НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА КРИСТАЛЛЫ КДП ЭЛЕМЕНТЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ

НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА КРИСТАЛЛЫ КДП

ЭЛЕМЕНТЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ В уравнения Максвелла входят поля E и D, В и Н. Они связаны между собой материальными уравнениями Величины ε и μ зависят от вещества, в которой поле распространяется, от частоты света, они могут быть скалярными (изотропная среда ) или тензорными (анизотропная среда) величинами.

Оптику слабых (в указанном выше смысле) полей называют линейной оптикой, а оптику сильных полей – нелинейной оптикой. «Сильное поле» – это поле, сравнимое с внутренними атомными и молекулярными полями. Оценим такое поле. Поле между электроном и ядром в атоме водорода. В молекулах поле меньше. Таким образом сильное поле – это поле, порядка 109 вольт/см. Что дают обычные (не лазерные) источники света? Среднее поле солнечного излучения вблизи поверхности Земли равно 7, 2 вольт/см. Таким образом, нелазерные источники света характеризуются полями до 10 вольт/см, т. е. много меньше «сильных» полей. В этом случае независимость диэлектрической постоянной от поля Е выполняется с большой точностью. Случай сильных полей до открытия лазеров считался лишь умозрительным и всерьез не исследовался. Начиная с 1960 г (изобретение ОКГ) положение изменилось – лазеры позволяют получать свет, в котором 107 вольт/см.

НЕЛИНЕЙНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ Эффект генерации суммарных частот заключается в том, что при поступлении в среду излучений на частотах ω1 и ω2 на выходе возникает электромагнитная волна с частотой ω3. ω1 + ω2 = ω3 Если ω1 = ω2 = ω, т. е. в среду поступает волны одной частоты, то излучение на суммарной частоте является их второй гармоникой ω + ω = 2ω

НЕЛИНЕЙНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ Рассмотрим причину появления этого эффекта. Взаимодействие световой волны с веществом на классическом языке описывается вектором поляризации Р. Эта поляризация, вообще говоря, является некоторой функцией Р = f(Е) напряженности электрического поля Е световой волны. В приближении соответствующем области линейной оптики поляризация связана с напряженностью поля Е линейно Р = k. Е

НЕЛИНЕЙНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ Такое приближение достаточно хорошо работает для не очень высоких значений Е, т. е. для интенсивностей обеспечиваемых обычными, не лазерными источниками света даже самыми мощными. При воздействии на среду лазерного излучения с достаточно высокой плотностью потока соотношение (4) может уже не выполняться. Если отличие связи поляризации Р и поля Е от линейной не слишком велико (а именно так обстоит дело даже в сильных лазерных полях), то функцию Р = f(Е) можно представить в виде ряда Р = k. Е + χЕЕ + υЕЕЕ + …

НЕЛИНЕЙНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ Р = k. Е + χЕЕ + υЕЕЕ + … Следует отметить, что запись разложения в достаточной степени условна, т. к. величины, χ и υ, вообще говоря, являются тензорами соответственно 2 -го, 3 -го и т. д. рангов.

НЕЛИНЕЙНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ Е = Аcos(ωt – kz) Действительно, второй член ряда (3. 5) можно представить в виде χЕ 2 = 0, 5χА 2 + 0, 5χА 2 cos 2(ωt – kz)

УСЛОВИЕ ФАЗОВОГО СИНХРОНИЗМА Генерация излучения на суммарной (или разностной) частоте происходит наиболее эффективно, если волна с частотой ω3, приходящая к данному элементу объема от предшествующих элементов, находится в нужной фазе с излучением на этой же частоте, которое порождается в этом элементе объема. Интенсивность генерации в таком случае возрастает на несколько порядков, поскольку ее накопление происходит по всей длине нелинейной среды. Такое благоприятное соотношение фаз реализуется, если для волновых векторов выполняется равенство k 1 + k 2 = k 3

ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ГАРМОНИКИ (ГВГ) Как уже упоминалось, ГВГ есть частный случай для взаимодействия вида (3. 2) когда ω1 = ω2 = ω. Условие коллинеарного фазового синхронизма, когда волновые вектора лежат на одной прямой, можно записать так k + k = k 2 где kω, 2ω – есть модули векторов kω, 2ω. Величина k называется волновым числом. Если волна распространяется в среде с показателем преломления n, то k = 2πn/λ. Учитывая это из уравнения (3. 8) получим nω + nω = 2 n 2ω, т. е. для выполнения условия синхронизма при ГВГ необходимо чтобы в нелинейной среде nω = n 2ω

ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ГАРМОНИКИ (ГВГ) Интенсивность излучения второй гармоники при точной настройке на синхронизм пропорциональна квадрату интенсивности основной частоты и квадрату длины нелинейного кристалла I 2ω = a(Iω)2 l 2 Коэффициент a = a(χ, ωi, ni) характеризует «качество» нелинейного оптического кристалла. Он зависит от нелинейной поляризуемости среды χ (см. разложение 3. 5)), от частот взаимодействующих волн ωi и от показателей преломления среды ni на этих частотах.

ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ГАРМОНИКИ (ГВГ) Практическим результатом исследований генерации суммарных частот явилось создание высокоэффективных (с КПД более 50%) удвоителей частоты лазерного излучения и каскадных умножителей для генерации третьей, четвертой, пятой и более высоких гармоник. Эти устройства находят широкое применение в самых разных областях науки и техники.

ГЕНЕРАЦИЯ СУММАРНЫХ ЧАСТОТ (ГСЧ) Для общего случая генерации суммарных частот выполнение условия фазового синхронизма в определенных направлениях распространения их в анизотропных кристаллах можно проиллюстрировать при помощи поверхностей волновых векторов в отрицательном одноосном кристалле. Конфигурация поверхностей волновых векторов аналогичны конфигурации поверхностей показателей преломления в этом кристалле. На рис. 3. 2 показаны сечения поверхностей волновых векторов плоскостью XZ, когда ось Z параллельна оптической оси С. Пусть в процессе ω1 + ω2 = ω3 волны с частотами ω1 и ω2 имеют линейную поляризацию и распространяются в кристалле как обыкновенные волны

КРИСТАЛЛ KDP

КРИСТАЛЛ KDP Кристаллы дигидрофосфатов щелочных ионов (КН 2 РО 4, Rb. H 2 PO 4 и др. ) или аммония (NH 4 H 2 PO 4) являются одними из наиболее важных, используемых в нелинейной оптике. Применение кристаллов для создания электрооптических элементов и для удвоителей частоты, несмотря на их относительно невысокую оптическую нелинейность, определяется двумя основными факторами: 1) эти кристаллы обладают высокой лучевой стойкостью к воздействию лазерных импульсов с высокой плотностью мощности; 2) кристаллы группы KDP могут быть получены больших размеров (масса кристалла может достигать десятков килограмм) и высокого оптического качества.

КРИСТАЛЛ KDP

КРИСТАЛЛ KDP

КРИСТАЛЛ KDP

ВЫРАЩИВАНИЕ МЕТОДОМ ОХЛАЖДЕНИЯ РАСТВОРА В этом методе пересыщение раствора достигается за счет его переохлаждения. Для рассматриваемых кристаллов для начала роста грани призмы {100} характерно наличие порогового переохлаждения. Это обеспечивает рост граней пирамиды при отсутствии роста граней призмы и получение кристаллов, ограненных гранями призмы. Снижение температуры раствора ведется со скоростью 0, 05. . . 0, 1 град/ч в начальный период роста кристалла и 0, 3 град/ч в конце процесса. Скорость вращения затравки составляет 80. . . 100 об/мин. Кристаллы массой порядка 400 г вырастают в кристаллизаторах объемом 3 л в течение 1, 5. . . 2 мес.

СКОРОСТНОЕ ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ Обычно скорость выращивания кристаллов группы KDP составляет 0, 5. . . 1 мм/ч. В последнее время разработан метод выращивания, в котором скорость роста на порядок выше. Увеличение скорости роста обычно сопровождается повышением дефектности кристалла, в частности, повышением концентрации включений материнского раствора. При слоистом росте образование включений связано в основном с появлением на поверхности кристалла макроступеней, причина появления которых - непостоянство пересыщения на разных участках растущей поверхности.

СКОРОСТНОЕ ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ Специальные меры по устранению зародышеобразования позволяют увеличить пересыщение настолько, что скорость кристаллизации может достигать 10. . . 60 мм/сут и полученные кристаллы оказываются достаточно высокого качества.

Начало просмотра ролика про выращивание кристаллов КДП

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ОСЕЙ. Для определения направления осей происходит срез двух противоположных граней для просвета и составления коноскопической карты. Далее после определения нужного направления, срезается и выравнивается плоскость, которая в последствии и считается базой.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ОСЕЙ. Схема образования коноскопического изображения в микроскопе (формирование деи ствительного изображения).

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА Различают промежуточный и окончательный контроль чистоты поверхностей оптических деталей. Промежуточный контроль осуществляется в процессе изготовления детали и заключается в осмотре обработанной (обычно матовой) поверхности с целью обнаружения на ней повреждений, которые не могут быть удалены последующей обработкой (например, следы обработки предыдущим абразивом, глубокая царапина или закол).

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА После определения направления осей делается срез эталонной плоскости. Далее по этой плоскости деталь приклеивается на план-шайбу. Для существенного повышения производительности труда в серии ном производстве применяется блочная обработка ОД.

КОНТРОЛЬ ТОРЦОВ Контроль сферических и плоских полированных оптических поверхностеи осуществляют с помощью пробных стекол на рабочем месте и в ОТК: сравнивают кривизну контролируемои поверхности детали с кривизнои измерительнои поверхности пробного стекла.

КОНТРОЛЬ ТОРЦОВ Контроль местных ошибок поверхностеи пробным стеклом: а — местная «яма» ; б — местныи «бугор» ; в — приподнятыи краи ; г — срыв края.

ШЕРОХОВАТОСТЬ Рефлектометр

ШЕРОХОВАТОСТЬ Рефлектометрический метод использует в своей основе закон Ламберта JА = JE cosα cosβ, где JE — интенсивность падающего излучения; JА — интенсивность отраженного излучения; α — угол падения направленного излучения; β — угол, под которым рассматривают отраженное излучение. Для шероховатой поверхности зеркальная составляющая отраженного излучения увеличивается с увеличением длины волны света и угла падения. Рефлектометр

ОТКЛОНЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТОРЦОВ Гониометр — прибор для измерения углов между гранями кристаллов (в кристаллографии; см. также огранка). Бывают гониометры прикладные и отражённые. Первые прикладывают непосредственно к кристаллу, вторыми углы измеряют с помощью луча, который отражает грань кристалла.

ОТКЛОНЕНИЕ ОТ ЦИЛИНДРИЧНОСТИ Биение вращающихся частей определяют индикатором часового типа. Для измерения радиального биения вала индикатор устанавливают на плоскость разъема подшипникового стояка либо на другое жесткое основание.

НАНЕСЕНИЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ Просветляющие оптические покрытия (AR) - являются важной составляющей оптических систем состоящих из большого количества линз или других оптических компонентов, где необходима максимально возможная энергия света.

НАНЕСЕНИЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ Диаграмма пропускания покрытия для Al 2 O 3