Глава 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ

§ 1. СРАВНЕНИЕ РАЗНЫХ СХЕМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ

В силу некоторых качественных различий схем КС и КВС преобразования ИК-изображений, с одной стороны, и многообразия интересных для практики параметров преобразователей, с другой стороны, а также сравнения свойств схем не может привести к выводу об абсолютном преимуществе одной из схем. Заранее очевидно, что для достижения оптимальных значений тех или иных выходных параметров (разрешающей способности, числа разрешаемых элементов, эффективности и т. д.) и при определенных ограничениях на входные параметры (поперечные и (или) продольные размеры кристалла, мощность и (или) плотность мощности накачки и т. д.) более предпочтительной будет та или иная схема преобразователя.

Проведем сравнительный анализ обеих схем в первую очередь наиболее фундаментальных характеристик преобразователей. Начнем с качества изображения. Схема КВС обладает рядом недостатков, связанных с астигматизмом формируемого изображения и наличием геометрических аберраций, существенных при больших углах фокусировки накачки (см. гл. 4, § 2, 3). Однако и аберрации и астигматизм можно устранить с помощью корректирующей оптики на входе и (или) выходе преобразователя помещением инфракрасного объектива на бесконечности или обработкой преобразованного изображения на ЭВМ. Поэтому существенным параметром является разрешающая способность. Из результатов 3-й, 4-й глав следует, что при одипаковых размерах кристаллов разрешающая способность в схеме КВС выше, чем в схеме касательного синхронизма с близко расположенным к кристаллу объектом: по порядку величины выигрыш составляет отношение угла фокусировки накачки к угловой ширине касательного синхронизма Однако этот выигрыш не очень существен, во-первых, потому, что и в семе КС можно достичь дифракционного разрешения, помещающая объект на бесконечность, а главное потому, что разре способность сака по себе вообще не является важным

параметром преооразователя, поскольку помещение на его входе соответствующего микроскопа позволяет регистрировать любой ИК-объект с любым разрешением. Более важная характеристика — число разрешаемых элементов которое нельзя увеличить линейными оптическими системами на входе и выходе преобразователя. Из формул (3.29) и (4.64) следует, что при одинаковых размерах кристалла

Вместе с тем и этот параметр сам по себе может быть существенно увеличен уменьшением толщины нелинейной среды как следствие, увеличением угловой ширины касательного синхронизма и уменьшением эффективности С другой стороны, отношение коэффициентов преобразования обеих схем (см. (3.67) и

показывает явное преимущество схемы касательного синхронизма при Коэффициент можно увеличить посредством уменьшения степени фокусировки накачки как следствие, уменьшения

Поэтому имеет смысл сравнивать коэффициенты преобразования обеих схем при заданном числе разрешаемых элементов. Из формул (3.67), (4.75) следует, что увеличение поперечных размеров кристалла выгодно в обеих схемах. Проведем сравнение при максимально возможных апертурах кристалла. В этом случае имеем

Таким образом, с точки зрения максимальной эффективности преобразования выгодно использовать схему касательного синхронизма, если требуемое число разрешаемых элементов не превышает

При большем числе требуемых разрешаемых элементов ситуация становится прямо противоположной [223, 224]. Граничное значение

Для преобразования широкополосного инфракрасного излучения схема касательного синхронизма предпочтительнее, пока ширина спектра не превосходит частотную ширину касательного синхронизма поскольку в такой ситуации при формировании ИК-изображения в середине нелинейного кристалла преобразованное изображение вообще не искажается гл. 3, § 4). Все сказанное относится и к влиянию некоторых паразитных

фактороз (многомодовости накачки). Очевидно, в случае более широких спектров лежащие за пределами спектральные компоненты обрезаются и нарушается векторное взаимодействие некоторых из этих компонент с накачкой (размытие изображения). В схеме КВС имеют место хроматические аберрации (см. гл. 4, § 6), которые, однако, могут быть компенсированы линейными оптическими системами на выходе преобразователя. При этом, в отличие от схемы КС, никаких неустранимых искажений изображения не возникает и, как следствие, отсутствуют ограничения на ширину спектра преобразуемого излучения (кроме тех, которые связаны с прозрачностью кристалла и частотной областью, где вообще имеется синхронизм).

Общая компоновка преобразователя в схеме касательного синхронизма, очевидно, проще, но и с этой точки зрения схема КВС имеет свои преимущества. Во-первых, из-за несовпадения направлений распространения взаимодействующих пучков в схеме КВС легче достичь совмещения их в кристалле, что особенно важно при внутрирезонаторном преобразовании. По той же причине облегчается отделение мощного излучения накачки от преобразованного сигнала. Во-вторых, в схеме КВС требования к точности юстировки кристалла существенно ниже, чем для настройки на касательный синхронизм. И наконец, параметры преобразователя КВС () могут меняться простым изменением степени фокусировки накачки, в то время как схема касательного синхронизма требует изменения длины нелинейного кристалла (из формулы (3.67) видно, что поперечные размеры всегда выгодно сохранять максимальными).

В заключение подчеркнем еще раз, что оптимальный выбор схемы преобразования зависит от конкретной задачи с учетом приведенных соображений.