материалов, как кристаллы вольфрамата кальция с примесью неодима, кристаллы фтористого кальция с диспрозием, алюмо-иттриевого граната с неодимом и граната с тройными легирующими примесями, в которых за счет внутренней передачи энергии между активными ионами существенно расширяются полосы поглощения энергии накачки и увеличивается эффективность преобразования энергии накачки в когерентное излучение.

Полупроводниковые квантовые генераторы (ПКГ)

Другим типом ОКГ на твердом теле являются полупроводниковые квантовые генераторы, в которых в качестве активного вещества используются кристаллы полупроводников. В отличие от твердотельных ОКГ, где рабочие переходы происходят между отдельными энергетическими уровнями изолированных активных ионов, внедренных в кристаллическую матрицу, в ПКГ состояние инверсии для электронов осуществляется между зоной проводимости и валентной зоной, т. е. между состояниями с квазинепрерывным спектром энергетических уровней.

Отличительными особенностями ПКГ являются очень большой коэффициент усиления в активной зоне, а также наличие самопоглощения излучения вследствие поглощения на свободных носителях.

К настоящему времени ПКГ удалось осуществить на полупроводниках с так называемой «прямой» структурой зон, у которых велика вероятность излучательной межзонной рекомбинации носителей. На полупроводниках с непрямыми межзонными переходами (таких как кремний и германий) создать ПКГ пока не удалось.

Существует три типа ПКГ – инжекционные на р–n-переходе; с возбуждением электронным лучом и с фотовозбуждением.

Инжекционные ПКГ на р–n-переходе

Инжекционные ПКГ являются приборами, непосредственно преобразующими энергию электрического тока в энергию когерентного светового излучения.

Инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый диод; которому придается специальная геометрическая форма оптического резонатора. Отражающие плоскости образуются на границе полупроводника и среды, в которой работает диод (воздух, вакуум, жидкий азот и т. д.), за счет различия в коэффициентах преломления полупроводника и среды. Иногда на одну грань полупроводникового кристалла наносят отражающее покрытие.

При протекании тока через диод в р-области, прилегающей к р–n-переходу, накапливаются неравновесные электроны, которые рекомбинируют на свободные акцепторные уровни или свободные состояния в валентной зоне (дырки) с излучением световых квантов, энергия которых близка к энергии ширины запрещенной зоны полупроводника. При превышении определенной плотности тока, называемой пороговой, усиление света, обусловленное инверсией в распределении носителей и стимулированными переходами, превосходит потери, и возникает генерация света. Размер активной области генерации в направлении, перпендикулярном плоскости р–п-перехода, обычно составляет 1 – 2 мкм, что сравнимо с длиной волны генерации.

Инжекционный ПКГ на р–n-переходе включает в себя лазерный диод, систему токовой накачки и систему охлаждения, если последняя необходима.

Инжекционные ПКГ обладают целым рядом значительных достоинств, к которым относятся: прямое преобразование электрической энергии в энергию когерентного светового излучения; высокий к.п.д. преобразования; малые габариты (обычные размеры лазерного диода 0,3×0,4×0,1 мм 3 ); легкость модуляции излучения входным током; возможность работы при достаточно больших частотах повторения импульсов и в непрерывном режиме.

Недостатками инжекционных ПКГ являются относительно большая расходимость излучения, малые импульсные энергии, которые может отдать ПКГ, что обусловлено его малыми размерами.

В настоящее время созданы инжекционные лазеры на целом классе полупроводниковых соединений типа АIIIВV и АIIВVI (например, арсенид галлия, теллурид свинца и т. п.). Диапазон длин волн, охватываемый в настоящее время инжекционными ОКГ, простирается от 0,7 до 11 мкм, т. е. от видимой области до далекой инфракрасной.

Наибольшему исследованию подверглись инжекционные лазеры на арсениде галлия, для которых получены наилучшие результаты.

В СССР разработкой полупроводниковых инжекционных лазеров занимаются институты АН СССР и ряд отраслевых институтов.

На предприятиях МЭП созданы и выпускаются промышленностью полупроводниковые лазерные диоды на арсениде галлия, работающие в импульсном режиме при температуре жидкого азота (с импульсной мощностью до 5 Вт и более). Разработаны инжекционные лазеры с повышенной средней мощнос-тью (до 1 Вт), работающие при частотах повторе-ния до 10 5 Гц. На предприятиях МЭП впервые был осу-ществлен непре-рывный режим работы при темпе-ратуре жидкого азота (диод из арсенида галлия с диффузионным р–n-переходом). Мощность генера-ции составляет примерно 1 Вт. Разработаны также диоды, эффективно работающие при комнатной температуре. На их основе разработан портативный ПКГ на длине волны 0,9 мкм, не требующий охлаждения (рис. 4), со следующими параметрами:

  • мощность излучения в импульсе: 5 – 12 Вт
  • ток в импульсе: 100 – 120 А
  • длительность импульса: 150 нсек
  • частота следования импульсов: 1 кГц

Рис. 4. Малогабаритный полупроводниковый лазер, работающий при комнатной температуре

Параметры этого прибора находятся на уровне лучших зарубежных образцов ПКГ.

Потенциальные области применения инжекционных ПКГ:

  • дальномеры и высотомеры для автоматической посадки самолетов;
  • устройства для стыковки космических объектов;
  • различные виды оптических линий связи.

ПКГ с электронным возбуждением

Этот тип ПКГ отличается от инжекционного тем, что возбуждение неравновесных носителей в монокристалле полупроводника производится с помощью пучка быстрых электронов.

Достоинства этих приборов по сравнению с инжекционным ПКГ – больший объем работающего активного вещества, что позволяет получать большие импульсные мощности и меньшую расходимость светового луча; менее жесткие требования к выбору исходного вещества, что объясняется использованием однородного полупроводника, а не диодной структуры.

Генерация при электронном возбуждении получена на целом ряде веществ, например сульфиде кадмия, селениде кадмия и др., в интервале длин волн от 0,43 мкм до инфракрасной области.

Импульсные мощности достигают 10 2 – 10 3 Вт.

Основные работы в этом направлении в СССР выполнены в ФИАН [6].

ПКГ с фотовозбуждением

Эффективная накачка полупроводника светом возможна тогда, когда энергия световых фотонов близка к ширине запрещенной зоны.

В ФИАН были проведены исследовательские работы по накачке арсенида галлия мощным излучением рубинового лазера.

Практический интерес такие ПКГ могут, по-видимому, найти как преобразователи частот светового излучения.

Дальнейшие разработки полупроводниковых квантовых приборов ведутся с целью улучшения параметров ПКГ, повышения их срока службы, стабильности и надежности, создания эффективных источников тока и систем охлаждения.

Достигнутые параметры ПКГ еще, по-видимому, далеки от предельных. Резервы таятся в совершенствовании исходных материалов (снижении концентрации посторонних примесей, повышении качества кристаллической структуры и оптической однородности монокристаллов), создании специальной структуры р-п-перехода, обладающей малыми внутренними потерями, и дальнейшей отработке конструкции приборов.

В ближайшем будущем полупроводниковые квантовые генераторы смогут занять достойное место среди других приборов квантовой электроники.

Особого внимания заслуживает применение ПКГ в счетно-решающих устройствах.

Высокая частота когерентного излучения оптических квантовых генераторов различных типов принципиально позволяет производить операции передачи и обработки информации с большими скоростями переходных процессов, чем с помощью других методов.

Каждый электрик должен знать:  Справочник электромеханика

Переход к световым частотам в качестве несущих во внутренних связях вычислительных машин позволит повысить тактовую частоту последних по крайней мере до 10 10 Гц. Работы по созданию квантовых оптических элементов для вычислительной техники начались в 1961 г., когда была предложена первая в мире квантовомеханическая модель так называемого нейристора (устройства, моделирующего основные характеристики нервного волокна – аксона) [7].

Исследования работы нейтристора показали, что на основе таких устройств могут быть созданы схемы, способные выполнять комплекс операций дискретной логики, причем функциональная близость нейристора к живому аксону создает предпосылки для синтеза логических структур, более приближенных к логике биологических объектов, чем современные дискретные вычислительные устройства.

В результате успешного завершения работ в 1963 г. был впервые создан пороговый логический элемент на базе ОКГ на рубине и стекле с примесью неодима [8].

Особенно широкие возможности для применения квантовых оптических устройств в вычислительной технике открылись в связи с созданием полупроводниковых лазеров, обладающих значительно меньшей инерционностью и более высоким к.п.д. по сравнению с лазерами с твердотельными активными элементами. В 1962 г. была предложена модель нейристора на основе инжекционного полупроводникового лазера, а в 1966 г. был открыт так называемый «пичковый» режим генерации полупроводникового лазера, позволяющий получать одиночные импульсы излучения с длительностью около 10 -10 сек [9], что дает возможность обеспечить создание макета узла квантово-оптической вычислительной машины с тактовой частотой около 10 10 Гц.

Газовые ОКГ

В отличие от твердотельных ОКГ, основу которых составляют диэлектрические или полупроводниковые материалы, в газовых ОКГ используются вещества в газообразной и парообразной фазе. Для изоляции рабочего вещества от внешней среды применяются газоразрядные трубки, в основном изготавливаемые из стекла или кварца.

Рабочее вещество газовых ОКГ, представляющее собой свободные атомы или молекулы, при подаче энергии и создании определенного комплекса условий (давление, состав, температура и т. д.) может переходить в состояние с инверсной заселенностью уровней. В этом случае газовая среда обладает свойствами усиления света с длиной волны, соответствующей переходу между уровнями энергии с инверсной населенностью. Если такая среда помещена в оптический резонатор, образованный двумя плоскими или сферическими зеркалами, то при условии превышения величины усиления света над суммой потерь при прохождении луча между зеркалами возникает генерация. При этом часть подводимой энергии преобразуется в энергию когерентного излучения, выходящего в виде, узконаправленного яркого луча со стороны полупрозрачного зеркала.

Таким образом, основными элементами конструкции газового ОКГ являются трубка с газовой средой, возбуждаемой до состояния с инверсной населенностью, и оптический резонатор.

Наибольшее распространение получили газоразрядные ОКГ, в которых, возбуждение осуществляется при прохождении электрического тока через газ. Из газовых ОКГ с оптической накачкой наиболее эффективными являются ОКГ на фотодиссоциации молекул. Здесь инверсная заселенность в атомах или радикалах возникает при распаде исходных молекул под действием подводимой извне световой энергии. В химических лазерах, пока еще мало разработанных, инверсная заселенность образуется в продуктах реакции за счет химических превращений.

Газовые ОКГ обладают рядом преимуществ по сравнению с ОКГ других типов. Их основными отличительными особенностями являются высокая монохроматичность и направленность излучения, а также возможность получения генерации в больших объемах вещества при весьма совершенной оптической однородности активной среды, что недостижимо для ОКГ с рабочими веществами в конденсированной фазе.

Газоразрядные ОКГ можно условно разделить на три основных типа: ОКГ на нейтральных атомах инертных газов, ионные и молекулярные. Лазеры первого типа характеризуются небольшой величиной выходной мощности (порядка нескольких десятков милливатт) и дают генерацию главным образом в видимой и в ближней инфракрасной области; Типичным представителем лазеров этого типа является ОКГ на смеси гелия и неона, обеспечивающий генерацию в непрерывном режиме на трех основных длинах волн: 0,63; 1,15 и 3,39 мкм. Эти лазеры характеризуются как наименьшей шириной линии излучения, так и наименьшей расходимостью луча, приближающейся к дифракционному пределу.

Ионные ОКГ характеризуются значительно большей величиной выходной мощности, достигающей в непрерывном режиме десятков ватт. Основной диапазон работы, лазеров данного типа – видимая область спектра и ультрафиолет. В импульсном режиме ионные ОКГ обеспечивают также получение значительно больших величин выходной мощности по сравнению с лазерами первого типа.

На молекулярных ОКГ в настоящее время получены рекордные величины выходной мощности, достигающие нескольких киловатт в непрерывном и мегаватт в импульсном режимах, а рабочий диапазон простирается от ультрафиолета до инфракрасной области.

Наиболее перспективными из молекулярных лазеров являются ОКГ на СО2, генерирующие в области длин волн 10 мкм. Для них характерны высокие значения к.п.д., достигающие 10 – 20% при выходной мощности в непрерывном режиме порядка сотен ватт и киловатт, что пока недостижимо для других типов лазеров. Указанные особенности газовых ОКГ лежат в основе их широкого применения в научных исследованиях и народном хозяйстве.

В СССР работы по газовым ОКГ были начаты в 1962 г. После создания в ФИАН первого ОКГ на смеси Не–Nе исследования в этой области стали проводить и отраслевые научно-исследовательские институты.

В 1962 – 1963 гг. в СССР независимо от зарубежных работ [10, 11] развернулись исследования газового разряда в инертных газах с целью изыскания способов получения инверсной заселенности и детального изучения механизма возбуждения атомов. Эти исследования позволили по мере накопления данных сознательно подходить к достижению необходимых параметров излучения разрабатываемых ОКГ. Они дали также возможность постановки работ по повышению выходной мощности, коэффициента полезного действия и получению генерации на новых длинах волн. Впоследствии, помимо инертных газов, стали исследоваться пары металлов [12, 13] и молекулярные газы [14, 15]. В это, же время проводились изыскания наилучших конструкций газоразрядных трубок и оптических резонаторов, простых и надежных в эксплуатации, способных работать в различных климатических условиях.

В области технологии проводилось сравнительное обследование различных материалов для газоразрядных трубок и окон, изучалось взаимодействие наполняющего газа со стенками трубки и электродами, находились оптимальные условия изготовления активных элементов ОКГ. Были разработаны методы и комплекс аппаратуры для исследования процессов в газоразрядных трубках, измерения коэффициента усиления, выходной мощности, спектра, излучения, угла расходимости и других параметров газовых ОКГ. Созданы также специальная вакуумно-технологическая аппаратура и приборы контроля производства газовых ОКГ. Большая работа проведена по созданию прочных высокоотражающих диэлектрических покрытий для зеркал, разработаны различные типы юстировочных механизмов и конструкций оптических резонаторов. В процессе разработок созданы и испытаны разнообразные конструкции ОКГ, в том числе устойчивые по отношению к климатическим и механическим воздействиям.

Вслед за макетом гелий-неонового ОКГ на длине волны 1,15 мкм был освоен газовый лазер с излучением на длине волны 0,63 мкм, после чего основные усилия были направлены на создание серии промышленных приборов видимого диапазона спектра.

Рис. 5. Газовый лазер ОКГ-11

За прошедшее пятилетие разработаны и переданы в серийное производство более десяти типов гелий-неоновых ОКГ на видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. Многие из этих приборов применяются в научных исследованиях и народном хозяйстве.

Рис. 6. Газовый лазер ЛГ-24М

Первые приборы универсального назначения ОКГ-11 (рис. 5), ЛГ-24М (рис. 6) и ЛГ-34М были разработаны и приняты к серийному производству еще в 1963 г. Лазер ОКГ-11, работающий на длине волны 0,63 мкм, получил широкое применение в разнообразных научных исследованиях и отдельных областях народного хозяйства. На его базе создан лазерный визир ЛВ-1 для управления движением горнопроходческого щита под землей. Прибор ЛГ-24М был использован при осуществлении первой в СССР экспериментальной оптической системы передачи телевизионных сигналов. Лазер ЛГ-34М явился прототипом прибора ЛГ-35 (рис. 7), имеющего чрезвычайно малую величину расходимости луча (около 1 угловой минуты) и предназначенного для для использования в оптических линиях связи.

Рис. 7. Газовый лазер ЛГ-35

Среди других разработок следует отметить ЛГ-116 первый в мире гелий-неоновых лазер с поперечным разрядом (диодный лазер), отличающийся малым рабочим напряжением и высоким к. п. д.; малогабаритные лазеры ЛГ-55 (рис. 8), ОКГ-13, ОКГ-14 (рис. 9), используемые в светодальномерах и устройствах для заданий опорного направления при геодезических и строительных работах. В частности, ОКГ-14 используется в лазерном зенит-центрире ЛЗЦ-1 для задания вертикального направления при строительстве высотных сооружений и проходке вертикальных стволов шахт. ЛЗЦ-1 успешно использовался на строительстве высотной башни телецентра в Москве.

Рис. 8. Газовый лазер ЛГ-55

Помимо лазеров непрерывного действия, был создан ряд импульсных ОКГ, в частности ЛГИ-15, работающий на длине волны 1,15 мкм и имеющий мощность в импульсе более 100 Вт. Среди других импульсных приборов следует назвать малогабаритный ОКГ на парах ртути с длиной волны 0,616 мкм и выходной мощностью 1 – 2 Вт при частоте повторения импульсов до 10 кГц. При одинаковых габаритах средняя выходная мощность этого прибора превосходит выходную мощность ОКГ видимого диапазона. Импульсный ОКГ на неоне обеспечивает получение импульсов генерации в зеленой области спектра длительностью 5 – 10 нсек, а импульсный ОКГ на ионизованном аргоне типа ЛГИ-26 позволяет получать излучение в сине-зеленой области спектра с мощностью 500 Вт при длительности порядка 1 мксек. ОКГ на молекулярном азоте, излучающий в ближнем ультрафиолете (0,337 мкм), имеет выходную импульсную мощность до 10 кВт при частоте следования 1 кГц и используется для проведения исследований в химии и биологии.

Рис. 9(а). Малогабаритный газовый лазер ОКГ-13 Рис. 9(б). Малогабаритный газовый лазер ОКГ-14

Помимо вопросов, связанных с освоением новых диапазонов спектра, повышением выходной мощности и улучшением эксплуатационных характеристик приборов, значительное внимание уделяется также исследованиям в области одночастотных ОКГ с очень узкой линией генерации, высокой стабильностью частоты и управляемой перестройкой частоты. Созданные первые макетные образцы высокостабильных одночастотных ОКГ открывают широкие возможности развития прецизионных устройств для измерения расстояний в точном машиностроении, измерения скоростей и ускорений, для применения в голографических устройствах и т. д.

Особо следует отметить применение газовых ОКГ в геодезии и навигации. Здесь возник новый класс приборов – квантовые оптические гироскопы, основой которых является ОКГ с кольцевым резонатором. Принцип действия квантового гироскопа основан на различии фазовых скоростей света, распространяющегося в двух различных направлениях по замкнутому контуру при его вращении вокруг оси, перпендикулярной плоскости резонатора.

Возникающая разность фаз световых лучей пропорциональна угловой скорости вращения контура.

Важным преимуществом квантовых гироскопов по сравнению с обычными устройствами, предназначенными для этих же целей, является более высокая чувствительность, быстродействие и устойчивость к механическим нагрузкам.

Научно-исследовательская и промышленная база для разработок и производства газовых ОКГ, созданная за истекшее пятилетие, позволит в дальнейшем еще более расширить фронт работ в этом направлении и обеспечить важнейшие отрасли народного хозяйства высокоэффективными и надежными приборами.

Нелинейная оптика и преобразование частоты излучения

На базе успехов в области твердотельных ОКГ быстро развилась новая отрасль оптики – нелинейная оптика. Методы нелинейной оптики позволяют производить эффективное преобразование излучения имеющихся ОКГ в другие диапазоны длин волн. Умножение и деление частот, генерация мощного, перестраиваемого по длине волны излучения, сложение и вычитание частот, оптическое детектирование, генерация дискретных спектров при вынужденном комбинационном рассеянии, генерация мощных гиперзвуковых волн, измерение мощности, самофокусировка лучей ОКГ – все эти проблемы нелинейной оптики привлекают пристальное внимание все большего числа исследователей во всех странах мира. Объясняется это огромным практическим значением указанных проблем для создания генераторов мощного когерентного излучения в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах.

Рассмотрим вкратце физические принципы преобразования частоты излучения, на которых основаны приборы нелинейной оптики. При распространении в оптической среде лучей света от обычных источников (солнца, ламп накаливания и т. п.) свойства среды (например, показатель преломления) остаются неизменными, т. е. не зависят от напряженности поля световой волны. Это связано с тем, что напряженности полей световых волн указанных источников малы по сравнению с напряженностью внутренних межатомных полей среды (10 7 – 10 9 В/см). Поэтому до открытия ОКГ в оптике наблюдались лишь отдельные нелинейные явления (нелинейное поглощение, комбинационное рассеяние).

Создание оптических квантовых генераторов позволило получить напряженности световых полей до 10 8 В/см, при которых свет оказывает влияние на свойства среды. Показатель преломления среды начинает зависеть от напряженности поля – среда становится нелинейной. Такие среды вносят нелинейные искажения в спектр частот распространяющегося луча света; спектр обогащается высшими гармониками и субгармониками, разностными и суммарными частотами; при определенных условиях энергия входной волны света может в значительной степени преобразоваться в энергию света на комбинационных частотах. Рассмотрим основные нелинейные явления в оптике.

Генерация суммарных частот. При прохождении сквозь нелинейную среду двух лучей света от источников с разными частотами ω1 и ω2 в среде возникает излучение суммарной частоты ω1 + ω2. Частным случаем такого сложения частот является удвоение частоты от одного источника. Весь видимый диапазон занимает чуть меньше октавы, поэтому удвоение частот видимого диапазона приводит к преобразованию излучения в ультрафиолетовое.

Генерация разностных частот. Одновременно с появлением излучения на суммарной частоте ω1 + ω2, возникает генерация на разностной частоте ω1 + ω2. Частным случаем такого вычитания является деление частоты источника накачки. Замечательное свойство этого явления – возможность распада кванта накачки частоты ω на два кванта частот ω1 и ω2 , причем ω1 + ω2 = ω, а ω1 и ω2 могут в пределах указанной суммы перестраиваться. На этом принципе основано создание перестраиваемых параметрических генераторов света. Перестройка может осуществляться как резонаторами, настроенными на соответствующие частоты, так и путем подачи соответствующего электрического смещения на нелинейную среду.

Вынужденное комбинационное рассеяние. При комбинационном рассеянии одной из частот взаимодействующих волн является частота ω колебаний молекул, из которых состоит вещество, а другой – частота ω1 излучения ОКГ. В результате в нелинейной среде возникает излучение целого спектра частот n*ω + m*ω1, где n, m – целые числа. Коэффициент преобразования излучения ОКГ в излучение комбинационных частот может достигать значительной величины (до нескольких десятков процентов).

Оптическое детектирование. Один из частных случаев генерации разностной частоты – самовычитание частоты ОКГ, т.е. генерация «постоянной составляющей света» в нелинейной среде. При прохождении луча света через нелинейную среду в последней возникает постоянная поляризация, величина которой пропорциональна мощности луча. На основе такого явления могут быть разработаны измерители мощности ОКГ с повышенной точностью измерений.

Самофокусировка света. Явление самофокусировки света сопутствует большинству явлений нелинейной оптики и заключается в следующем. При распространении в среде мощного излучения ОКГ коэффициент преломления среды внутри луча оказывается больше, чем вне луча. Вследствие этого луч создает линзу для самофокусировки и сжимается до нитей порядка нескольких микрон.

Явления нелинейной оптики возникают при распространении света в различных средах – кристаллах, жидкостях, газах, в прозрачных и поглощающих средах.

В умножителях частоты и параметрических перестраиваемых генераторах в качестве рабочего вещества используются прозрачные кристаллические среды. Классическим нелинейным кристаллом является дигидрофосфат калия (КДП). На нем впервые было осуществлено синхронное умножение частоты ОКГ. Кристаллы этого типа позволяют уравнять фазовые скорости распространения волн основной частоты (ОКГ) и гармоники, в связи с чем выходная мощность гармоники резко возрастает.

В последнее время стали известны новые нелинейные среды, в частности ниобат лития, характеризующийся весьма большим коэффициентом нелинейности, теллур, пригодный для работы в диапазоне до 20 мкм, и др. [16]. Рабочей средой для комбинационных генераторов являются жидкости и газы. Сильно сжатые (до нескольких сотен и тысяч атмосфер) газы обладают весьма высоким коэффициентом нелинейных искажений, благодаря чему коэффициент преобразования основного излучения в комбинационный спектр составляет в таких генераторах 30% [17].

Работы в области нелинейной оптики начались в 1963 г. В результате многих исследований разработан ряд лабораторных приборов. В феврале 1964 г. впервые в СССР создан макет ОКГ с модуляцией добротности на стекле с примесью неодима и нелинейным элементом на кристалле КДП для удвоения частоты, дающий излучение в зеленой области спектра (λ = 0,53 мкм) [18].

В дальнейшем уровень мощности таких приборов был поднят до десятков и сотен мегаватт при коэффициенте преобразования до 30%. Было получено также излучение 4 й гармоники лазера на стекле с неодимом (λ = 0,265 мкм), представляющее интерес для исследований в области биологии [19].

В 1965 – 1966 гг. был разработан ОКГ на волну λ = 0,42 мкм (сине-фиолетовое излучение) на базе сложения частот рубинового и неодимового ОКГ в нелинейном кристалле КДП [20].

В 1966 г. был разработан также генератор на пяти линиях комбинационного рассеяния в сжатом водороде (длины волн от 0,35 до 1,1 мкм) на основе рубинового ОКГ [21]. Было осуществлено нелинейное вычитание частот рубинового и неодимового ОКГ на кристалле метаниобата лития. Проводятся работы по использованию явления оптического детектирования для разработки измерителя импульсной мощности ОКГ [22]. Разрабатываются параметрические перестраиваемые преобразователи [23]. Приборы с использованием явлений нелинейной оптики должны найти широкое применение в самых различных областях науки и техники (генераторах стандартных оптических сигналов, локаторах, системах связи, источниках излучения, перестраиваемого по длине волны и т. д.) [24].

Среди проблем, стоящих перед нелинейной оптикой, в первую очередь следует отметить задачу реализации двухфотонного оптического перестраиваемого генератора, проблему повышения к.п.д. параметрических генераторов, исследование явлений самофокусировки, оптического детектирования и вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (генерация гиперзвуковых волн) [24].

Устройства для приема и модуляции лазерного излучения

Одной из перспективных областей применения оптической квантовой электроники являются системы связи.

При высокой направленности излучения передающих устройств (расходимость лазерного луча – доли угловых минут) и относительно большой входной аппаратуре приемных элементов возможна передача широкополосной информации в условиях земной атмосферы на расстояния до нескольких десятков километров при мощности лазера 10 – 100 мВт. В космосе при повышении мощности передатчика до сотен ватт возможна связь на миллионы километров.

Оптическая связь обладает целым рядом преимуществ по сравнению с существующими системами связи на сверхвысоких частотах. Однако реализация этих возможностей сопряжена с необходимостью решения серьезных научно-технических задач по разработке модуляторов излучения и специальных приемных устройств.

Приемники светового излучения

Выбор схемы и основных элементов приемника модулированного светового излучения зависит от способа модуляции, использованного в линии связи, метода приема, ширины канала связи, длины волны излучения передающего лазера и особенностей трассы связи.

Во всех приемниках лазерного излучения применяются фотоэлектрические приборы, в которых происходит преобразование энергии модулированного светового излучения в радиосигнал. В приборах с внешним фотоэффектом сигнал проявляется как поток фотоэлектронов, покидающих фотокатод. В приборах с внутренним фотоэффектом свет приводит к изменению сопротивления полупроводника или к появлению фото э.д.с.

Наиболее распространенными приемниками с внешним фотоэффектом являются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), получившие широкое применение в различных областях науки и техники.

Усилиями ряда научно-исследовательских и заводских коллективов за несколько десятилетий разработано большое число типов ФЗУ для различных участков светового диапазона и специальных условий работы. Среди них следует отметить приборы типа — ФЗУ-30, ФЭУ-36, ФЭУ-53, находящиеся на уровне лучших мировых разработок, а по отдельным параметрам превосходящие их. Однако специфика применения ФЭУ в технике лазерной связи ставит новые серьезные задачи перед разработчиками. Главную трудность представляло создание высокоэффективного сверхширокополосного приемника. Таким приемником явилась лампа с бегущей волной с фотокатодом – фото-ЛБВ, сочетающая в себе фотоэлектронную пушку и широкополосную замедляющую систему, применяемую в обычных ЛВВ [25]. Разработка такой лампы оказалась сложной задачей и потребовала усилий нескольких организаций.

В 1962 – 1964 гг. впервые в Советском Союзе были разработаны фото-ЛБВ на диапазон 3 ГГц с полупрозрачными мультищелочным. и кислородно-цезиевым фотокатодами чувствительностью 10 -10 Вт/Гц 1/2 [26, 27].

Серьезным шагом вперед явилась разработка СВЧ фотоприемника типа ФЗУ-ЛБВ. В таких лампах между фотокатодом и спиральной замедляющей линией располагается секция вторично-электронного умножителя, обеспечивающая усиление фототока в 100 – 1000 раз [27].

В связи с большими успехами в разработке мощных газовых лазеров на диапазон 10,6 мкм возникла актуальная задача создания фотоприемников на этот диапазон. Известные до настоящего времени полупроводниковые фотоприемники для работы в среднем ИК-диапазоне требуют охлаждения до гелиевых температур, что является серьезным препятствием для широкого использования их в технике.

В настоящее время ведутся поисковые работы по созданию полупроводниковых приемников, не требующих глубокого охлаждения.

Большой интерес представляют также пироэлектрические приемники, способные при узких полосах (до нескольких мегагерц) работать при комнатной температуре.

За последние годы были успешно проведены исследования принципов оптического гетеродинирования и выявлены основные требования к аппаратуре, необходимой для его осуществления.

Если учесть, что современная лазерная техника развилась до настоящего уровня всего лишь за несколько лет, можно рассчитывать на появление уже в ближайшие годы экспериментальных систем связи различного назначения.

Модуляторы света

Подобно радиоволнам, свет может быть промодулирован по амплитуде, фазе, частоте, поляризации и направлению излучения. Механические затворы и вращающиеся зеркала слишком инерционны и не могут обеспечивать высокочастотной модуляции. Значительно более широкие возможности для модуляции открываются при взаимодействии света с веществом при воздействии на последнее электрических, магнитных и акустических полей, изменяющихся с частотой модуляции.

Эти взаимодействия можно подразделить на два класса. К первому относятся, например, такие эффекты, как сдвиг края полосы поглощения в электрическом поле (эффект Франца-Келдыша), поглощение света на свободных носителях в полупроводниках. Здесь модуляция существенно обусловлена поглощением света в модулирующей среде. Эффекты второго типа носят характер параметрического или реактивного взаимодействия. Сюда относятся вращение плоскости поляризации в магнитном поле (эффект Фарадея), акустооптический эффект, линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса), квадратичный электрооптический эффект (явление Керра) и др.

Все эти явления в настоящее время составляют предмет интенсивных исследований, направленных на более глубокое понимание их принципиальных основ и на изыскание наиболее эффективных материалов и конструктивных решений модулирующих устройств.

В вопросах применения наибольшее значение приобрел электрооптический эффект в кристаллах. Он заключается в том, что под влиянием внешнего электрического поля изменяется показатель преломления кристалла. Наложение электрического поля на кристаллы определенных типов приводит к появлению двулучепреломления, пропорционального значению электрического поля. Кристалл становится оптической фазовой пластинкой, вызывающей фазовый сдвиг, величина которого управляется приложенным напряжением. Разработаны оптические системы, в которых это явление используется для амплитудной, фазовой и поляризационной модуляции.

Реальные характеристики модулирующих устройств, такие как наибольшие частоты модулирующего сигнала, ширина полосы модуляции, значение управляющих электрических напряжений и мощности модулирующего сигнала, линейная и угловая апертура, устройства, его прозрачность и допустимая световая мощность зависят от двух основных факторов, а именно: от используемых электрооптических кристаллов и от метода создания модулирующего поля в кристалле.

Большинство модуляторов сейчас разрабатывается на основе кристаллов дигидрофосфата калия (КДП) и дигидрофоефата аммония (АДП), а также дидейтерофосфата калия (ДКДП). В настоящее время легко выращиваются образцы этих кристаллов большого размера и хорошего оптического качества. Они обладают как продольным (случай, когда электрическое поле параллельно направлению распространения светового пучка), так и поперечным (электрическое поле перпендикулярно направлению распространения пучка) линейным электрооптическим эффектом. Однако их применение в модуляторах связано с определенными трудностями и ограничениями, которые обусловлены наличием естественного двулучепреломления, сильно зависящего от температуры, относительно низким значением электрооптических постоянных, большим значением диэлектрической постоянной, а также тем, что эти кристаллы гигроскопичны и обладают малой механической прочностью. Кроме того, эти кристаллы прозрачны лишь в интервале длин волн 0,3 – 1,2 мкм. Из других кристаллов следует назвать кристаллы метаниобата лития и танталата лития, которые как по своим электрооптическим параметрам, так и по механическим свойствам существенно превосходят кристаллы КДП и АДП.

Рассмотрим теперь основные типы модуляторов, отличающиеся по методу создания электрического поля в кристаллах.

Модулятор с сосредоточенным взаимодействием

Простейшим из модуляторов этого типа является модулятор, в котором кристалл помещается между двумя электродами, плотно прилегающими к его поверхности. Верхняя граница частот модулирующего сигнала в этом случае в принципе определяется следующим условием: электрическое поле в кристалле должно быть постоянно в течение времени, требующегося свету для прохождения вдоль модулятора. В действительности верхний предел частоты модулятора определяется частотой последовательного электрического резонанса контура, образуемого емкостью модулятора и индуктивностью проводников, подводящих сигнал. Для модуляции в непрерывном режиме верхний частотный предел обычно ограничен разогревом кристалла, обусловленным диэлектрическими потерями.

Модуляторы такого типа, в которых используются кристаллы, обладающие продольным электрооптическим эффектом, обычно требуют высоких управляющих напряжений модулирующего сигнала и, соответственно, больших управляющих мощностей. В частности, такой модулятор, построенный на кристалле КДП, требует для 100%-ной модуляции напряжения около 10 кВ, в связи с чем его использование ограничено частотами порядка 50 кГц. Приборы могут быть существенно улучшены путем использования нескольких кристаллов, расположенных последовательно друг за другом вдоль оси светового пучка. Так, выпускаемый предприятиями МЭП модулятор типа МП-3 (рис. 10), в котором установлено пять кристаллов и несколько усовершенствована оптическая схема, требует для 100%-ной модуляции 1200 – 1300 В, а для 50%-ной модуляции в линейном режиме всего 180 В и может работать в непрерывном режиме до частоты 10 МГц.

Рис. 10. Оптический модулятор

Значительно лучшие характеристики имеют модуляторы, в которых используется поперечный электрооптический эффект. Здесь типичные управляющие напряжения для модуляторов, разработанных на основе кристалла КДП, составляют сотни вольт. Например, модулятор ОЛМШ-100, также выпускаемый предприятиями МЭП (рис. 11), требует для 100%-ной модуляции 450 – 650 в и может работать в непрерывном режиме в полосе 0 – 100 МГц.

Рис. 11. Широкополосный оптический модулятор ОЛМШ-100

Идет подготовка к промышленному выпуску модулятора, работающего по несколько более сложной оптической схеме, у которого напряжение 100%-ной модуляции равно 90 В.

Верхняя граница полосы частот, в которой могут работать модуляторы конденсаторного типа, по-видимому, не превышает 200-250 МГц.

Наряду с разработкой модуляторов конденсаторного типа разработаны модуляторы света в СВЧ диапазоне. Наложение СВЧ поля на электрооптический кристалл осуществляется путем помещения кристалла в объемный резонатор с высокой добротностью. Полоса пропускания таких резонаторов обычно не превышает 5-10 МГц. В настоящее время разработаны конструкции таких модуляторов, работающих в непрерывном режиме на частоте 700 МГц при модулирующей мощности порядка 2 Вт. Существуют конструкции модуляторов на частоты 3 и 10 ГГц. Однако они работают лишь в импульсном режиме, так как управляющие мощности, например, в последнем случае достигают 200-300 Вт.

Модуляторы бегущей волны

Наиболее многообещающими системами, с точки зрения получения широкополосной модуляции света при малой модулирующей мощности, являются так называемые модуляторы бегущей волны. В таких устройствах кристалл помещается в высокочастотную линию передачи, так что возникает как бы суммирование электрооптического эффекта при распространении света вдоль кристалла. Для осуществления этого эффекта необходимо согласование фазовой скорости СВЧ сигнала, распространяющегося в линии с фазовой скоростью света при прохождении его через кристалл. Известны удачные попытки создания модуляторов этого типа с полосой 1 ГГц, построенных на кристаллах КДП. Однако в целом задача создания такого модулятора еще должна быть решена.

Описанные выше модулирующие устройства являются по существу результатом первого этапа работ в этой области. Их характеристики во многом несовершенны. Основные проблемы, в которых необходимо вести дальнейшие исследования, состоят в расширении диапазона модулирующих частот, снижении мощностей модулирующих сигналов, улучшение светотехнических характеристик модуляторов. Особенно важным направлением является создание эффективных модуляторов для инфракрасного излучения.

Материалы для приборов квантовой электроники

Успехи, достигнутые квантовой электроникой, были бы невозможны без разработки специальных материалов. Активные материалы — кристаллы с определенными примесями – являются основой квантовых парамагнитных усилителей и твердотельных лазеров. Специальные нелинейные и электрооптические кристаллы преобразуют частоты света, служат модуляторами в системах лазерной связи и затворами в оптических локаторах.

Специальные синтетические материалы, широкое применение которых характерно для современной техники вообще, явились фундаментом развития различных направлений квантовой электроники.

Работы по созданию специальных материалов начались в Советском Союзе одновременно с началом работ по квантовой электронике. Одной из первых была задача разработки монокристаллов синтетического рубина (окиси алюминия с примесью хрома) сначала для квантовых парамагнитных усилителей (КПУ), а затем и для лазеров.

Задачи подобного типа не встречались раньше в технике: нужно было изготовить монокристаллические элементы значительных размеров (до 200 – 500 мм длиной и до 12 – 18 мм диаметром), обладающие высокой степенью совершенства кристаллической решетки и исключи- тельной оптической однородностью. Усилиями институтов АН СССР и отраслевых предприятий эта задача была решена успешно. Уже в 1958 г. предприятия МЭП освоили выпуск опытных партий элементов из рубина для КПУ, а в 1961 – 1962 гг. были изготовлены и первые лазерные элементы из рубина. Сейчас промышленностью выпускается несколько типов рубиновых лазерных элементов.

Однако развитие лазерной техники требует кристаллов рубина все более и более высокого качества. Поэтому технология их производства непрерывно совершенствуется. Хотя основная часть кристаллов рубина и сейчас производится классическим методом Вернейля (кристаллизацией мелкодисперсного порошка в газовом пламени), все основные стадии процесса претерпели существенные изменения. В частности, новые типы кристаллизаторов дали возможность существенно увеличить выход кристаллов повышенного качества. Применение усовершенствованных методов производства исходного порошка (пудры) также значительно улучшило кристаллы. Использование кристаллов рубина повышенного качества, полученных на предприятиях МЭП, позволило создать лазеры на рубине с к.п.д., равным 1,2 – 1,4% [28]. В настоящее время готовится внедрение в промышленность методов получения таких кристаллов.

Предприятия МЭП в 1960 г. впервые в СССР разработали для квантовой электроники другой активный материал – монокристаллический рутил (двуокись титана) с примесями ионов хрома и железа, используемый в квантовых парамагнитных усилителях. Сейчас производятся кристаллы рутила длиной до 250 мм и диаметром до 16 мм. Около 40% из них являются безблочными и пригодны для использования в КПУ [4]. Кроме того, были разработаны методы выращивания кристаллов молибдатов стронция и кальция, двойного молибдата лантана – натрия, активированных неодимом, являющихся активными материалами для ОКГ с низким порогом генерации. В 1965 – 1966 гг. разработана технология выращивания кристаллов алюмо-иттриевого граната с примесью неодима – материала для лазеров непрерывного действия. Проводятся работы по синтезу и других, более сложных монокристаллов, позволяющих намного повысить эффективность твердотельных 0КГ.

Другим классом специальных материалов для квантовой электроники являются нелинейные и электрооптические кристаллы для преобразования частоты и управления пучком ОКГ. Среди них большое распространение получили кристаллы дигидрофосфатов калия, аммония, рубидия (КДП, АДП, РДП) и ряд других. Выращивание этих кристаллов из водных растворов начато в 1962 г. В результате на предприятиях МЭП были разработаны методы получения крупных образцов указанных кристаллов с высокой оптической однородностью, что позволило получить рекордные данные в нелинейной оптике, в частности по генерации высших гармоник и созданию перестраиваемого оптического генератора на кристалле КДП [29]. В процессе работы создана новая автоматическая аппаратура для выращивания воднорастворимых кристаллов, например универсальный кристаллизатор с программным отбором конденсата, с помощью которого выращивают монокристаллы высокой оптической однородности весом до 1,5 кг [30].

В последнее время много внимания уделяется перспективному кристаллу метаниобата лития, у которого большие значения электрооптических констант по сравнению с кристаллами типа КДП позволяют осуществить модуляторы с пониженным управляющим напряжением. Разработана. технология выращивания и отжига таких кристаллов, пригодных для нелинейных преобразователей и модуляторов света [31].

Современными актуальными направлениями в разработке специальных материалов для квантовой электроники являются разработка упрочненных активных материалов для ОКГ, способных выдерживать колоссальные потоки мощности в генераторах (до 10 9 – 10 10 Вт/см 2 ) в течение коротких импульсов; дальнейшее повышение оптической однородности активных материалов для ОКГ с предельной расходимостью излучения (определяемой дифракцией света); изыскание и разработка новых активных материалов с повышенной эффективностью (для лазеров с к.п.д., равным 5 – 10%); разработка упрочненных электрооптических материалов с повышенной стойкостью к излучению; поиск и разработка новых эффективных модуляционных и нелинейных оптических материалов для различных диапазонов длин волн, включая и далекий инфракрасный диапазон [32].

Заключение

Квантовая электроника в настоящее время переживает еще начальный этап своего развития. Происходит соревнование между различными типами оптических генераторов за получение наиболее высоких выходных параметров при наиболее простых методах и малых затратах.

Интенсивно ведутся поиски новых принципов преобразования различных видов энергии в энергию когерентного излучения. В сферу интересов квантовой электроники вовлекаются все новые и новые области науки и техники. Расширяются области ее применения, масштабы которых в ряде случаев трудно оценить.

Созданные квантовые приборы уже сегодня становятся мощным средством исследований и производства в самых различных областях науки, техники и промышленности. Нет никакого сомнения, что эти приборы займут прочное место там, где они будут экономически оправданными и где их применение позволит решить задачи, не доступные для выполнения другими средствами.

Каждый электрик должен знать:  Почему сварка всегда лучше других способов соединений проводов

Настоящая статья написана по материалам, подготовленным ведущими специалистами, внесшими существенный вклад в разработку и создание приборов квантовой электроники: Алейниковым В.С., Беляевым В.П., Верным Е.А., Гордеевым Д.В., Дмитриевым В.Г., Зверевым Г.М., Иевским А.В., Кривцуном В.М., Кузнецовым В.М., Лисовским Л.П., Москаленко В.Ф., Мартыновым В.Ф., Остапченко Е.П., Панкратовым В.М., Печениным Ю.В., Ривлиным Л.А., Рыбаковым Б.В., Резом И.С., Соловьевым Е.Г., Тычинским В.П., Федуловым С.А., Швейкиным В.И., Юхвидиным Я.А.

Значительную работу по подготовке материалов статьи выполнил Г. М. Зверев.

Всем указанным лицам автор выражает свою искреннюю и глубокую благодарность.

Основные свойства оптически анизотропных сред

Все оптически прозрачные среды можно подразделить на две большие группы: изотропные и анизотропные.

Оптически изотропная среда — это среда, у которой оптические свойства не зависят от направления распространения излучения, а также от его состояния поляризации.

Оптически анизотропная среда (АС) — среда, оптические свойства которой зависят от направления распространения в ней оптического излучения и его поляризации. Оптическая анизотропия проявляется в двойном лучепреломлении, дихроизме (зависимости поглощения от направления поляризации излучения; и в изменении состояния поляризации света. Кроме того, известно, что оптически АС обладает анизотропией и по другим физическим характеристикам: электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемости, величинам констант пьезоэффекта и т.д. В естественных условиях оптическая анизотропия (ОА) проявляется только у некоторых кристаллов. Она обусловлена неодинаковостью по различным направлениям поля сил, связывающих атомы решетки, т.е. связана с асимметрией строения отдельных молекул в кристалле и обусловленным ею различием во взаимодействии этих молекул с излучением различных поляризаций (примером могут служить — исландский шпат и кристаллический кварц).

Искусственная или наведенная ОА возникает в средах, от природы оптически изотропных под действием внешних полей, выделяющих в таких средах определенное направление и приводящих к асимметрии строения вещества. Это может быть электрическое поле — эффект Поккельса и эффект Керра, магнитное поле — эффект Фарадея, поле упругих сил — эффект фотоупругости (акусто-оптический) и др.

Объяснение причин возникновения ОА и описание взаимозависимости физических характеристик таких систем можно сделать только в рамках современной квантовой теории строения вещества. При решении инженерных и прикладных задач, как правило, достаточно воспользоваться феноменологической (феномен — явление) теорией ОА. Она не объясняет фундаментальные свойства АС, но достаточно точно описывает их количественную сторону.

Воснове феноменологической теории ОА лежит представление об оптической индикатрисе анизотропной среды. Рассмотрим поверхность (рис. 4), построенную так, что расстояние от произвольней начальной точки О до любой точки поверхности численно равно показателю преломления волны ni, распространяющейся в среде в данном направлении ki. Полученная таким образом поверхность называется n-индикатрисой или поверхностью показателя преломления.

Многочисленные экспериментальные исследования свидетельствуют, а фундаментальная квантовая теория подтверждает, что поверхность показателей преломления анизотропной среды представляет собой пространственный трехосный эллипсоид или его вырожденную форму — эллипсоид вращения. В случае изотропной среды n-индикатриса является сферой, т.к. для нее показатель преломления не зависит от направления распространения излучения. Существенно, что эллипсоидальность оптических индикатрис АС рассматриваемая теория не объясняет.

Уравнение оптической индикатрисы (в канонической форме) любого кристалла в системе координат, совпадающей с главными осями эллипсоида X, Y, Z (рис.4) имеет вид

где nx, ny, nz — показатели преломления вдоль главных осей эллипсоида, которые определяются соответствующими диэлектрическими проницаемостями среды:

εx = nx2, εу = ny2, εz = nz2; (εx

Эти три особых главных направления в анизотропной среде, для которых D =εiЕ, имеют место как исключительные случаи, в отличие от изотропных веществ, для которых условие (6) выполняется для любого направления распространения излучения.

Используя связь (7) между D и Е, характеризующую анизотропную среду, из решений уравнений Максвелла, описывающих распространение электромагнитных колебаний, можно получить следующие отличительные свойства оптически анизотропных сред:

1) В анизотропной среде проходящее излучение по любому направлению N может существовать и распространяться только в виде двух взаимно ортогональных плоскополяризованных волн с двумя различными фазовыми скоростями

V1 = c/n1 и V2 = c/n2, (7)

где с — скорость распространения излучения в вакууме, что обуславливает явление двойного лучепреломления.

2) Эти два особенных направления колебаний компонент поля (Е, Н) определяются свойствами среды и не зависят от длины волны проходящего света. Плоскополяризованная волна с колебаниями, параллельными какому-либо из этих двух направлений, распространяется в анизотропной среде, оставаясь поляризованной в том же направлении. Если направление поляризации падающего излучения составляет некоторый угол с указанными особенными направлениями, то его можно разложить на две плоскополяризованные волны, которые следуют по этим направлениям.

3) Для любого направления распространения излучения в анизотропной среде в плоскости, перпендикулярной этому направлению существуют лишь два взаимно ортогональных направления колебаний вектора D. Других волн, которые бы распространялись бы в том же направлении, но имели другое направление колебаний вектора D, не существует.

4) В общем случае, каждая из двух взаимно ортогональных компонент, распространяющихся в АС, отличается не только скоростью распространения из-за различия в показателях преломления n1 и n2, но и величиной их поглощения, которое обусловлено различием в показателях удельного поглощения æ1 и æ2. Если один из показателей æi значительно превосходит другой (например, æ1>> æ2), то в результате сильного поглощения одного из лучей (D1) на выходе АС получим линейно поляризованное колебание (D2). Такая среда называется поляроидом. Хорошими поляроидами являются кристаллы турмалина и герапатита. Уже при толщине кристалла герапатита около 0,1 мм в нем практически полностью поглощается дин из лучей (для турмалина – 1 мм). Если поляроид используется для получения поляризованного света, то он называется поляризатором, если же он используется для анализа поляризации света, то его называют анализатором.

Среда, у которой n1 ≠ n2, называется двулучепреломляющей, а при æ1 ≠ æ2 — дихроичной. Разности величин ∆n = n1 – n2 и ∆æ = æ1 – æ2 называются величинами двулучепреломления и дихроизма в направлении распространения излучения.

Из аналитической геометрии известно, что эллипсоид с тремя различными по значению главными осями nz > ny > nx имеет два круговых сечения с радиусом ny (рис. 8,а). Тогда в плоскости можно выделить два симметричных относительно Z направления распространения света kI и kII, которым соответствуют эти круговые сечения. Переход эллиптического сечения в круговое означает, что по направлению kI и kII анизотропия среды не проявляется, и среда ведет себя как изотропная, а векторы D могут колебаться в любом направлении плоскости кругового сечения. Направления kI и kII, перпендикулярные круговым сечениям, называются оптическими осями анизотропии, а среда – двухосной. Угол между осями зависит от формы эллипсоида, т.е. от свойств АС.

Когда два показателя преломления из трех равны, например,

nx = ny = no, nz = nе ≠ no, (8)

n-индикатриса среды имеет вид эллипсоида вращения. В нем существует единственное круговое сечение (рис.8,б),

перпендикулярное оси вращения Z и проходящее через точку О с радиусом no. Следовательно, ось Z – единственная в данном случае оптическая ось анизотропии, а такая АС называется одноосной. Общепринятые обозначения двух главных показателей преломления no и nе называются показателями преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей в одноосной среде. Два возможных случая

nе > no и nе 0), и отрицательным (например, исландский шпат – для λ = 0,59 мкм nе = 1,486, no = 1,658, т.е. ∆n = nθ – no 0. Поскольку фазовая скорость света v = c/n = с/(n0 + n2E2), то фазовые фронты изгибаются (поле Е на оси больше, чем на периферии) и лучи отклоняются к оси пучка. Такая нелинейная рефракция может быть столь существенной (её «сила» нарастает вместе с концентрацией поля), что практически полностью подавляет дифракционные эффекты.

Обратный эффект — самодефокусировка — возникает, если среда в области, занятой световым пучком, из-за зависимости показателя преломления от интенсивности становится оптически менее плотной (n2 > 1. В видимом же диапазоне регистрация сигнала производится с помощью высокочувствительного фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Система из нелинейного кристалла, в котором происходит сложение частот и ФЭУ, является чувствительным приёмником инфракрасного излучения; такие приёмники находят применение в инфракрасной астрономии. С помощью этой схемы можно не только регистрировать сигнал, но и преобразовывать изображение из инфракрасного диапазона в видимый.

Заключение. Методы Н. о. проникают во все традиционные разделы оптики и лежат в основе ряда её новых направлений (нелинейное вращение плоскости поляризации, нелинейное рассеяние, нелинейная дифракция, нелинейная магнитооптика и т.п.). С ростом напряжённости светового поля обнаруживаются всё новые и новые нелинейные процессы. К сожалению, предельное световое поле, которое может быть использовано в эксперименте, определяется не возможностями лазерной техники, а разрушением среды или изменением её оптических свойств под действием света.

На первом этапе развития Н. о. использовался диапазон волн от 1,06 до 0,3 мкм. Переход к лазерам на CO2 (l = 10,6 мкм)привёл к открытию нелинейности, связанной с поведением носителей тока в полупроводниках (в видимом диапазоне она практически не проявляется), и обнаружению новых нелинейных материалов. При помощи мощных источников ультрафиолетового излучения возможны исследование нелинейного поглощения в кристаллах и жидкостях с широкой запрещенной зоной, умножение частоты в вакуумном ультрафиолете, создание ультрафиолетовых лазеров с оптической накачкой. В 1971 впервые наблюдались когерентные нелинейные эффекты в рентгеновской области.

Успехи Н. о. стимулировали соответствующие исследования в физике плазмы, в акустике, радиофизике и вызвали интерес к общей теории нелинейных волн. В связи с Н. о. появились новые направления исследования в физике твёрдого тела, связанные с изучением нелинейных материалов и оптической прочности твёрдых тел и жидкостей. Возможно, нелинейными оптическими явлениями в межзвёздной плазме обусловлены и некоторые особенности характеристик квазаров. Не исключено достижение таких интенсивностей лазерного излучения, при которых станет возможным наблюдение нелинейных оптических явлений в вакууме.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Генераторы оптических гармоник

НАЗНАЧЕНИЕ Используются в качестве генераторов коротких импульсов и генераторов сетки частот для гетеродинов радиорелейных линий связи, калибраторов частотной шкалы. […]

Используются в качестве генераторов коротких импульсов и генераторов

сетки частот для гетеродинов радиорелейных линий связи,

калибраторов частотной шкалы.

Диапазон рабочих температур: 5–40 o C
Относительная влажность воздуха: 98 %

Характеристики 7030 7031 7032 7033
Диапазон частот:
входа, МГц 20–100 100–200 300–350 2000–4000
выхода, ГГц 0,1–4 0,1–8 0,3–18 2–20
Уровень входной мощности, мВт 0,1–0,5 1 100–200 100–200
Уровень гармоник, дБм –25…–30 –20 –25 –5…–10
Неравномерность гармоник, дБ ±1,5 ±3 ±5 ±3
Соединители вход/выход IX P IX P IX P IX P
Габариты, мм 59x46x24 44x24x21 38x22x19 38x22x19
Масса, г 200 60 40 40

Примечания:
Возможно изготовление генераторов гармоник с соединителями типа SMA(f) с дюймовыми резьбами вместо соединителей типа IX Р по ГОСТ 13317-89.

Генераторы оптических гармоник

НАЗНАЧЕНИЕ Используются в качестве генераторов коротких импульсов и генераторов сетки частот для гетеродинов радиорелейных линий связи, калибраторов частотной шкалы. […]

Используются в качестве генераторов коротких импульсов и генераторов

сетки частот для гетеродинов радиорелейных линий связи,

калибраторов частотной шкалы.

Диапазон рабочих температур: 5–40 o C
Относительная влажность воздуха: 98 %

Характеристики 7030 7031 7032 7033
Диапазон частот:
входа, МГц 20–100 100–200 300–350 2000–4000
выхода, ГГц 0,1–4 0,1–8 0,3–18 2–20
Уровень входной мощности, мВт 0,1–0,5 1 100–200 100–200
Уровень гармоник, дБм –25…–30 –20 –25 –5…–10
Неравномерность гармоник, дБ ±1,5 ±3 ±5 ±3
Соединители вход/выход IX P IX P IX P IX P
Габариты, мм 59x46x24 44x24x21 38x22x19 38x22x19
Масса, г 200 60 40 40

Примечания:
Возможно изготовление генераторов гармоник с соединителями типа SMA(f) с дюймовыми резьбами вместо соединителей типа IX Р по ГОСТ 13317-89.

Генераторы гармоник

Кварцевые резонаторы для частот свыше 30 МГц трудно реализуемы. Если возникает необходимость в генерации высоких частот со стабильностью, соответствующей кварцевым генераторам, могут использоваться либо LC-генераторы с ФАПЧ с низкочастотными стабильными кварцевыми резонаторами, либо схемы с кварцевыми резонаторами, работающими на высших гармониках. Если рассмотреть представленную на рис. 20 зависимость реактивного сопротивления кварцевого резонатора от частоты, то очевидно, что она обладает частными гармониками резонанса. Тем не менее, для работы кварцевого резонатора на высших гармониках рассмотренные схемы не предназначены. Чтобы возбуждать кварц на гармониках, необходим усилитель, коэффициент усиления которого вблизи желаемой частоты был бы максимальным. Этого можно достичь применением дополнительного LC_колебательного контура.

Рисунок 20 — Типичная частотная зависимость комплексного сопротивления кварцевых резонаторов

Если ввести кварцевый резонатор в цепь положительной обратной связи в схему генератора Хартлея , получается схема, представленная на рис. 21. LC_колебательный контур настраивается на желаемую гармонику. Тогда для этой частоты коэффициент усиления окажется наибольшим, и кварцевый резонатор будет возбуждаться соответствующей гармоникой. Схема модифицированного генератора Колпитца (см. рис..9) представлена на рис. 22. Генератор гармоник, охваченный отрицательной обратной связью по цепи эмиттера, может быть собран согласно представленному на рис. 10. Аналогичный генератор с кварцевым резонатором в цепи положительной обратной связи показан на рис. 23. На частоте резонанса LC_колебательный контур взаимодействует по цепи положительной обратной связи с желаемыми гармониками кварцевого резонатора. Самая простая реализация необходимого высокочастотного усилителя получается при использовании элемента ЭСЛ. В первую очередь, для этого пригоден приемник с линии, так как у него опорный потенциал по отношению к VBB управляется извне.

Рисунок 21 — Схема генератора Хартлея с кварцевым резонатором Рисунок 22 — Схема генератора Колпитца с кварцевым резонатором Рисунок 23 — Генератор с эмиттерной обратной связью и кварцевой стабилизацией частоты

Если колебательный контур подключен, как показано на рис. 23, режим усилителя

соответствует оптимальной рабочей точке. Конденсатор C1 служит коротким замыканием для VBB лишь на высоких частотах. Выходное напряжение в первом приближении имеет синусоидальную форму. Если нужна прямоугольная форма ЭСЛ-сигнала, то в дальнейшем необходимо использовать приемник с линии в режиме переключения.

Генераторы с мостом Вина

В низкочастотном диапазоне LC-генераторы реализуются с трудом, так как для этих частот необходимы большие значения индуктивностей и емкостей. Поэтому в диапазоне низких частот преимущественно используют генераторы, частота которых задается RC-цепями.

В принципе, можно было бы реализовать RC-генератор путем замены колебательного контура в схеме, приведенной на рис. 2, пассивным RC-полосовым фильтром. Максимально достижимая добротность была бы ограничена величиной 0,5. Поэтому возникающие синусоидальные колебания обладали бы невысокой стабильностью частоты. Это следует из анализа фазочастотной характеристики, приведенной на рис. 24. При пассивном фильтре нижних частот с добротностью Q = 1/3 сдвиг фазы на частоте, равной половине резонансной, составляет 27°. Если усилитель внесет сдвиг фазы величиной –27°, генератор согласно условию баланса фаз

будет самовозбуждаться на половинной частоте резонанса. Чтобы достичь хорошей стабильности частоты, необходима цепь обратной связи, фазочастотная характеристика которой имеет крутой переход через нуль. Этим свойством обладают колебательные контуры высокой добротности и мост Вина–Робинсона. Его выходное напряжение на частоте резонанса становится близким к нулю, именно поэтому мост не совсем подходит в качестве цепи обратной связи. Для применения в генераторах мост Вина–Робинсона незначительно расстраивают (рис. 25); e должно быть положительным числом, значительно меньшим единицы. Изменение сдвига фазы расстроенного моста Вина–Робинсона можно очень легко понять качественно; на высоких и низких частотах U1 равно нулю. При этом UD ≈–1/3Ue. Вместе с тем, суммарный сдвиг фазы составит +180°. На частоте резонанса U1 составит 1/3Ue, и

Рисунок 24-Частотная характеристика фаового сдвига: кривая 1 – мост Вина–Робинсона при e = 0,01; кривая 2 – колебательный контур при Q = 100; кривая 3 – пассивный полосовой фильтр при Q = 1/3

UD на частоте резонанса находится в фазе с Ue. Для количественной оценки кривой 1 на рис. 24 (мост Вина–Робинсона с e = 0,01) прежде всего необходимо рассмотреть функцию преобразования типа:

Из этого выражения, пренебрегая более высокими степенями e , получаем частотную характеристику фазового сдвига:

Рисунок 25 -Расстроенный мост Вина–Робинсона

Эта характеристика представлена на рис. 24 для e = 0,01. Известно, что сдвиг

фазы при расстроенном мосте Вина–Робинсона в очень узкой полосе частот изменяется на ±90°. Это возможно при незначительной величине e. В этом отношении мост Вина– Робинсона сравним с очень хорошим колебательным контуром. Его преимуществом является то, что сдвиг фазы не ограничен величиной ±90°: он возможен даже до величины ±180°. Вследствие этого высшие гармоники будут значительно ослаблены. Недостаток моста Вина–Робинсона состоит в том, что ослабление на частоте резонанса будет тем более сильным, чем меньше выбирают значение e. Вообще, ослабление на частоте резонанса составляет:

В нашем примере – 1/900. Чтобы в генераторе было выполнено условие возникновения колебаний, усилитель должен скомпенсировать это ослабление. На рис. 26 представлена схема генератора, резонансная частота которого равна:

Рисунок 26-Схема простого генератора с мостом Вина–Робинсона

Если усилитель обладает дифференциальным коэффициентом усиления AD, то длявыполнения условия генерации колебаний kAD = 1 значение расстройки e = 9k = 9/AD. Если e будет несколько больше, амплитуда колебаний поднимется настолько, что усилитель будет перегружен. При малом e, или даже отрицательном, никакие колебания не возникнут. Этого можно избежать, если установить сопротивления резисторов R1 и R1/(2 + e) с достаточно высокой точностью. Поэтому нужно автоматически регулировать сопротивление одного из двух резисторов в зависимости от амплитуды выходного напряжения. Этой цели служит полевой транзистор T на рис. 26.

Сопротивление резистора R2 должно выбираться из условия

При включении напряжения питания VG остается некоторое время достаточно малым, и поэтому RDS = RDS on. Когда упомянутое условие возникновения колебаний выполнено, сопротивление последовательного соединения R2 с RDS в этом случае меньше чем 1/2R1. На частоте резонанса в мосте Вина возникает относительно большое дифференциальное напряжение UD. Вследствие этого возникают колебания, и их амплитуда возрастает. Выходное напряжение выпрямляется диодами D1, D2 в цепи обратной связи. В результате потенциал затвора становится отрицательным, и RDS увеличивается. Амплитуда выходного напряжения поднимается до тех пор, пока не окажется выполненным условие:

Коэффициент нелинейных искажений выходного напряжения зависит, по существу, от линейности выходной характеристики полевого транзистора.

Коэффициент гармоник можно значительно улучшить, если часть напряжения сток–исток просуммировать с потенциалом затвора. Этому служат резисторы R3 и R4. Разделительный конденсатор C3 предназначен для того, чтобы предотвратить поступление постоянного напряжения на N-вход операционного усилителя, что приведет к смещению нуля на выходе. На практике выбирают R3 ≈ R4. Тонкой подгонкой R3 коэффициент гармоник настраивается на минимум. При этом достигают значения около 0,1%. Можно установить такие резисторы R, что окажется возможным непрерывно регулировать частоту. Чем больше различие между сопротивлениями резисторов R, тем действеннее должна быть автоматическая регулировка амплитуды колебаний. Максимальное сопротивление R должно быть настолько малым, чтобы входной ток операционного усилителя не создавал на нем существенного падения напряжения. С другой стороны, R не должно быть низкоомным, иначе слишком сильно нагружается выход. В диапазоне частот 1:10 можно установить последовательно с переменными резисторами R постоянные сопротивления, равные R/10. При использовании конденсаторов C переменной емкости в такой схеме можно перестраивать частоту в полосе от 10 Гц до 1 МГц. Чтобы регулировка амплитуды на самой низкой частоте ещё не вызывала искажений, последовательные и параллельные постоянные времени R5C1 и R6C2 должны быть по меньшей мере на порядок больше, чем период колебаний генератора.

От параметров полевого транзистора T зависит амплитуда выходного напряжения. Ее постоянство здесь не существенно, так как определенное изменение необходимо, чтобы сопротивление полевого транзистора T заметно изменялось. Стабилизацию амплитуды колебаний можно улучшить, если напряжение затвора дополнительно усиливать. Такая схема с амплитудой выходного напряжения, равной

показана на рис. 27. Выпрямитель формирует эквивалент выходного переменного напряжения. Операционный усилитель OV2 представляет собой модифицированный пропорционально-интегрирующий регулятор. Потенциал затвора полевого транзистора T таков, что входное напряжение в среднем равно нулю. Это возможно в том случае, если среднее арифметическое значение |Ua| одинаково с Uref. Постоянная времени регулирования должна выбираться большой по сравнению с периодом колебаний, иначе коэффициент усиления будет нестабильным уже в пределах одного периода, что приведет к значительным искажениям. Поэтому если используют пропорционально-интегрирующие регуляторы, то параллельно резистору R6 должен быть подключен конденсатор, чтобы переменное напряжение на R6 на самой высокой частоте генератора было накоротко замкнуто. Только тогда ниже этой частоты вклад пропорциональной схемы будет действенным.

Рисунок 27 -Генератор с мостом Вина–Робинсона и точной стабилизацией амплитуды

Дата добавления: 2015-05-06 ; просмотров: 1326 | Нарушение авторских прав

Добавить материал

Спасибо, что решили отправить нам материалы

Спасибо от всех людей, желающих поглощать знания и заниматься научной деятельностью и, кроме того, от тех, кто желает получать плоды научной деятельности в виде улучшающих жизнь инноваций. Отправка Вами материалов позволит Вам скачивать электронные книги с нашего сайта. Однако, следует заметить, что отпарвляемый Вами материал не должен быть представлен в Интернете, иначе не будет смысла выкладывания на сайте материала, который и так без проблем найдут он-лайн. Проверить начличие такового в Интернете не сложно: заходите в поисковик (к примеру, яндекс), вводите цельный отрывок из текста материала (слов 20 подряд без знаков препинания — они будут только мешаться), желательно из середины работы, так как введения могут и присутствовать в Интернете, а основной текст — отсутствовать. После осуществления поиска, смотрите, не нашёл ли поисковик точно такой же текст (если он есть, то он обязательно будет входить в первую десятку найденых сайтов). Если текста не найдено — то можно отправлять материал и исправить то, что люди, которые, возможно, желают воспользоваться материалом, не могут найти его. Можно проверить наличие этого материала также и в других поисковиках.

Следует отметить, что для сайта очень большую ценность представляют материалы, которые едва ли можно найти в библиотеках, а именно — дипломные работы, диссертации, монографии и прочие Ваши работы, которые не распространяются в больших количествах в печатных изданиях, в отличие от учебных пособий, известных работ, и т.п., которые, однако, также обладают немалой научной ценностью и, как следствие, ценностью для всего человечества.

Вы можете отправить материал на наш почтовый ящик или заполнив форму ниже:

Лазерные синтезаторы оптических частот на основе параметрических генераторов света тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, доктор физико-математических наук Колкер, Дмитрий Борисович

  • Специальность ВАК РФ 01.04.05
  • Количество страниц 278
  • Скачать автореферат
  • Читать автореферат

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Колкер, Дмитрий Борисович

ГЛАВА I. Фемтосекундные лазеры в схемах абсолютного измерения оптических частот

1.1 Абсолютное измерение оптических частот при помощи фемтосекундного лазера 41

1.2. Синхронизация частоты излучения диодных лазеров с модами высокостабильного фемтосекундного титан-сапфирового лазера 42

1.3. Экспериментальные исследования влияния оптического волокна с перетяжкой на стабильность межмодовой частоты высокостабильных фемтосекундных импульсов 55

1.4. Абсолютное измерение оптических частот при помощи фемтосекундного лазера с/-2/ интерферометром 59

1.5. Абсолютное измерение частот переходов молекулярного йода в области нм 68

1.6. Измерения частот переходов атома стронция 71

1.6.1. Абсолютное измерение частоты перехода ‘Бо — 3Р1 74

1.6.2. Измерение частоты перехода Р1 — в области нм 78

1.6.3. Абсолютное измерение частоты перехода 3Р0 — ^ 84

1.6.4. Прямое измерение частоты перехода ‘Бо — 3Ро 90

1.6.5. Выводы по главе II

ГЛАВА II. Теоретические основы прецизионных делителей оптических частот

2.1. Принципиально новый тип оптических преобразователей частоты 96

2.2. Теоретические основы ПГС-ССФ 99

2.2.1. Динамика системы 3-1 ПГС-ССФ 99

2.2.2. Теоретическая модель ПГС-ССФ 102

2.2.3. Стационарные решения уравнений (4.1) для двухрезонаторного ПГС-ССФ 107

2.2.4. Случай нулевой расстройки резонатора As = А; = 111

2.2.5.Стационарные решения системы уравнений (2.1) для трехрезонаторного ПГС 111

Выводы по главе II 115

ГЛАВА III. Эффект самосинхронизации фазы в трехрезонаторном ПГС (ТПГС-ССФ) 118

3.1. Экспериментальная установка 118

3.2. Нелинейный элемент PPLN 119

3.3. Конфигурация оптического резонатора ПГС-ССФ 121

3.4. Нестабильности при фазовой расстройке = AkSHGL2/2 между ГВГ и ПГС процессами 130

3.5. Мультикаскадный режим генерации в ПГС-ССФ 132

3.6. Анализ модовой структуры ПГС-ССФ при помощи двух интерферометров 135

3.7. Физические особенности самосинхронизация фазы в мультикаскадном режиме генерации ПГС-ССФ 138

3.8. Выводы по главе III

ГЛАВА IV. Двухрезонаторный ПГС с самосинхронизацией фазы

4.1. Нелинейный элемент для двухрезонаторного ПГС 142

4.2. Разветвленная конфигурация ГВГ секции нелинейного элемента для генерации второй гармоники холостой волны 143

4.3. Тест ПГС секции 145

4.4. Тест ГВГ секции нелинейного элемента 146

4.5. Нагревательный элемент для нелинейного кристалла 148

4.6. Диэлектрические зеркала резонатора и антиотражающие покрытия на торцах кристалла 149

4.7. Порог параметрической генерации 151

4.8. Оптический резонатор 151

4.9. Разработка механики резонатора ПГС 156

4.10. Настройка резонатора t 160

4.11. Схема детекции сигналов накачки, холостой и сигнальной волн 161

4.12. Подготовительные работы для поиска режима 3:1 163

4.13. Два режима работы ПГС с составной конфигурацией нелинейного элемента 168

4.13.1.Каскадный режим генерации в оптическом параметрическом осцилляторе 168

4.13.2.Теоретическая модель каскадного ПГС 173

4.13.3. Режим самосинхронизации фазы в двухрезонаторном параметрическом осцилляторе 175

Выводы по главе IV 181

ГЛАВА V. Исследование кристаллических структур с компенсацией угла сноса (21Ч-ОС\¥ОС)

5.1. Влияние угла сноса на эффективность преобразования в нелинейных оптических структурах 185

5.2. Конструктивные особенности 2N-OCWOC структур и схема экспериментальной установки 197

5.3. Экспериментальные исследования 2N-OCWOC структур 202

5.3.1. 2N-OCWOC эффективность преобразования 206

5.3.2. Угловые перестроечные кривые для lO-OCWOC структуры 208

5.3.3 .Эффекты в апериодичных структурах (АРWOC) 217

5.3.4. Перестроечные характеристики для 4-OCWOC структур 220

5.5. Выводы по главе V 225

Основные результаты диссертационной работы 227

Литературные источники 245

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Оптика», 01.04.05 шифр ВАК

Модовое сверхизлучение в открытых резонаторах и экстремальные режимы генерации электромагнитных полей ансамблями квантовых и классических осцилляторов 1998 год, доктор физико-математических наук в форме науч. докл. Кочаровский, Владимир Владиленович

Управление самосинхронизацией продольных и поперечных мод гелий-неонового лазера 1984 год, кандидат физико-математических наук Суханов, Игорь Иванович

Нелинейные взаимодействия интенсивного пико- и фемтосекундного лазерного излучения с веществом в сильно неравновесном состоянии 1997 год, доктор физико-математических наук Гордиенко, Вячеслав Михайлович

Моделирование оптических систем импульсных твердотельных лазеров 2005 год, кандидат технических наук Назаров, Вячеслав Валерьевич

Режимы синхронизации мод в сверхдлинных волоконных лазерах с различными конфигурациями резонаторов 2012 год, кандидат физико-математических наук Иваненко, Алексей Владимирович

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерные синтезаторы оптических частот на основе параметрических генераторов света»

Инновационный путь развития отечественной научно-производственной базы предполагает переход к новейшему технологическому укладу, базовыми направлениями которого являются наноэлектроника, биотехнологии и информатика. Успешное развитие этих направлений оказывается весьма проблематичным без современного аналитического и метрологического обеспечения, которое в большой степени основывается на прецизионных лазерных технологиях. Уникальные возможности этих технологий обеспечиваются постоянным улучшением характеристик излучения лазерных источников и успехами лазерной спектроскопии, что позволило поставить на практическую основу, например, методики регистрации и идентификации следовых количеств атомов и молекул. В русле этих исследований и разработок лежит и очень важная проблема создания на базе лазерных источников излучения основанных на атомных и квантовых явлениях эталонов длины и времени и, соответственно, методов измерения длины волны и частоты излучения.

Создание фемтосекундных лазеров с широкой линией излучения больше оптической октавы привело к реализации сличений стандартов частоты от радио- до оптических диапазонов с погрешностью определяемой воспроизводимостью стандартов [1-5]. Исследования показали, что межмодовая частота лазеров с самосинхронизацией мод может быть стабилизирована при синхронизации частотой внешнего высокостабильного генератора [3].

Для обеспечения связи между стандартом частоты и фемтосекундным синтезатором важными элементами лазерной линейки являются нелинейные преобразователи частоты. Весьма перспективным оказывается и применение параметрических генераторов света, хотя для метрологических целей последние требуют синхронизации фаз сигнальной и холостой волн. Ь

Комбинация таких генераторов, при условии синхронизации фазы между сигнальной и холостой, с СКИ лазерами ещё более расширяет возможности частотных измерений и создания многочастотных стабильных реперов, расположенных в широкой области спектра [6-19].

В [20] сообщается о создании трехрезонаторного параметрического осциллятора на основе двухсекционного кристалла из ниобата лития, который накачивался МОРА системой в области 812 нм. Другой эксперимент [23], в котором также использовался PPLN кристалл с накачкой 500 мВт лазером в области 532 нм, позволял осуществить деление частоты на 3. В этом эксперименте использовались два каскадных преобразования генерации разностной частоты. При этом, для осуществления операции 3:2 требовалось два входных сигнала. Однако диапазон самосинхронизации фазы в [20, 23] был экстремально мал для осуществления стабильной работы этих устройств и их практического применения. В ряде работ отмечается возможность использования ПГС-ССФ для генерации сжатых состояний света и ярких запутанных состояний света [21-24].

В традиционном, невырожденном ПГС разность фаз сигнальной и холостой волн являются случайными величинами, которые возникают из-за стохастического процесса, происходящего от спонтанного параметрического шума флюоресценции. В ПГС с самосинхронизацией фазы (ПГС-ССФ) разность фаз между сигнальной и холостой волнами остается величиной постоянной, что позволяет использовать эти устройства в метрологических задачах. Работы по созданию ПГС-ССФ велись в лабораториях России, Германии, Франции, Нидерландов и США, тем не менее, до начала работы над данной диссертацией таких источников когерентного инфракрасного излучения не существовало.

Целью диссертационной работы является разработка, создание и исследование многофункциональных синтезаторов оптических частот для задач фундаментальной метрологии, спектроскопии высокого разрешения и абсолютного измерения оптических частот от ультрафиолетового до среднего ИК-диапазона с высокой точностью.

Достижение цели потребовало решения следующих задач:

— разработки и создания экспериментальной установки для измерения оптических частот с высокой точностью в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетового до ИК-диапазона на основе фемтосекундного лазера с f-2f интерферометром

— проведение абсолютных измерений оптических частот переходов

8*7 88 молекулярного йода в области 532 нм, Бг и Бг, измерения изотопических сдвигов в атоме стронция

— создания и исследования прецизионных оптических делителей частот (ПГС-ССФ) на основе кристаллов из периодически поляризованных структур ниобата лития с составной геометрией нелинейного элемента. Исследование области устойчивости и возможности пассивного механизма фазового захвата, не требующего активных систем фазовой привязки

-экспериментального исследования зависимости диапазона фазового самозахвата от различных факторов — температуры, длины волны накачки ПГС и мощности накачки

-экспериментального подтверждения генерации Хопф нестабильностей в ПГС ССФ в различной конфигурации оптического резонатора

— исследования каскадных режимов генерации в ПГС с составной геометрией нелинейного элемента. Исследование пятичастотного режима осцилляций в параметрических генераторах с составной геометрией нелинейного элемента

— проведения экспериментальных исследований новых современных преобразователей частот на основе структур с компенсацией угла сноса. Данные структуры предназначены для использования в схемах синтеза и абсолютного измерения оптических частот

— измерение эффективности преобразования в этих структурах по сравнению с монолитными образцами. Экспериментальное исследование неконтролируемого эффекта влияния передаточной функции нелинейного двулучепреломляющего фильтра и проверка теории сфокусированных пучков для структур с компенсацией угла сноса.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Измеренная частота перехода s» So — 5s5p Р0 в атоме Sr составляет: v (5s 21 SQ- 5s5p 3Ро) = 429 228 004 235 ± 20 кГц

2. Физические особенности самосинхронизации фазы в двухрезонаторном и трехрезонаторном параметрическом генераторе не отличаются. При сканировании резонатора ПГС вблизи точки деления частоты на 3 возникает провал интенсивности и уширение собственной моды резонатора ПГС. Хопф — нестабильности возникают при превышении над порогом в N=20 для двухрезонаторного ПГС. Для трехрезонаторного ПГС данный эффект наблюдался при N = 4.

3. При отстройке частоты ПГС-ССФ от точки деления на 3 на величину кратную межмодовому интервалу ПГС в трехрезонаторном ПГС наблюдается мультикаскадный режим с генерацией боковых частот (аналог фемтосекундного комба в среднем ИК).

4. Диагностикой режима 3:2:1 в двухрезонаторном ПГС-ССФ является вырождение «вложенного пятичастотного » ПГС.

5. Использование ПГС с самосинхронизацией фазы, в комбинации с фемтосекундным лазером позволяют выполнить абсолютные измерения оптических частот в широком спектре от УФ- до среднего ИК-диапазона

6. При создании синтезаторов оптических частот в среднем ИК-диапазоне кристаллические структуры с компенсацией угла сноса являются альтернативой классическим периодически-поляризованным структурам.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Впервые измерены частоты переходов атома стронция при помощи фемтосекундного синтезатора с относительной точностью 10″11.

2. Создан параметрический осциллятор с делением частоты на 3 в двухрезонаторной и трехрезонаторной конфигурации. В качестве нелинейного элемента применялась периодически-поляризованная структура из ниобата лития с составной геометрией.

3. Экспериментально показано, что в ПГС-ССФ может быть использован пассивный механизм стабилизации частоты, которые не требуют электронных систем фазового захвата.

4. Показано наличие двух режимов работы ПГС-ССФ:

Каждый электрик должен знать:  Будет ли работать двигатель 10 кВт, если установлен автомат 16А

1) Одночастотного режима при делении частоты на 3.

2) Многочастотного режима работы ПГС с возможностью генерации боковых частот.

При наличии оптики с компенсацией дисперсии возможно получение пассивной синхронизации мод в ПГС-ССФ в ближнем и среднем ИК-диапазоне.

5. Экспериментально получен пятичастотный режим генерации в двухрезонаторном параметрическом осцилляторе.

6. Экспериментально показано, что в пятичастотном параметрическом осцилляторе диапазон перестройки между вторичной сигнальной и вторичной холостой частотами достигает 200 нм.

7. Экспериментально показано, что эффективность преобразования во вторую гармонику в 10 секционном ОС\УОС — кристалле с компенсацией угла сноса по сравнению с монолитным кристаллом увеличивается до 22 раз.

Научная и практическая значимость результатов

Измерены частоты перехода атома стронция с относительной точностью 10″п.

В ПГС с самосинхронизацией фазы (ПГС-ССФ) возможен пассивный механизм фазового захвата, который не требует специальных электронных устройств фазовой привязки.

ПГС с самосинхронизацией фазы, в которых используется принцип конкуренции двух нелинейностей х (1) :х(2), в комбинации с фемтосекундным лазером дают возможность для абсолютного измерения оптических частот в. среднем ИК-диапазоне. Провал интенсивности на сигнальной и холостой частотах облегчает диагностику эффекта фазового самозахвата в ПГС-ССФ. Уширение собственной моды резонатора ПГС-ССФ приводит к выгодному увеличению полосы пропускания для системы фазовой привязки.

Делитель частоты на 3 на основе ПГС-ССФ с накачкой второй гармоникой №:УАО лазера, стабилизированного по резонансу насыщенного поглощения молекулярного йода в области 532 нм, позволяет осуществлять синхронизацию частот Ті:8а и СпГг фемтосекундных лазеров.

Каскадный режим генерации ПГС открывает возможности для создания непрерывных пятичастотных оптических параметрических осцилляторов с любыми комбинациями частот, которые могут быть заданы величиной периода А) и Л2 соответствующей секции в периодически поляризованной структуре из ниобата лития или КТР. При этом специальная разветвленная конфигурация в структуре нелинейного элемента позволяет перестраивать вторичный ПГС в широком диапазоне, достигающем нескольких сотен нанометров. При этом частоты первичного ПГС не изменяются, поскольку величина периода в ПГС секции не зависит от координаты Y.

Генерация п стабильных фазовых состояний, эквидистантно разнесенных на величину 2л/п с одинаковой интенсивностью, предоставляет возможность для кодирования информации в координатах интенсивность-фаза применительно к квантово-информационным задачам.

Кристаллические структуры с компенсацией угла сноса являются дополнением классическим PPLN и РРКТР для преобразования из видимого и ближнего ИК-диапазона в ИК-диапазон, а также из видимого в УФ диапазон.

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, представлены на Международных и всероссийских конференциях: LM 2002, Novosibirsk, (2002),Workshop on Atom Optics and Interferometry 2002 (Luntcren, Holland), XI- Conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia (2003), CLE02003 (USA, Baltimore), Laser Optic 2003 (St. Petersburg, Russia), 17th European Frequency and Time Forum and 2003 IEEE, International Frequency Control Symposium (Tampa, USA), Second Workshop on Cold Alkaline-Earth Atoms 2003 (Copenhagen, Denmark), CPEM 2004 (London), MPLP2004 (Novosibirsk, Russia), CLEO-Europe 2005 (Munich, Germany), CLE02006 (USA), ICON02007 (Минск, Беларусь), AMPL2007 (Томск, Россия), АПЭП 2008.

Результаты, изложенные в диссертации, доложены на семинарах Института лазерной физики СО РАН, Новосибирского Государственного Технического Университета, Института Оптики атмосферы СО РАН (г. Томск), Парижской обсерватории (BNM-SYRTE), Института Национальной метрологии Франции (INM-LNE-CNAM), Массачусетского Технологического Института (RLE-MIT, США), Пизанского университета (Италия), Института Макса Борна (Германия).

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 55 работах, 32 работы из 55 цитируются международной базой данных Scopus. Согласно Решению Президиума Высшей аттестационной комиссии Минобрнауки России от 19 февраля 2010 года №6/6 работы, процитированные SCOPUS, включены в ПЕРЕЧЕНЬ ВАК.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Общий объем — 257 страниц, в том числе 220 страниц основного текста с 96 рисунками, 2 приложений и списка литературы.

Похожие диссертационные работы по специальности «Оптика», 01.04.05 шифр ВАК

Оптимизация пространственных и спектральных характеристик многокаскадных параметрических усилителей петаваттного уровня мощности 2012 год, кандидат физико-математических наук Гинзбург, Владислав Наумович

Генерация суперконтинуума в биконических микросветоводах при накачке фемтосекундными импульсами 2006 год, кандидат физико-математических наук Кукарин, Сергей Владимирович

Параметрическое усиление и генерация в высоконелинейных волоконных световодах с непрерывной накачкой от волоконных источников 2006 год, кандидат физико-математических наук Солодянкин, Максим Алексеевич

Генерация терагерцового излучения в кристаллах с пространственно-неоднородным распределением нелинейно-оптической восприимчивости 2013 год, кандидат физико-математических наук Тучак, Антон Николаевич

Спектральные и энергетические характеристики излучения He-Ne, Ar+ и YAG-Nd3+ -лазеров с активной внутренней и внешней модуляцией 1998 год, кандидат физико-математических наук Карасев, Владимир Анатольевич

Заключение диссертации по теме «Оптика», Колкер, Дмитрий Борисович

Выводы по результатам диссертационной работы

В первой главе наиболее важными являются разделы, посвященные исследованию и разработке полупроводниковых лазерных систем с внешним резонатором. Большое внимание при разработке этих систем было уделено защите полупроводниковых диодов от помех. В первой главе диссертации не описываются влияние различных факторов (эл. поле, наводки силовых устройств и т.д.), но эти исследования проведены и в результате созданы надежные устройства, которые использовались в схемах синтеза и измерения оптических частот, а также в схеме синтеза частоты Не-Ке стандарта для фемтосекундных оптических часов (Глава I). Диодные лазеры служат «усилителями» мощности мод фемтосекундного Тк8а-лазера. Возникающее после нелинейного кристалла излучение на разностной частоте — у2|

усп4 смешивается с излучением Не-№/СН4-стандарта на частоте ус„4 и эти два излучения попадают на фотодиод. Низкочастотный сигнал биений с фотодиода на частоте | ¡V] — у2| — Усн4| подается на систему ФАЛ, сигнал ошибки с которой поступает для отработки к ТкБ-лазеру. В результате частотный интервал |У1 — у2| в его спектре, а следовательно, и Ду оказываются застабилизированными по частоте Не-№/СН4-стандарта.

Таким образом, частотные характеристики Не-Ые/СН4-стандарта переносятся в радиодиапазон без промежуточных каскадов. Схема автономна, т.е. не требует внешнего опорного генератора. При использовании частоты биений между модами, удаленными друг от друга на различные межмодовые интервалы, можно получить «гребенку» стабильных частот в оптическом диапазоне с жесткой привязкой к частотам радиодиапазона. Если это необходимо, ширина спектра Т1:8а-лазера может быть увеличена с помощью одномодового оптического или фотонного кристаллического волокна.

2) Провал интенсивности на холостой и сигнальной волне

3) Одиночный пик пропускания интерферометра Фабри-Перо

4) Хопф-нестабильности при увеличении мощности накачки

Провал интенсивности на сигнальной и холостой частотах значительно облегчает диагностику эффекта фазового самозахвата, а уширение собственной моды резонатора ПГС приведет к выгодному увеличению полосы пропускания системы фазовой привязки.

При увеличении мощности накачки в 4 раза над пороговой мощностью зарегистрированы Хопф-осцилляции. Возникновение Хопф-осцилляций является индикацией дестабилизации ПГС-ССФ.

Экспериментально исследована зависимость диапазона фазового самозахвата от длины волны накачки и от мощности накачки.

Диагностикой мультикаскадного режима в ТПГС-ССФ является:

1) Уширение собственной моды резонатора ТПГС при его сканировании;

2) Провал интенсивности на холостой и сигнальной волне;

3) Совокупность нескольких пиков пропускания интерферометра Фабри-Перо.

4) Хопф-нестабильности при увеличении мощности накачки

Исследования параметрического осциллятора с самосинхронизацией фазы в трехрезонаторной конфигурации с помощью эталонов Фабри — Перо в качестве частотных и фазовых дискриминаторов показали два режима работы ПГС-ССФ:

1) В одночастотном режиме при делении частоты на 3

2) В многочастотном режиме работы с возможностью генерации боковых частот

При наличии оптики с компенсацией дисперсии возможно получение пассивной синхронизации мод в ПГС-ССФ в ближнем и среднем ИК диапазоне в случае отстройки частоты ПГС от точки деления на три на интервал кратный межмодовому интервалу резонатора ПГС.

Признаки самосинхронизации фазы в режиме деления частоты на 3 и в многочастотном режиме, описанные выше не отличаются. В том и в другом режиме работы наблюдается провал интенсивности при сканировании резонатора ПГС и уширение собственной моды резонатора. При увеличении интенсивности накачки наблюдаются низкочастотные осцилляции, которые дестабилизируют работу ПГС-ССФ. В режиме деления на три спектры пропускания эталонов показывают одночастотный режим генерации ПГС, при отстройке частоты от режима деления на три на интервал кратный межмодовому интервалу ПГС — многочастотный режим генерации.

Пятичастотный режим генерации (наличие вторичного вложенного ПГС) открывает возможности для создания непрерывных оптических параметрических осцилляторов с любыми комбинациями частот, которые могут быть заданы величиной периода А1 и Л2 соответствующей секции в периодически поляризованной структуре из ниобата лития или КТР. При этом специальная разветвленная конфигурация в структуре нелинейного элемента позволяет перестраивать вторичный параметрический генератор в широком диапазоне, достигающем нескольких сотен нанометров. Частоты первичного ПГС не изменяются, поскольку величина периода в ПГС секции не зависит от координаты У.

Продемонстрирована компактная, эффективно перестраиваемая каскадная ПГС система, позволяющая независимо от первичного ПГС контролировать фазовый синхронизм для вторичного параметрического осциллятора. Уникальными характеристиками системы являются следующие параметры: насыщение сигнала на первичной сигнальной частоте, линейная зависимость выходной мощности от мощности накачки ПГС, перестройка по длине волны в широком (200 нм) диапазоне. Самосинхронизации фазы сигнальной и холостой волн в двухрезонаторном оптическом параметрическом осцилляторе наблюдалась, когда отношение частот накачки, сигнальной и а холостой волн находились в соотношении œp:œs:cûi = 3:2:1 . При этом пятичастотный режим осцилляций был вырожден в трехчастотный.

В перспективе система может быть использована в качестве перестраиваемого источника когерентного оптического излучения во всем диапазоне прозрачности ниобата лития для спектроскопических, метрологических, а также специальных задач.

ПГС с самосинхронизацией фазы, в которых используется принцип конкуренции двух нелинейностей х (1):Х (2)> в комбинации с фемтосекундным лазером могут быть использованы для абсолютного измерения оптических частот в широком диапазоне спектра от УФ- до среднего ИК-диапазона и для создания фемтосекундных оптических часов нового поколения.

Замена лазера накачки Verdi на Nd:YAG/I2 стандарт частоты позволит использовать данную систему в качестве автономного мультиоктавного синтезатора оптических частот.

Эффективность преобразования и перестроечные характеристики 10-OCWOC и 4-OCWOC КТР структур были экспериментально исследованы (Глава V). Экспериментальные исследования полностью подтвердили теоретические предположения о том, что 2N-OCWOC структуры ведут себя как нелинейный двулучепреломляющий фильтр. Селективность этого нелинейного фильтра будет ограничена шириной синхронизма одной пластинки. Селективность фильтра будет увеличиваться с увеличением количества пластинок в 2N-OCWOC структуре.

Наличие модуляции интенсивности на перестроечные кривых 2N-OCWOC структур не является результатом технологической ошибки при ориентации структур. Модуляция мощности второй гармоники возникает в результате воздействия функции передачи нелинейного двулучепреломляющего фильтра.

Эффект, который является следствием технологической ошибки при ориентации пластинок, приводит только к уширению полосы пропускания при угловой перестройке.

Были исследованы эффекты при апериодичной компенсации угла сноса. Апериодичная компенсация угла сноса воздействует на функцию передачи нелинейного двулучепреломляющего фильтра. Ротация на 180 градусов второй половины Ю-ОС\¥ОС структуры приводит к уменьшению мощности второй гармоники в 2 раза по сравнению с Ю-ОС\УОС структурой.

2М-ОС\УОС структуры могут быть использованы для увеличения эффективности преобразования при критическом синхронизме при использовании различных нелинейных материалов. Однако, для плоскопараллельных пучков никакого улучшения эффективности преобразования не наблюдается.

Экспериментально показано, что эффективность преобразования во вторую гармонику в 10 секционном ОС\\ЮС — кристалле с компенсацией угла сноса по сравнению с монолитным кристаллом увеличивается в 22 раза. Это позволяет повысить эффективность преобразования частот в прикладных нелинейных оптических устройствах, таких как генератор второй гармоники, генераторы суммарной и разностной частот, а также ПГС. В измерительных комплексах на основе фемтосекундного лазера (глава II) с интерферометром замена КТР кристалла на 21М-ОС\\ЮС структуру приведет к увеличению сигнала биений на частоте ^ что измерить частоту ^ напрямую без ^асккщ-осциллятора. 21Ч-ОС\\ЮС структуры на основе халькогенидов (Ы1п8е2, 1Л1п82, ЬЮа8е2) с широким диапазоном пропускания от видимого до ИК-диапазона позволяют создавать высокоэффективные преобразователи частоты в области 2-9 мкм (ПГС), как это было продемонстрировано в наших последних работах по наносекундным ПГС в 2009-2010 году[162-164].

Кристаллические структуры с компенсацией угла сноса 2>1-ОС\УОС на основе ИК-материалов являются альтернативой классическим периодическиполяризованным структурам для преобразования из видимого и ближнего ИК-диапазона в ИК-диапазон, где коммерческие периодически-поляризованные структуры уже не работают.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Колкер, Дмитрий Борисович, 2011 год

1. Spence D.E., Kean P.N., Sibbett W. Opt. Lett., 16, 42 (1991)

2. Krausz F., Fermann M.E., Brabec T., Curlet P.F., Hofer M., Ober M.H., Spielmann C., Wintner E., Schmidt A.J., IEEE J.Quantum Electron., 28, 2097 (1992)

3. Udem Th., Holzwarth R., Haensch T.W. Nature, 416, 233 (2002)

4. Knight J.C., Birks T.A., Russell P.St J., Atkin D.M. Opt. Lett., 22, 961(1996)

5. Birks T.A., Wadsworth W.J., Russell P.ST.J Opt Lett., 25 1415(2000)

6. J.-J. Zondy et al, «Theory of self-phase-locked optical parametric oscillators», Phys. Rev. A 63, pp. 023814 (2001)

7. J.-J. Zondy, «Stability of the self-phase locked pump-enhanced singly resonant parametric oscillator, Phys. Rev A67, 03581 (2003)

8. L. Longchambon et al, «Non-linear and quantum optics of a type II OPO containing a birefringent element, Part 2 : bright entangled beams generation» e-print arXiv:quant-ph№ 11123 (2003).

9. A. Douillet, J.-J. Zondy, G. Santarelli, A. Makdissi, A. Clairon, IEEE Trans. Instrum. Meas. 50, p. 548 (2001).

10. S. Schiller, R.L. Byer, J. Opt. Soc. Am. B 10, p. 1696 (1993)

11. P. Lohdahl, M. Saffman, Phys; Rev. A 60, 3251 (1999); M. Bache, P. Lohdal, A.V. Mamaev, M. Marcus, M. Saffman, Phys. Rev. A 65, p. 033811 (2002).

12. K. P. Chung, A. Marcano, J. Opt. Soc. Am. B 5, p. 2524 (1998).

13. P. Coullet, K. Emilsson, Physica D 61, p. 119 (1992).

14. L. A. Lugiato, C. Oldano, C. Fabre, E. Giacobino, R. J. Horowicz, Nuovo CimentoD 10, p. 959 (1988).

15. C. Ritchy, K. I. Petsas, E. Giacobino, C. Fabre, L. Lugiato, J. Opt. Soc. Am. B 12, 456 (1995).

16. P. Suret, D. Derozier, M. Lefranc, J. Zemmouri, S. Bielawski, Phys; Rev. A 61,p. 021805(2000).

17. A. Douillet, J.-J. Zondy, A. Yelisseyev, L. Isaenko, S. Lobanov, J. Opt. Soc. Am. В 16,p.l481 (1999).

18. S. A. Diddams, L.-S. Ma, J. Ye, J. L. Hall, Opt Lett. 24, 1747 (1999).

19. A. Einstein, B. Podolsky, R. Rozen, Phys. Rev. 47, 777 (1935).

20. M. Vaupel, A. Maitre, C. Fabre, Phys. Rev. Lett. 83, p. 5278 (1999).

21. P. Manneville, Structures dissipatives, Chaos et Turbulece, Ed. Aléa Saclay, Commissariat à l’Energie Atomique (1991).

22. M.C. Croos, P.C. Hohenberg, Pattern formation outside of equilibrium, Rev. Mod. Phys. 65, p. 851-1112(1993).

23. Z.Y. Ou, S .F. Pereira, H.J. Kimble, K.C. Peng, Phys. Rev. Lett. 68, p. 3663 (1992).

24. S. Longhi, Spiral waves in a class of optical parametric oscillators, Phys. Rev. E 63, p.055202 (2001).

25. J.-J. Zondy et all., «Dynamical signatures of self phase-locking in a triply resonant parametric oscillator», Phys. Rev. Let. Vol. 93, Number 4, 2004.

26. J.-J. Zondy and D. Kolker, Franco N.C. Wong, «Dynamical signatures of self phase-locking in a triply resonant parametric oscillator», Phys. Rev. Let. Vol 93, Number 4, 2004.

27. Параметрический осциллятор с конкуренцией двух % (2)нелинейных процессов. Очёвидный динамический признак режима деления частоты Зга—» 2а>, со.

28. J.J. Zondy, С. Bonnin, D. Lupinski, » Second-harmonic generation with monolithic walk-off-compensating periodic structures. I. Theory.» JOSA B, vol 20, No 8, August 2003.

29. JJ. Zondy, D. Kolker, C. Bonnin, D. Lupinski, » Second-harmonic generation with monolithic walk-off-compensating periodic structures. II. Experiment.» JOSA B, vol 20, No 8, August 2003, p.1695-1707.

30. J.-J. Zondy, A. Douillet, A. Tallet, E. Ressayre, M. Le Berre, Phys. Rev. A 63, 023814 (2001).

31. Д.Б.Колкер , A.K. Дмитриев, А.С.Дычков, Ж.Ж. Зонди, Франко Вонг, «Двухрезонаторный оптический параметрический осциллятор с самосинхронизацией фазы», «Автометрия» т 44, №6, стр 66-75, 2008 год.

32. D. Kolker, А. К. Dmitriyev, P. Gorelik, F. N. С. Wong and J.-J. Zondy, «Self-Phase Locking in 3-to-l Triply and Doubly Resonant Optical Parametric Oscillators», Laser Physics №6 , 2008, p 796-799.

33. Параметрический осциллятор с конкуренцией двух % (2)нелинейных процессов. Очевидный динамический признак режима деления частоты Зсо—> 2ю, ш.

34. P. V. Gorelik, F. N. С. Wong, D. Kolker, and J. -J. Zondy, «Cascaded optical parametric oscillation with a dual-grating periodically poled lithium niobate crystal,» Opt. Lett. 31, 2039-2041 (2006).

35. Д.Б.Колкер , A.K. Дмитриев, А.С.Дычков, Ж.Ж. Зонди, Франко Вонг, «Двухрезонаторный оптический параметрический осциллятор с самосинхронизацией фазы», «Автометрия» т 44, №6, стр 66-75, 2008 год.

36. D. Kolker, А. К. Dmitriyev, P. Gorelik, F. N. С. Wong and J.-J. Zondy, «Self-Phase Locking in 3-to-l Triply and Doubly Resonant Optical Parametric Oscillators», Laser Physics №6 , 2008, p 796-799.

37. Bagayev, S.N., Chebotayev, V.P., Klementyev, V.M., andPyltsin, O.I., 1991, Proc. of 10th Int. Conf. on Laser Spectroscopy (Font-Romeu), p. 91.

38. Chebotayev, V.P., Klementyev, V.M., Pyltsin, O.I., and Zakhariash, V.F., 1992, Appl. Phys. B, 54, 98.

39. Diddams, S.A., Jones, D.J., Ma, L.-Sh., et al., 2000, Opt. Lett., 25, 186.

40. G.P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics (Boston: Academic, 1989).

41. N. Tzoar and M. Jain, Phys. Rev. A, 23, 1266 (1981).

42. A.B. Fedotov, A.M. Zheltikov, A.P. Tarasevitch, M.V. Alfimov, A.A. Ivanov, L.A. Golovan., P.K. Kashkarov, A.A. Podshivalov, V.l. Beloglazov, J. Haus, and D. Von der Linde, Quantum Electronic 31, p. 387, 2001.

43. Xu, L., G. Tempea, A. Poppe, M. Lenzner, Ch. Spielmann, F. Krausz, A. Stingl and K. Ferencz, 1997, Appl. Phys. B 65, 151.

44. Xu, L., G. Tempea, A. Poppe, M. Lenzner, Ch. Spielmann, F. Krausz, A. Stingl,and K. Ferencz, 1997, Appl. Phys. B 65, p 151.

45. A. Bauch, H.R. Telle, Rep. Prog. Phys. 65, p 789 (2002)

46. H. Katori, M. Takamoto, V.G. Pal’chikov, V.D. Ovsiannikov, Phys. Rev. Lett. 91, p 173005 (2003)

47. R.W.P. Drever et al., App. Phys. B 31, p 97 (1983)

48. A. Quessada et al., J. Opt. B: Quant. Semiclass. Opt. 5, S150 (2003)

49. I. Courtillot et al., Opt. Lett. 28, p 468 (2003)

50. J.L. Hall, C.J. Bordre, Appl. Phys. Lett. 29, p 788 (1976)

51. J. Ishikawa, F. Riehle, J. Helmcke, Ch.J. Bordre, Phys. Rev. A 49, p 4794 (1994)

52. P. Lemonde et al., in Proc. of Frequency Control Symposium (IEEE, Pasadena, 1998)

53. G. Ferrari et al., Phys. Rev. Lett. 91, p 243002 (2003)

54. G. zu Putlitz, Z. Phys. 175, p 543 (1963)

55. F. Buchinger, R. Corriveau, E.B. Ramsay, Phys. Rev. C 32, p 2058 (1985)

56. A.A. Celikov, A.M. Akulshin, V.L. Velichanski, A.S. Zibrov, Laser Phys. 5, p 739 (1995)

57. C.W. Bauschlicher, S.R. Langhoff, H. Patridge, J. Phys. B 18, p 1523 (1985)

58. I. Sobelman, Atomic spectra and radiative transitions (Springer-Verlag, 1979)

59. P. T. Nee «Optical Frequency Division via Periodically-Poled-LiNbO 3 -Based Nonlinear Optics», MIT, (1999).

60. J. J. Zondy, A. Douillet, Physical Review A, 63, 023814 (2001).

61. J. J. Zondy, Physical Review A, 67, 035801 (2003).

62. J. J. Zondy, D. Kolker, N. C. Wong, Physical Review Letters, 93, 043902 (2004).

63. A. Yariv, Optical Electronics in Modern Communications, Oxford University Press, New York, NY, (1997) pp. 273-282

64. M. L. Bortz, M. L. Arbore, M. M. Fejer, Optics Letters, 20, 49 (1995)

65. M. M. Fejer, G. A. Magel, D. H. Jundt, R. L. Byer, IEEE Journal of Qunatum Electronics, 28, 2631 (1992).

66. L. E. Myers, et al, Journal of Optical Society of America B, 12, 2101 (1995).

67. M. Yamada, N. Nada, M. Saitoh, K Watanabe, Applied Physics Letters, 62, 435 (1993).

68. W. K. Burns, W. McElhanon, L. Goldberg, Photonics Technology Letters, 6, 252 (1994).

69. D. H. Jundt, Optics Letters, 22, 1553 (1997).

70. R. Graham, H. Haken Zeitschrift fur Physik, 210, 276 (1968).

71. D. Lee, N. C. Wong, Journal of Optical Society of America, 10, 1659 (1993).

72. E. J. Mason, N. C. Wong, Optics Letters, 23, 1733 (1998).

73. N. C. Wong, Physical Review A, 45, 3176 (1992).

74. A. E. Siegman, Lasers. University Science Books, Sausalito, CA., 1986

75. M. Vaidyanathan, R. C. Eckardt, V. Dominic, L. E. Myers, T. P. Grayson, Optics Express, 1, 49 (1997).

76. R. C. Eckardt, C. D. Nabors, W. J. Kozlovsky, R. L. Byer, Journal of Optical Society of America B, 8, 646 (1991).

77. I. Shoji, T. Kondo, A. Kitamoto, M. Shirane, R. Ito, Journal of the Optical Society of America B, 14, 2268 (1997).

78. V. D. Volosov, and A. G. Kalintsev, Optimum optical second-harmonic generation in tandem crystals, Sov. Tech. Phys. Lett. 2, pp 373-375 (1976).

79. L. K. Samantha, T. Yanagawa, and Y. Yamamoto, Technique for enhanced second harmonic output power, Opt. Commun. 76, pp250-252 (1993).

80. J.-J. Zondy, M. Abed, and S. Khodja, Twin-crystal walkoff-compensated type-II secondharmonic generation: Single-pass and cavity-enhanced experiments in KTP, J. Opt. Soc. Am. B 11, pp 2368-2379 (1994).

81. J.-J. Zondy, Experimental investigation of single and twin AgGaSel crystals for cw 10.2 fxm SHG, Opt. Commun. 119, pp 320-326 (1995).

82. K. Stoll, J.-J. Zondy, and O. Acef, Fourth-harmonic generation of a continuous-wave COO. laser by use of an AgGaSe2/ZnGeP2 doubly resonant device, Opt. Lett. 22, ppl302- 1304(1997).

83. D. J. Armstrong, W. J. Alford, T. D. Raymond, and A. V. Smith, Parametric amplification and oscillation with walkoff-compensating crystals, J. Opt. Soc. Am. B 14,/?/? 460-474 (1997).

84. E. Roiss’e, E. Louradour, O. Gay, V. Couderc, A. Barth’el’emy, Walk-off and phasecompensated resonantly enhancedfrequency-doubling ofpicosecond pulses using type-II nonlinear crystals, Appl. Phys. B 69, pp 25-27 (1999).

85. T. Kaing, J.-J. Zondy, A. P. Yelisseyev, S. I. Lobanov, and L. Isaenko, Improving the power and spectral performance of a 27-33 Thz AgGaSl difference-frequency spectrometer, IEEE Trans. Instrum. & Meas. 48, pp 592-595 (1999).

86. R. B. Andreev, K. V. Vetrov, V. D. Volosov, and A. G. Kalimtsev, Three-wave parametric processes in multicrystal nonlinear frequency converters, Opt. Spectrosc. 65, pp 90-93 (1988).

87. M. Brown, Increased spectral bandwidths in nonlinear conversion processes by use of multicrystal designs, Opt. Lett. 23, pp 1591-1593 (1998).

88. A. V. Smith, D. J. Armstrong andW. J. Alford, Increased acceptance bandwidths in optical frequency conversion by use of multiple walk-off-compensating nonlinear crystals, J. Opt. Soc. Am. B 15,pp 122-141 (1998).1. Содержание работы

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.

Научная электронная библиотека disserCat — современная наука РФ, статьи, диссертационные исследования, научная литература, тексты авторефератов диссертаций.

Спонтанное и вынужденное излучение. Оптические квантовые генераторы

Лекции 9,10

Люминесценция

Наряду с температурным лучеиспусканием наблюдается свечение тел, вызванное превращением других форм энергии в световую — люминесценция. В зависимости от источника энергии различают: хемилюминесценцию, электролюминесценцию и фотолюминесценцию

Изучая свечение фосфора, гнилых деревьев, светлячков, В. В. Петров доказал, что оно обусловлено горением, окислением этих тел или составных его частей. При этом энергия химической реакции окисления частично превращается в световую — хемилюминисценция.

В электрическом разряде энергия, накопленная ионами и электронами, движущимися в электрическом поле, при их соударениях может излучаться в виде света — электролюминесценция.

При фотолюминесценции энергия поглощенного телом света затем вновь испускается в виде света обычно большей длины волны. Если свечение прекращается почти одновременно с прекращением свечения, то это — флуоресценция. Для других веществ (преимущественно твердых тел) имеет место затухающее послесвечение (минуты, часы) –фосфоресценция. При фотолюминесценции энергия поглощенного фотона может частично растрачиваться на различные внутримолекулярные процессы и отдаваться соседним молекулам. Поэтому энергия испускаемого фотона hn может оказаться меньше, чем hn, на величину A, оставшуюся в веществе, т.е.: . Обычно A>0, т.е. , и — правило Стокса. С повышением температуры могут наблюдаться антистоксовы случаи ( ), как и в явлении комбинационного рассеяния. Поскольку не все поглощенные телом фотоны «высвечиваются» обратно, то отношение излучаемой энергии к поглощенной люминесцирующим веществом, называется выходом (h) люминесценции. С.И.Вавилов установил, что выход люминесценции сначала растет пропорционально длине волны возбуждающего света, в некотором интервале выход остается постоянным, а затем быстро падает, как показано на рис.60. Это – закон Вавилова.

Люминесценция – это неравновесное излучение, избыточное над тепловым излучением тела и имеющее длительность, большую периода световых колебаний.

Спонтанное и вынужденное излучение. Оптические квантовые генераторы

Рассмотрим излучение газа, достаточно разреженного для того, чтобы можно было не считаться с влиянием взаимодействия между атомами на допустимые энергии стационарных состояний. Пусть газ находится в равновесном состоянии. Это не означает, что все его атомы имеют наименьшую энергию E1 . Вследствие действия внешних факторов и соударений (хотя и редких) атомов друг с другом, часть атомов может перейти в возбужденное состояние с E2, рис.60. Для многочисленного коллектива атомов можно утверждать, что имеется определенная вероятность такого перехода. Если в единице объема имеется N атомов в состоянии с E1 , то число атомов, переходящих в некоторое возбужденное состояние с E2 за время dt, определится:

где A12 — коэффициент, определяющий вероятность перехода, рис.60. Знак минус указывает на убыль атомов в основном состоянии. Но возбужденные атомы могут вернуться в исходное состояние, излучив энергию E2 — E1, причем, если вероятность обратного перехода равна A 21 , число атомов, переходящих в невозбужденное состояние, окажется равным:

где N20 -концентрация атомов в момент t=0. A12 и A21 коэффициенты Эйнштейна для спонтанного излучения. В данном случае рассматривается только два энергетических состояния атомной системы, так называемая двухуровневая система.

Акты перехода отдельных атомов в невозбужденное состояние совершенно не зависят друг от друга, поэтому получаемое излучение будет монохроматичным, но не будет когерентным. Это излучение происходит самопроизвольно и называется спонтанным. Эйнштейн в 1916 г. указал на возможность другого типа излучения — вынужденного (самоиндуцированного). Оно возникает в случае, если атомы находятся в переменном электромагнитном поле, от которого могут получать дополнительную энергию. Число атомов, поглощающих эту энергию, пропорционально плотности энергии поля w, числу невозмущенных атомов N и промежутку времени dt

Однако под влиянием поля возбужденные атомы могут отдавать избыточную энергию в виде излучения, и число таких атомов будет равно:

где — число возбужденных атомов, В12 и В21 — соответствующие вероятности переходов (коэффициенты Эйнштейна), характерные для вынужденного поглощения и излучения.

При вынужденном излучении может произойти новое важное явление: Под влиянием фотона, энергия которого равна энергии фотонов, излучаемых данными атомами (это может быть фотон, испущенный одним из атомов вещества), возбужденные атомы сами будут излучать фотоны той же частоты, и это излучение окажется когерентным с падающим излучением.

В обычных условиях относительное число возбужденных атомов тем меньше, чем больше необходимая энергия возбуждения, и оно всегда мало по сравнению с числом атомов, находящихся в невозбужденном состоянии (N 2 -3 сек вместо 10 -9 сек). Пусть E1, как показано на рис.62, соответствует энергии невозбужденного состояния атома. Пусть, кроме того, имеется много уровней с энергиями Е>>Е2 (нормальное время пребывания t1) и уровень Е2 (увеличенное время пребывания t2) .Воздействуем на вещество когерентным излучением с энергией E >E3; в результате поглощения фотонов многие атомы перейдут в состояние с E3 , а оттуда частично в состояние с E2 и частично вернутся в невозбужденное состояние. Т.к. t 2 относительно велико, то здесь может накопиться значительное число атомов. При достаточной интенсивности некогерентного воздействующего излучения (накачки) в состоянии 2 может оказаться достаточно много атомов. Если их будет больше, чем в состоянии 1, т.е. осуществится так называемая инверсная заселенность, или число переходов из состояния 2 в состоянии 1 будет превышать число переходов 1-2 (накачка таких переходов не вызывает, так как не содержит соответствующих им фотонов), то излучение энергии с частотой: будет преобладать над соответствующим поглощением (отрицательное поглощение).

При выполнении этих условий, т.е. после искусственного заселения уровня 2, под влиянием фотонов с этой частотой (переменного электромагнитного поля) может возникнуть вынужденное излучение, и большое число атомов быстро отдает свою энергию в виде когерентного излучения той же частоты.

Излучение может быть импульсным, если заселение уровня 2 производить через определенные промежутки времени, или же непрерывным, если это заселение производить постоянно.

Созданные на этом принципе когерентные источники света — лазеры — появились сравнительно недавно. Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated emission of Radiation,что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена та фундаментальная роль процессов вынужденного (индуцированного) испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Активную среду с инверсной заселенностью энергетических уровней атомов при этом помещают между двумя строго параллельными зеркалами, рис.63 — это так называемый резонатор. Одно из этих зеркал отражает свет полностью (S1), второе (S2) — полупрозрачное. Рожденные в усиливающей среде фотоны, летящие почти перпендикулярно поверхности зеркал, испытывают между ними многократное отражение и тем самым создается усиление эффекта вынужденного излучения. Поэтому из полупрозрачного зеркала выходит очень узкий, почти параллельный пучок когерентного, линейно-поляризованного света.Угол раствора выходящего пучка очень мал – 2-3 угловых секунды.

Интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в СССР и США вплотную подвели ученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера. Успех выпал на долю американского физика Т. Меймана. В августе и сентябре 1960 года в двух английских журналах появились его сообщения о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне волн. Первый образец лазера выглядел достаточно скромно: маленький рубиновый кубик (размером 1х1х1 см), две противоположные грани которого имели серебреное покрытие (они играли роль зеркал резонатора), периодически облучался зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности, которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одном из посеребренных граней кубика.

В том же 1960 году американским физикам А. Джавану, В. Беннету и Д. Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в газовом разряде (рабочим веществом служила смесь гелия и неона). Начиная с 1961 года лазеры различных типов (твердотельные и газовые) прочно «поселяются» в оптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 годах в СССР и США одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры.

С появлением лазеров удалось, наконец, осуществить голографическую запись теоретически предложенную в 1948 году французским физиком Габором. Стремительно начинает развиваться новое направление в оптике – нелинейная оптика. В 1961 году американский физик П. Франкен наблюдал в кристалле кварца генерацию второй гармоники излучения рубинового лазера. Проанализировав результаты опыта П. Франкена, советские физики С.А. Ахманови Р.В. Хохлов установили в 1962 году условия, при которых различные нелинейно-оптические явления (и в частности генерация оптических гармоник) должны протекать более эффективно; они же выдвинули идею параметрической генерации света. В период с 1961 по 1963 год были выполнены фундаментальные теоретические работы по нелинейной оптике группой советских ученых, возглавляемой Р.В. Хохловым, а также группой американских ученых, возглавляемой Н. Бломбергеном. В 1965 году вышла в свет фундаментальная монография С.А. Ахманова и Р.В. Хохлова «Проблемы нелинейной оптики».

К 1965 году нелинейная оптика сформировалась как развитое, самостоятельное направление современной оптики. К этому времени появились достаточно эффективные генераторы оптических гармоник и перестраиваемые параметрические генераторы света.

И лазерная техника, и оптическая голография, и нелинейная оптика находятся сейчас в стадии интенсивного развития. С полным основанием можно гордится тем, что среди основателей этих научно-технических направлений видное место занимают отечественные ученые: Н.Г. Басов, А.М. Прохоров, В.А. Фабрикант, С.И. Вавилов, Р.В. Хохлов, С.А. Ахманов, Ю.Н. Денисюк, Г. Аскарьян, Б.М. Вул и многие другие. Выражением международного признания вклада советских ученых в создание и развитие квантовой электроники явилось присуждение в 1964 году Нобелевской премии академикам Н.Г. Басову и А.М. Прохорову.

Добавить комментарий