Свойства лазерного излучения 1 Коллимация лучей Испытывают усиление

Свойства лазерного излучения. 1. Коллимация лучей. Испытывают усиление только лучи перпендикулярные зеркалам резонатора. Дифракция на оправе зеркал определяет расходимость пучка δϕ~λ/D 2. Монохроматизация лучей. Оптический резонатор – колебательная система, в которой собственные нормальные колебания (т. н. моды) представляют стоячие э. -м. волны с узлами на зеркалах. Частота моды – из условия 2 L=mλ. Частотная зависимость усиления (спектральный контур усиления α(ω)): На спектральном контуре могут укладываться несколько мод. Если контур симметричный – излучение одномодовое, если не – то многомодовое. Лекция 1. Лазеры 1

Для многомодового режима условие усиления выполняется для: многомодовый лазер одномодовый лазер светодиод 3. Когерентность. Вытекает из сути вынужденного излучения. Для He-Ne лазера с длиной резонатора 1 м теоретическая ширина линии генерации Δν~5*10 -4 Гц, что соответствует времени ког. τ~ 2*103 с, длине ког. l~6*1011 м. Практически достижимое значение Δω/ω~10 -14 – 10 -16. Наблюдается практически полная пространственная когерентность. 4. Новое, более высокое качество излучения – прорыв в новые области физики нано- (10 -9) и фемто (10 -15) диапазона длительностей. Лекция 1. Лазеры. 2

Устройство и принцип работы рубинового лазера 1 – «глухое» зеркало резонатора; 2 – Xe лампа накачки; 3 – активный элемент (кристалл рубина); 4 – частично прозрачное зеркало; 5 – батарея накопительных конденсаторов; 6 – источник высокого напряжения. Рубин – кристалл корунда (Al 2 O 3) с примесью 0. 05% ионов Cr 3+. Рубиновый Л. – исторически первый (1960 г, Мейман) твердотельный лазер. Лекция 1. Лазеры 3

Устройство и принцип работы He-Ne лазера В 1961 г Джаваном, Беннетом и Эрриотом был создан первый газовый лазер на смеси He и Ne. Смесь He и Ne в молярном соотношении 5: 1 при давлении 102 -103 Па. Инверсная населенность и лазерная генерация на уровнях Ne, He только передает энергию. Возбуждение уровней He Е 2’ и E 3’ производится за счет электронного удара в тлеющем разряде. Уровни E 3 и E 2 Ne практически совпадают с штрихованными значениями уровней He и за счет столкновений идет передача энергии от He к Ne. E 2 и E 3 метастабильные. Рабочие длины волн: 633, 1153 и 3391 нм. Выбор длины волны осуществляется расчетом рабочей области диэлектрических зеркал. Лекция 1. Механика. Элементы кинематики 4

Устройство и принцип работы лазера на красителе Рабочие области лазеров на красителе. 5

Устройство и принцип работы полупроводникового лазера Лазер на p-n переходе Лазер на гетеропереходе 6

Прочие типы лазеров Газодинамический лазер. Рабочая среда – смесь газов CO 2, N 2, H 2 O в пропорциях 7, 5: 91, 7: 1, 2 при температуре до 2000 К. Устанавливается на выходном сопле турбореактивного двигателя. Средняя мощность излучения в многомодовом режиме сотни к. Вт, одномодовом режиме – 30 к. Вт 7

Фотоэлектрический эффект Фотоэффект был обнаружен Г. Герцем в 1887 г. Сообщение в работе: "О влиянии ультрафиолетового света на электрический разряд» Подробно исследовал фотоэффект А. Г. Столетов Опыты Столетова: Лекция 2. Фотоэффект 8

Результаты опытов Столетова Выводы: 1. Iнас ~ Ф. N электронов, освобождаемых за 1 с ~ мощности излучения; 2. Для каждого Ме существует красная граница фотоэффекта – макс. λ при которой еще происходит освобождение электронов независимо от интенсивности света; 3. Максимальная энергия фотоэлектрона зависит от ν падающего света и не зависит от его интенсивности. Лекция 2. Фотоэффект 9

Обоснование Эйнштейном фотоэффекта Проблема классического подхода к фотоэффекту - энергия фотоэлектрона должна зависеть от интенсивности падающего света. В квантовой теории: 1. Падающее излучение – поток фотонов с E=hν; 2. При малых интенсивностях вся энергия фотона передается одному фотоэлектрону; 3. Если энергия фотона < А, то фотоэффект не наблюдается – красная граница ф. э. 4. Закон сохранения энергии в ф. э. (уравнение Эйнштейна): Подтверждение – опыт Милликена (1916 г, Нобелевская премия) Максимальная энергия ф. электронов м. б. найдена из Uзад По наклону прямой Uзад = f(ν) можно найти постоянную Планка. Лекция 2. Фотоэффект 10

Внешний фотоэффект 1. Вакуумный фотоэлемент 2. Фотоэлектронный умножитель Усиление сигнала 103 -106 раз Принцип работы – усиление тока фотоэлемента за счет вторичной электронной эмиссии на динодах. Лекция 2. Фотоэффект 11

Внешний фотоэффект 3. Микроканальная пластина ЭОП на основе МКП АСМ скан поверхности МКП Лекция 2. Фотоэффект 12

ЭОП на основе МКП 1 – фотокатод 2 – анод 3 – микроканальная пластина 4 – экран 4. Электронно-оптический преобразователь 1 – фотокатод 2 – манжета 3 – корпус 4 – фокусирующий электрод 5 – анод 6 – экран Лекция 2. Фотоэффект 13

Внешний фотоэффект 1. Иконоскоп - первая передающая телевизионная трубка 1 – оптическая система; 2 – отклоняющая система; 3 – электронная пушка; 4 - коллектор; 5 – мозаичный фотокатод; 6 – сигнальная пластина; 7 – вывод сигнальной пластины. Лекция 2. Фотоэффект 14

Внутренний фотоэффект 1. Фотосопротивление 1 – подложка; 2 – п/п; 3 – металл электроды; 4 – защитный лак. 2. Фотодиод Лекция 2. Фотоэффект 15

Внутренний фотоэффект 3. Фотовольтаические приборы Лекция 2. Фотоэффект 16

Многоканальные приемники излучения ПЗС – прибор с зарядовой связью Принцип действия – «пожарные цепочки» . В первых ПЗС преобразование света в электрический сигнал и его передача осуществлялась в ПЗС структурах. В современных устройствах преобразование осуществляется в фотодиодах, а ПЗС используется только для передачи. Блюминг – свойственный ПЗС эффект построчного (или по столбцам) растекания избыточного заряда. Лекция 2. Фотоэффект 17

Линейные (одномерные) приемники Лекция 2. Фотоэффект Матричные (двумерные) 18

Нелинейная оптика. Основные понятия Для малых Е в материальных уравнениях поляризованность линейно зависит от Е: Р = χЕ Е должно быть меньше внутриатомных полей: Размер атома а~10 -8 см, тогда Еа~108 -109 В/см Для обычных источников напряженность поля достигает 0. 1 – 10 В/см, т. е. значительно меньше напряженности внутриатомных полей. Для лазеров напряженность поля составляет 108 -109 В/см, что уже сравнимо с величиной внутриатомных полей. Модель гармонического осциллятора неприменима – колебания не могут считаться малыми. Появляются принципиально новые некогерентные и когерентные нелинейные эффекты. Лекция 3. Нелинейная оптика 19

Некогерентные нелинейные эффекты Нелинейное насыщение (просветления нелинейной поглощающей среды) впервые обнаружено С. И. Вавиловым в 1925 г. При ↑ I света коэффициент поглощения уранового стекла уменьшался ~ на 1. 5%. Вероятность вынужденных переходов приближается к вероятности спонтанных релаксационных переходов. Эффект многофотонного поглощения – сильный свет испытывает большее ослабление, чем слабый. Энергия перехода между уровнями может складываться из энергии нескольких фотонов. В результате можно получить нарушение закона Стокса – спектр люминесценции д. б. сдвинут в красную область относительно спектра возбуждения. Пример – люминофоры для визуализации ИК излучения, светодиод АЛ 360. Многофотонный фотоэффект. За счет поглощения нескольких фотонов (до 7 -8) света высокой интенсивности может произойти фотоионизация при малой частоте возбуждающего света. Красная граница фотоэффекта при этом исчезает или смещается в область больших λ. Лекция 3. Нелинейная оптика 20

Материальные уравнения нелинейной среды Уравнение смещения электрона в поле световой волны: Модель Томсона: F- возвращающая сила. Ее вид зависит от выбранного приближения. Коэффициенты k, β и δ зависят от строения молекул вещества. Линейное: Нелинейное: Тогда уравнение движения электрона в атоме: Если слагаемые βx 2 и δx 3 носят характер малых поправок, то уравнение движения электрона можно решать методом последовательных приближений. В нулевом приближении уравнение движения электрона: а его решение: Линейная поляризуемость: Лекция 3. Нелинейная оптика 21

Материальные уравнения нелинейной среды В правую часть вместо х подставим х0(t): Решаем полученное линейное уравнение с учетом, что: Полученное решение содержит помимо основной частоты ω слагаемые с кратными частотами 2ω и 3ω. Значит, что возможно нелинейное преобразование частоты. Лекция 3. Нелинейная оптика 22

Материальные уравнения нелинейной среды Объединим в решении х(t) слагаемые с одинаковой степенью ω и запишем поляризуемость: В линейном приближении поляризованность линейно зависит от Е: В нелинейной среде появляются слагаемые, зависящие от более высоких степеней Е: i, k, l, m – пробегают значения декартовых координат x, y, z χik - линейная; χikl – квадратичная; χiklm – кубичная восприимчивости являются f(ω). Причины нелинейностей в различных средах: 1. Т. Т. – электронный механизм; 2. Жидкости, газы – изменение концентрации (электрострикция) и ориентации молекул (эффект Керра); Упрощенный подход: Тогда поляризованность примет вид: Лекция 3. Нелинейная оптика 23

Самофокусировка и самоканализация лазерного луча Рассмотрим распространение пучков ограниченного сечения в нелинейной среде. На частоте ω дают вклад 1 -й и 3 -й слагаемые. Тогда показатель преломления среды: n 0 – линейный показатель преломления, n 2 – коэфф. зависящий от χ3. В среде создается оптическая неоднородность. Предельный угол полного внутреннего отражения: Конкурирующий процесс – дифракционная расходимость пучка: При θдиф > θ 0 происходит дифракционное расхождение При θдиф = θ 0 происходит самоканализация пучка. Пороговое значение амплитуды волны: При θдиф < θ 0 происходит самофокусировка излучения Лекция 3. Нелинейная оптика 24

Для луча рубинового лазера в сероуглероде пороговая мощность самоканализации составляет 20 к. Вт. В некоторых стеклах Р =1 Вт. пор В поперечном сечении реальных световых пучков энергия распределена неоднородно с максимумом на оси – что усиливает эффект самофокусировки. Самофокусировка имеет лавинообразный характер. После первого фокуса могут образовываться вторичные фокусы. При возрастании мощности их число увеличивается и они перемещаются против хода луча. Лекция 3. Нелинейная оптика 25

Найденная поляризованность Р входит в состав системы уравнений Максвелла в материальной среде. При подстановке ур-я М. тоже становятся нелинейными. Нелинейность ур-й М. означает нарушение принципа суперпозиции (независимость световых пучков). Для удобства разделим Р на линейную и нелинейную компоненты: Тогда вектор эл-й индукции: ε(ω) выражается только через линейную χ , след-но аналогично ε(ω) в линейном приближении. Тогда при записи системы ур-й М. справа останутся только нелинейные слагаемые, а линейные компоненты будут содержаться в D. Система решается методом послед. приближения: Первый этап – нулевое прибл. , когда нелинейные части отбрасываем. Получаем решение в виде волны: Лекция 3. Нелинейная оптика 26

Для последующего приближения подставляем в систему ур-й М. Получаем линейные неоднородные ур-я с известными правыми частями – дополнительными источниками волн. Каждый элемент объема d. V – осциллирующий диполь с моментом Рнлd. V на частотах ω, 2ω, 3ω, … Тогда от такого диполя получим набор волн: В линейном прибл. была только одна волна с частотой ω !!! Лекция 3. Нелинейная оптика 27

Генерация второй гармоники Исходные данные: нелинейная среда в поле монохр. волны с частотой ω. Учитываем квадратичную восприимчивость. постоянная составляющая переменная составляющая Эффект оптического детектирования Применение – детекторы мощных световых пучков. Преимущество перед фото и тепловыми детекторами – возможность регистрации больших мощностей. Лекция 3. Нелинейная оптика 28

Нелинейная поляр-ть: изменяется с частотой 2ω Представим и подставим в правые части ур-й М. Частное решение системы на частоте 2ω ищем в виде: Используя материальное ур-е: Получаем систему ур-й: Лекция 3. Нелинейная оптика 29

Генерация второй гармоники Лекция 3. Нелинейная оптика 30

Генерация второй гармоники Лекция 3. Нелинейная оптика 31

Генерация второй гармоники Лекция 3. Нелинейная оптика 32

Параметрическая генерация света Лекция 3. Нелинейная оптика 33