ВВЕДЕНИЕ

Развитие методов и создание приборов и устройств регистрации спектральных, временных и пространственных характеристик инфракрасного излучения самой различной интенсивности приобретают со временем все более важное значение как в научных исследованиях, так и для различных прикладных задач. Природа не снабдила человека органом чувств для восприятия излучения инфракрасного диапазона, хотя бы отдаленно сравнимым с зоркостью, чувствительностью и богатством цветовых ощущений человеческого глаза. Особое значение проблемы регистрации инфракрасного излучения приобрели в связи с созданием рекордных по мощности лазеров инфракрасного диапазона. Само по себе интенсивное инфракрасное излучение обнаружить не сложно, исследование же более тонких его характеристик предполагает наличие высокоразрешающей регистрирующей аппаратуры. В частности, визуализация излучения таких лазеров представляется чрезвычайно полезной при проведении реальных исследований по оптимизации их параметров. Однако остаются по-прежнему интересными и актуальными традиционные вопросы обнаружения слабого инфракрасного излучения в связи с задачами лазерной локации, диагностики атмосферы, со спектральным анализом сложных химических соединений и т. д.

Различные конкретные задачи предъявляют совершенно разные требования к возможным методам регистрации. Однако среди всех известных и принципиально возможных методов регистрации особое место занимает преобразование инфракрасного излучения в излучение видимого диапазона, поскольку глаз и сейчас является уникальным и наиболее универсальным по своим характеристикам спектральным прибором. Кроме того, визуализация подразумевает возможность сохранения информации об «объемных» свойствах объекта.

Возникшая в лазерную эпоху новая область оптики — нелинейная оптика — дает возможность развития принципиально новых методов визуализации ИК-излучения. Нелинейность оптических сред приводит к возникновению комбинационных частот при распространении в них нескольких монохроматических волн. Амплитуды комбинационных компонент определяются

амплитудами комбинирующих волн, причем именно каждой из этих амплитуд. Последние два обстоятельства являются фундаментом для создания нелинейно-оптического визуализатора ИК-излучения. В самом деле, если хотя бы одна из комбинирующих (складывающихся или вычитающихся) частот находится в видимом диапазоне, то и комбинационная частота окажется там же, даже если вторая комбинирующая частота лежит, например, в далеком инфракрасном диапазоне. Поскольку выход определяется амплитудой первой из комбинирующих волн (накачка), то имеется принципиальная возможность обеспечить заметную интенсивность выходного излучения даже при очень слабом входном сигнале. Можно надеяться, что соответствующим подбором формы фазового фронта накачки будет переведен в видимую область не только сигнал, но и изображение объекта. При выборе конкретных вариантов нелинейно-оптического преобразователя в качестве основных его характеристик удобно выбрать традиционные для теории оптических приборов понятия — разрешающая способность (линейная и угловая), поле зрения (также линейное и угловое), коэффициент преобразования (эквивалент светосилы), закон отображения пространства объектов в пространство изображений. Спецификой нелинейно-оптического преобразования является наличие инвариантов системы, значения которых не зависят от наличия линейных оптических систем на входе и выходе преобразователя (это могут быть линзы, призмы, объективы). Так, в отличие от приборов линейной оптики — микроскопа, телескопа сама по себе разрешающая способность нелинейно-оптического преобразователя не играет существенной роли, поскольку может быть легко изменена помещением соответствующего объектива на входе системы. Инвариантом является отношение поля зрения к разрешающей способности, т. е. число разрешаемых элементов. Именно эта характеристика доминирует при решении вопроса о выборе схемы преобразования. Оказывается, что нелинейно-оптические преобразователи обладают еще и своими специфическими инвариантами, связывающими между собой коэффициент преобразования и число разрешаемых элементов. Естественно, инварианты сохраняются только при определенном классе изменения конструкции преобразователя, что позволяет в зависимости от специфики задачи улучшать или ухудшать одни характеристики преобразователя за счет других. Важная специфическая черта всех схем нелинейно-оптических преобразователей — возможность сохранения информации о фазовой структуре инфракрасного излучения.