3. Нелинейные оптические среды

Под термином «нелинейно – оптические» объединяют явления, вязанные с обратным изменением физических свойств среды под действием проходящего через эту среду интенсивного света. К ним относятся, в частности, явления генерации оптических гармоник и параметрической генерации света, рассматривающиеся в данном параграфе. К ним относятся также явление просветления среды, рассматривавшееся в связи с обсуждением просветляющихся фильтров, и явление затмения среды, рассматривавшееся на примере двухфотонного поглощения света в полупроводнике.

Первый нелинейно – оптический эксперимент был выполнен в 1925 году, когда советские физики С. И. Вавилов и В. Л. Левшин в опыте со светом высокой интенсивности (использовался искровой источник света) наблюдали уменьшение коэффициента оптического поглощения уранового стекла. В этом опыте впервые наблюдалось явление просветления среды под действием света. Однако в то время не приходилось рассчитывать на развертывание нелинейно – оптических исследований, так как отсутствовали источники мощного когерентного света.

С появлением лазера произошло второе (по сути дела, фактическое) рождение нелинейной оптики. В 1961 году американский физик П. Франкен наблюдал в кристалле кварца генерацию второй гармоники излучения рубинового лазера. Советские физики Р. В. Хохлов и С. А. Ахманов установили в 1962 году условия, при которых различные нелинейно – оптические явления (и, в частности, генерация оптических гармоник) должны протекать достаточно эффективно. Они же выдвинули и обосновали идею параметрической генерации света. Одновременно американские физики Дж. Джордмейн и Р. Терхьюн исследовали возможность выполнения условия волнового синхронизма в кристаллах.

В период с 1961 по 1963 года были выполнены фундаментальные исследования по нелинейной оптике группой советских ученых, возглавляемой Р В. Хохловым, а также группой американских ученых возглавляемых Н. Бломбергом. К 1965 году нелинейная оптика сформировалась как развитое, самостоятельное направление современной оптики.

В долазерной оптике справедливо считалось, что характеристики среды не зависят от интенсивности света, проходящего через среду. Нелазерные источники света обеспечивали напряженность светового поля не выше примерно 10⁵ В/м; внутриатомные же поля характеризуются напряженностями 10⁸ …..10¹² В/м. При таком «соотношении сил» световая волна не может сколь – либо заметно повлиять на внутриатомные поля, а, следовательно, и такие характеристики вещества как диэлектрическую восприимчивость χ и поляризацию .

(1.16)

С появлением лазера ситуация радикально изменилась. Высокая степень когерентности лазерного излучения позволяет осуществлять необычайно сильную пространственную концентрацию световой мощности. На практике это реализуется, благодаря малой расходимости излучения и возможности получать световые импульсы с очень высокой мощностью в максимуме. Лазеры позволяют получать световые поля напряженностью до 10¹⁰ …..10¹¹ В/м; теперь напряженность поля световой волны уже сопоставима с напряженностью внутриатомных полей. В результате диэлектрическая восприимчивость оказывается функцией от напряженности поля волны. Как показывает теория, эта функция может быть представлена в виде суммы быстро убывающих слагаемых

(1.17)

где - параметры данной среды, характеризующие ее поляризуемость – диэлектрическая восприимчивость.

Следовательно (1.16) примет вид:

(1.18)

Существенно, что соотношение (1.18) является нелинейным относительно напряженности светового поля. Отклик среды на внешнее воздействие оказывается теперь нелтнейным. Отсюда происходят термины «нелинейная оптика», «нелинейная среда». Слагаемое

(1.19)

в соотношении (1.19) называются нелинейной поляризацией среды, а параметры - нелинейной квадратичной восприимчивостью.

При определенных условиях волна нелинейной поляризации может порождать вторую гармонику – переизлученную световую волну на частоте 2f.

Волна поляризации распространяется по среде со скоростью:

(1.20)

а волна второй гармоники со скоростью:

(1.21)

Чтобы передача энергии от волны поляризации к переизлученной световой волне происходила эффективно, необходимо совпадение скоростей обеих волн:

(1.22)

Выражение 1.22 называют условием волнового синхронизма.

В наши дни выращиваются достаточно большое количество разнообразных типов кристаллов с высокими нелинейными оптическими характеристиками. Так большая нелинейная восприимчивость позволяет в определенных условиях реализовать эффективность преобразования во вторую гармонику, равную 20…..50 %. Эти кристаллы характеризуются значительным двулучепреломлением, позволяющим осуществлять волновой синхронизм в достаточно широком спектральном диапазоне основного излучения. Они характеризуются также относительно высокими значениями коэффициента прозрачности и стойкостью к интенсивному лазерному излучению. В качестве примера укажем кристаллы дигидрофосфата калия (KH₂PO₄), называемые условно кристаллами KDP; дигидрофосфата аммония (NH₄H₂PO₄), называемые кристаллами ADP; дигидроарсената цезия (C_SH₂A_SO₄), называемые кристаллами DCDA; ниобата лития (LiNbO₃); йодата лития (LiJO₃); ниобата бария – натрия (Ba₂NaNb₅O₁₅).