3.2. Нелинейные оптические эффекты

При облучении вещества интенсивным светом (т.е. светом с большой амплитудой) возникают нелинейные оптические эффекты: наряду с обычной поляризацией вещества наблюдается нелинейная поляризация второго порядка (пропорциональна квадрату напряженности электрического поля), вызывающая удвоение частоты излучения, сложение частот двух излучений, параметрическое излучение и другие явления. Может возникнуть нелинейная поляризация третьего порядка, вызывающая утроение частоты, искажение показателя преломления, вынужденное рамановское рассеяние и др. Остановимся на некоторых из перечисленных явлений.

Генерация второй гармоники

Генерация второй гармоники показана на рис. 3.2. При падении на оптический кристалл интенсивного света с частотой ω возникает вторая гармоника (излучение с частотой 2 ω).

Д ля получения хорошего коэффициента удвоения необходимо согласование фаз и совпадение фазовых скоростей в излучении основной частоты и высших гармоник, которое достигается использованием кристаллов с двойным лучепреломлением.

Этот эффект используется, например, если надо ИК-излучение перевести в видимое: излучение неодимового лазера с длиной волны 1,06 мкм преобразуют в видимое излучение с λ=0,53 мкм.

Параметрическое излучениие

П араметрическое излучение схематически показано на рис. 3.3.

Если нелинейный оптический кристалл поместить в оптический резонатор, образованный зеркалами 1 и 2, и проводить накачку лазерным излучением с частотой ω, то на выходе будут излучения с частотой ω₁ и ω₂ , удовлетворяющими условию ω= ω₁+ω₂.

Многофотонное поглощение

М ногофотонное поглощение схематически изображено на рис. 3.4.

При облучении светом с двумя частотами ω₁ и ω₂ на выходе кристалла получается излучение с ω= ω₁+ω₂. Это происходит благодаря многофотонному поглощению, когда вместо нескольких поглощенных квантов испускается один с более высокой энергией.

Автофокусировка

Показатель преломления обычно не зависит от амплитуды световых волн, но излучение большой амплитуды вызывает его изменение. В результате плос кий фронт волны преобразуется в сферический и световой луч в веществе начинает «сходиться». Это явление называют автофокусировкой (см. рис. 3.5).

Эффект Рамана

Если облучать вещество интенсивным световым пучком, то возникают стоксова и антистоксова линии в спектре (частоты на частоту собственных колебаний молекулы меньше или больше частоты возбуждающих колебаний). Это эффект Рамана или комбинационное рассеяние света. Измеряя частоты линий, можно определить частоты собственных колебаний молекул веществ. При этом используют мощные лазеры.

Эффект Мандельштама-Бриллюэна

В результате взаимодействия акустического фонона с оптическим излучением наблюдается рассеяние Мандельштама-Бриллюэна со смещением на частоту фонона.

В веществах с ярко выраженной нелинейностью можно наблюдать солитон – уединенную волну, устойчиво распространяющуюся внутри рассеивающего вещества с постоянной скоростью.

3.3. Магнитооптические эффекты: эффект Керра, эффект Фарадея

При прохождении линейно поляризованной волны вдоль оптической оси в некоторых кристаллических материалах наблюдается поворот плоскости поляризации. Это явление называется вращением плоскости поляризации, а материалы - оптически активными. Некоторые оптически неактивные вещества становятся активными при помещении их в магнитное поле. Вращение плоскости поляризации - одно из проявлений магнитооптического эффекта.

Магнитооптический эффект - изменение оптических свойств вещества (отражения, пропускания, поляризации света и др.) в зависимости от его намагниченности или от силы приложенного к нему магнитного поля.

Среди магнитооптических эффектов с применением отражения или пропускания света различают эффект Фарадея и эффект Керра.

Вещества, в которых наблюдается магнитооптический эффект - магнитооптические материалы. К ним относятся магнитные атомы - ферромагнетики, например, CdFe₃O₁₂, и цилиндрические магнитные домены - ферриты, например, MnBi, EuO, CdTbFe.

Рассмотрим эффект Фарадея. В магнитных материалах, помещенных в магнитное поле, возникает циклотронное левостороннее вращение электронов в плоскости, перпендикулярной вектору поля. Если линейно поляризованный свет, проходящий через магнитооптическое вещество, представить в виде суммы право- и левосторонней круговой поляризации, то из-за циклотронного вращения электронов коэффициенты преломления для каждой из них будут различными, поэтому на выходе из магнитоактивного материала возникает разность фаз между составляющими, следовательно, возникает поворот плоскости поляризации.

Эффект Фарадея - вращение плоскости поляризации света при прохождении через вещество, находящееся в магнитном поле.

Магнитное вращение плоскости поляризации света, отнесенное к единице напряженности приложенного магнитного поля и приходящееся на единицу длины вещества, называется постоянной Верде (удельным магнитным вращением):

,

где V – постоянная Верде.

Если свет распространяется в веществе длиной l (см) в направлении магнитного поля с напряженностью Н (э), то плоскость поляризации будет повернута вправо на угол α (мин):

. (3.1)

Н а основе эффекта Фарадея может быть создан оптический модулятор. Свет можно модулировать, изменяя угол Фарадея α, зависящий от напряженности магнитного поля [формула (3.1)]. Но так как быстрое изменение магнитного поля затруднено, то для модуляции света чаще используют электрооптический и акустический эффекты.

Эффект Фарадея используют и для создания оптических изоляторов, пропускающих свет только в одном направлении. В этих приборах магнитооптический кристалл поворачивает плоскость поляризации на угол 45^о за один проход. Если в кристалл попадает отраженный свет, то во время обратного хода плоскость поляризации повернется на 90^о, следовательно, свет не пройдет через входной поляризатор. Такие устройства используют в оптической связи.

Магнитооптический эффект Керра применяют для считывания информации из памяти на оптических дисках (рис. 3.6).

Намагниченность тонких пленок (например, из MnBi) перпендикулярна поверхности. Если малый участок пленки, помещенной в магнитное поле, нагреть светом лазера до температуры выше точки Кюри, то этот участок намагничивается (запись в точке Кюри). Когда пленку с такой записью облучают линейно поляризованным светом, различие углов поляризации света, отраженного от соседних участков с противоположной намагниченностью, позволяет считывать информацию, пропуская отраженный свет через анализатор. Достоинства оптических дисков с записью в точке Кюри – возможность стирания и перезаписи.