Генерация оптических гармоник в нелинейных кристаллах

Yorug’likning yutilishi va sochilishi
Jismga oq nur tushganda, u alohida uzunlikdagi to’lqinlarni yutib, shu to’lqin uzunligi atrofida sinish ko’rsatkichini to’lqin uzunligiga bog’liq ravishda o’sishini va anomal dispersiyani kuzatilishini ta’minlaydi (8.4- rasm).
Yorug’likni yutuvchi jismdan o’tgan nurlarni spektrga ajratsak, xar xil rangli fonda qorachiziqlar va yutilgan nurlar to’lqin uzunligiga tegishli kengroq sohalar kuzatiladi. Bunday chiziqlar majmuasi jismning yutilish spektrini beradi.

7.4 – rasm. Jismning yutilish spektri

I jadallikdagi monoxromatik yorug’lik dx qalinlikdagi yutuvchi qatlam sirtiga perpendikulyar ravishda tushayotgan bo’lsin.
Qatlamning boshqa tarafidan yorug’lik I - dI jadallik bilan chiqsin. Juda yupqa qatlam uchun jadallik kamayishi qatlam qalinligi va boshlang’ich jadallikka to’g’ri proporsionaldir

Bu yerda . Agarda qatlam qalinligi d katta bo’lsa, uni yupqa qatlamlar majmuasi deb hisoblab, jadallik o’zgarishni I₀ dan I gacha, qalinlikni esa, 0 dan d gacha integrallaymiz
;
Natural logarifmdan oddiy sonlarga o’tsak quyidagi ifodaga
yoki
ega bo’lamiz. Bu Buger-Lambert qonuni deb ataladi. Bu yerda m - berilgan moddaning yorug’likni yutish koeffisiyentidir va u to’lqin uzunligining funksiyasidir:

Bo’yalgan qorishmalar uchun m qorishmalar konsentrasiyasiga proporsionaldir

va bu holda Buger-Lambert qonuni quyidagicha ko’rinishda yoziladi:
, (7.2.1)
yutilish koeffisiyentini to’lqin uzunligiga bog’liqligi grafik ko’rinishda 7.5 - rasmda xlorli seziy moddasi uchun tasvirlangan.
Bu rasmda spektrning ultrabinafsha qismi tasvirlangan. Egri chiziq cho’qqilari yutilish sohalariga tegishlidir.

7.5 – rasm. Xlorli seziy moddasining yutilish spektri
Tiniq jismlarda, spektrning ko’zga ko’rinadigan qismida, yutilish sohalari bo’lmaydi, ultrabinafsha va infraqizil sohalarida yutilish kuzatiladi. Yorug’lik spektrining ko’zga ko’rinadigan qismida yutilish sohalari jismning rangini bildiradi. Masalan, qizil shisha qizil nurlarni deyarli yutmaydi va qolgan nurlarni yaxshi yutadi. Shuning uchun, qizil shishani oq nur bilan yoritsak qizilga o’xshaydi, yashil nur bilan yoritsak qora, ya’ni tiniqmasligini ko’rsatadi.
Metallar, ko’p erkin elektronlarga ega bo’lgani uchun, yorug’likni kuchli yutadi, elektronlar esa yorug’lik to’lqinining o’zgaruvchan elektr maydoni ta’sirida, amplitudasi katta bo’lgan tebranma harakatga keladilar. Elektronlarni tebranma harakatga keltirish uchun zarur bo’lgan energiya, yorug’lik to’lqinining energiya zahirasidan sarflanadi. Ammo tebranayotgan elektronlar ham shu chastotalarda to’lqin nurlatadi, bu esa yorug’likning qaytishiga sabab bo’ladi.
Shunday qilib, metallar yorug’likni kuchli yutadi va kuchli sochadi. Yarimo’tkazgichlar yorug’likni kamroq yutadilar, dielektriklar esa undan ham kam yutadilar.
Yorug’lik to’lqinlarining, muhit atomlari elektronlari bilan o’zaro ta’sirlashuvida, elektronlar tebranma harakatga kelib yorug’lik chiqaradilar. Tabiiy nurlarda tebranishlarning barcha yo’nalishlari teng ehtimolli bo’lganligi uchun, atomlar chiqarayotgan yorug’lik barcha yo’nalishlarda sochilishi mumkin. Agarda muhit atomlari birtekis taqsimlangan bo’lsa, sochilgan nurlar kogerent bo’ladilar va interferensiya tufayli bir-birini yo’qqa chiqaradilar. Bu holda muhit optik jihatdan birjinsli bo’lib, nurlarni sochmaydi.
Agarda, muhitda zarrachalar tartibsiz taqsimlansalar, u holda, ular sochgan yorug’lik nokogerentdir va sochilish barcha taraflarda o’rinli bo’ladi. Ammo, amalda, ximiyaviy birjinsli bo’lgan muhit molekulalari ham, issiqlik harakati va betartib xosil bo’lgan quyuqlik yoki siyrakliklar hisobiga nur sochadilar.
Agarda, birjinsli bo’lmagan quyuqlik yoki siyrakliklar o’lchamlari to’lqin uzunligiga nisbatan kichik bo’lsa, u holda istalgan yo’nalishdagi sochilgan yorug’lik jadalligi tushayotgan to’lqin uzunligiga quyidagicha bog’langan bo’ladi (Reley qonuni):
, (7.2.2)
Atmosfera havosi zarrachalarining hajmlari kichik bo’lganda quyosh nurining qisqa to’lqinlarini (binafsha, ko’k va yashil) jadal sochadi va nurning katta to’lqinlarini (qizil, sariq) yomon sochadi. Shu sababli, havoning rangi yuqori qatlamda, yashil yoki ko’k rangda (havorangda) bo’ladi.

Optik garmonikalarni generatsiyalash

1960-yillarning boshlarida kogerent optik nurlanishning kuchli manbalarining (lazerlar yoki optik kvant generatorlari (OQG)) yaratilishi tadqiqotning mutlaqo yangi yo‘nalishlarini ishlab chiqishni boshlab yubordi, yangi fizik effektlarni ochib berdi va buning natijasida juda ko‘p ilmiy va texnik imkoniyatlar. Ular orasida zamonaviy fizikaning butun sohasi - chiziqli bo'lmagan optika alohida o'rin tutadi.

Oʻz rivojlanishining “lazergacha boʻlgan” davrida optika materiya tomonidan yorugʻlikning yutilishi, uning muhitlar orasidagi interfeysdan aks etishi, nurlanishning turli xil bir jinsli boʻlmaganlar bilan tarqalishi, interferensiya va difraksion effektlar va boshqalar kabi hodisalar bilan shugʻullangan. Ushbu jarayonlarning xususiyatlarini belgilovchi asosiy omillar yorug'lik to'lqinining chastotasi va polarizatsiyasi edi. Optik effektlarning katta qismidagi amplituda kabi parametr hodisaning tabiatiga ta'sir qilmadi. Lazer bo'lmagan yorug'lik manbalari bilan o'tkazilgan tajribalarning miqdoriy va undan ham sifatli natijalari, eng kuchli emitentlar qanday bo'lishidan qat'i nazar, radiatsiya intensivligiga bog'liq emas edi.
Bu erda va pastda, intensivlik yoki oqim zichligi bilan biz miqdorni nazarda tutamiz
I = P / S 1)

Bu erda P - nurlanish kuchi, S - nurning kesishish maydoni.

Lazerlar 108 - 1011 Vt/sm2 gacha yorug'lik intensivligini ta'minlashga qodir, bu an'anaviy manbalar tomonidan erishilgan intensivlikdan 109 - 1010 baravar yuqori. Yorug'lik to'lqinlarining bunday oqim zichligi bilan o'tkazilgan tajribalar allaqachon ma'lum bo'lgan optik hodisalarda, masalan, molekula ichidagi tebranishlar orqali yorug'likning tarqalishida (Raman tarqalishi) va akustik to'lqinlar orqali yorug'likning tarqalishida (Mandelstam-Brillouin tarqalishi) yangi xususiyatlarni ochishga olib keldi. ). Biroq, eng muhimi, bu tajribalar ilgari "lazerdan oldingi" optikada ma'lum bo'lmagan bir qator mutlaqo yangi optik hodisalarni aniqladi. Ular orasida optik diapazonda yig'indisi va farq chastotalarini hosil qilish (sinonimlar: parametrik chastotani yuqoriga yoki pastga aylantirish, yuqoriga yoki pastga konvertatsiya qilish), yorug'likning o'z-o'zini fokuslashi va o'z-o'zidan difraksiyasi, optik muhitning yoritilishi yoki qorayishi, va boshqalar.
Tabiati nurlanish intensivligiga bog'liq bo'lgan optik effektlar chiziqli emas, optikaning bunday hodisalarni o'rganadigan sohasi, kuchli yorug'lik oqimlari optikasi esa chiziqli optika deb ataladi. Ta'sir qiluvchi nurlanishning intensivlik darajasi ahamiyatsiz bo'lgan zaif yorug'lik oqimlarining optikasi chiziqli optika deb ataladi.
Hodisaning fizik asosi

1. Nochiziqli qutblanish.

Yig'indi chastotasi hosil bo'lishining ta'siri shundan iboratki, 1 va 2 chastotalardagi nurlanish muhitga kirganda, chiqishda 3 chastotali elektromagnit to'lqin paydo bo'ladi. ₁ + ₂ = ₃ 2)

Agar ₁ = ₂ = , bular. bir xil chastotali to'lqinlar muhitga kiradi, keyin umumiy chastotadagi radiatsiya ularning ikkinchi harmonikidir

+ = 2 3)

Keling, bu ta'sirning sababini ko'rib chiqaylik. Yorug'lik to'lqinining materiya bilan o'zaro ta'siri klassik tilda qutblanish vektori P bilan tavsiflanadi. Bu qutblanish, umuman olganda, ma'lum bir funktsiyadir. Р = f(Е) yorug'lik to'lqinining elektr maydon kuchi E. Chiziqli optika mintaqasiga mos keladigan yaqinlashishda polarizatsiya E maydon kuchiga chiziqli bog'liq.