Приложения Параметры и свойства оптических материалов

Для управления оптическими сигналами используется изменение оптических свойств среды, в которой распространяется этот сигнал. В данном разделе приведены основные параметры, характеризующие оптические свойства среды.

Диэлектрическая проницаемость (ε) характеризует реакцию среды на воздействие электрической компоненты электромагнитной волны:

D = εE

здесь D – вектор электрического смещения в среде; Е – вектор электрического поля. При наличии в среде поглощения, диэлектрическая проницаемость является комплексной величиной:

ε = ε’ + i·ε’’

Связь между действительной и мнимой частями диэлектрической проницаемости описывается соотношениями Крамерса-Кронига:

здесь ω – круговая частота излучения.

Оптические свойства анизотропных сред описываются тензором диэлектрической проницаемости.

Магнитная проницаемость (μ) характеризует реакцию среды на воздействие магнитной компоненты электромагнитной волны:

В = μН

здесь В – магнитная индукция; Н – вектор магнитного поля. Показатель преломления (n) характеризует скорость распространения электромагнитной волны в среде:

n = c/v

здесь с – скорость электромагнитной волны в вакууме; v – скорость электромагнитной волны в среде.

Коэффициент поглощения (α) определяет потери излучения в среде за счет поглощения:

I = I₀·exp(-α·d)

здесь I₀ – интенсивность падающего излучения; I – интенсивность излучения, прошедшего через слой среды, толщиной d.

Оптические свойства поглощающих сред удобно описывать с помощью комплексного показателя преломления (n*):

n* = n - i·k .

Параметр k также называется коэффициентом поглощения и связан с  следующим выражением:

α = 4πk/λ

здесь λ – длина волны излучения.

Связь диэлектрической проницаемости среды с показателем преломления и коэффициентом поглощения задается следующим выражением:

ε = n² – k² + i·2nk.

При наличии в среде рассеивающих центров происходит уменьшение интенсивности прошедшего излучения за счет светорассеяния. Для описания таких сред вводится коэффициент экстинкции (α*), характеризующий потери излучения как за счет поглощения, так и за счет рассеяния:

α* = α + σ·N

здесь σ – сечение рассеяния излучения на рассеивающем центре; N – концентрация рассеивающих центров в среде.

Оптические свойства многих сред зависят от интенсивности излучения, то есть обладают нелинейно-оптическими свойствами. Нелинейно-оптические свойства описываются с помощью восприимчивости среды (χ ^(j)):

P = χ⁽¹⁾·E + χ⁽²⁾·E² + χ⁽³⁾·E³ + …

здесь P – вектор поляризации среды.

Линейная восприимчивость среды χ⁽¹⁾ связана с диэлектрической проницаемостью соотношением:

ε = 1 + 4π·χ⁽¹⁾

Восприимчивости с j > 1 называются нелинейным восприимчивостями среды.

Для описания нелинейно-оптических свойств среды используются также нелинейный показатель преломления (Δn) и нелинейный коэффициент поглощения (Δk), зависящие от интенсивности излучения I. Оптические характеристики среды, в этом случае, описываются следующим образом:

n = n₀ + Δn(I), k = k₀ + Δk(I),

здесь n₀ и k₀ - линейный показатель преломления и линейный коэффициент поглощения соответственно. Величины Δn(I) и Δk(I) могут быть как положительными, так и отрицательными.