§ 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ

За последние двадцать лет выполнено большое число экспериментальных работ по разным аспектам нелинейно-оптического преобразования инфракрасного излучения. Подробный анализ основных результатов дан в обзоре [16]. Остановимся здесь на наиболее характерных из них, иллюстрирующих степень приближения эксперимента к идеальной теотзетической схеме.

Начнем с преобразования сигнала. Уже в первой работе [79] удалось перевести в видимую область излучение ртутной лампы в кристалле при накачке импульсным рубиновым лазером с модуляцией добротности. Коэффициент был порядка чувствительность нелинейно-оптического

приемника составляла и определялась, по всей вероятности, примесной люминесценцией. В этой же работе реализована схема интегрирующего нелинейного спектрографа с температурной перестройкой и спектральным разрешением В последующих работах были достигнуты характерные значения эффективности по числу фотонов при накачке с кристалл KDP [93, 94]; при накачках порядка единиц эффективность в кристалле составляла Наконец, в [85] в кристалле при преобразовании излучения глобара достигнут предельный коэффициент преобразования — единица по числу квантов.

В более длинноволновой области кристалл прустит, коэффициент [44]. В частотном режиме с синхронизацией импульсов накачки и ИК-сигнала [184, 196] также удалось достичь высоких значений вплоть до при частоте следования импульсов порядка сотни герц. Эффективность преобразования в непрерывном режиме существенно ниже, хотя уже в [34] была получена чувствительность при кристалл . Типичные значения приведенные в последующих работах, находятся в пределах от при прустит [110] до в весьма перспективном кристалле [43].

Заметный выигрыш в эффективности дает помещение нелинейного кристалла в резонатор лазера накачки [47—55, 106]. Благодаря резонатору авторы [51, 106] впервые в таком варианте преобразовали в прустите и получили т. е. выигрыш в 20 раз, а в работе [48] достигнута предельная эффективность Для увеличения понижения фона, упрощения внутрирезопаторпого преобразования весьма полезна схема со взаимно перпендикулярными пучками накачки и ИК-сигнала [38, 40, 118, 125]. При каскадном преобразовании в прустите и или реализована эффективность

Наилучшие результаты по чувствительности достигнуты в ближнем ИК-диапазоне [35, 48]. Для диапазона в связи с возрастанием тепловых и фоновых шумов и трудностей фильтрации накачки заметно хуже , т. е. до теоретического предела не хватает еще около трех порядков [83].

В области создания нелинейно-оптических спектрографов, начиная с первой работы [79], спектральное разрешение порядка

единиц обратных сантиметров в режиме интегрирующего спектрографа было получено также в в области и в [17], где перестройка по спектру осуществлялась поворотом кристалла (вариант, предложенный в [89, 90]), а также и в работе [209] В ближнем ИК-диапазоне в [35, 38, 119] получено разрешение а в [124] зарегистрировано преобразование примерно ста линий лазера. Разрешение порядка одного обратного сантиметра получено и в работах [86, 106, 110]. По мнению авторов [117], при уменьшении расходимости накачки и неоднородиостей кристаллов реальны значения

Вариант локального спектрографа дает гораздо большее спектральное разрешение, порядка [104, 236], а рекордным является значение [155].

Возможности панорамного спектрографа ярко иллюстрируют результаты работ [100, 101, 224, 236]. Схема КВС позволила зарегистрировать за одну вспышку лазера спектр ИК-излучения, возбуждаемого в парах калия излучением рубинового лазера. Общая ширина регистрируемого спектра до при спектральном разрешении (для его увеличения на выходе преобразователя был помещен время регистрации

Видно хорошее согласие депситограмм спектров неодимового лазера и переведенного в видимую область в схеме КВС с накачкой рубиновым лазером видимого излучения на рис. 5.1. Некоторое различие объясняется недостаточно высоким пространственным разрешением электронно-оптического преобразователя, регистрирующего ИК-излучение на выходе ИК-спектрографа.

Перейдем к преобразователям изображения. После первых работ в схеме касательного синхронизма [88, 240], где были преобразованы изображепия линейных решеток с с числом разрешаемых элементов соответственно в линию началось широкое исследование

Рис. 5.1. Денситограммы спектров излучения неодимового лазера, полученные с помощью нелинейно-оптического панорамного спектрографа и дифракционного ИК-шектрографа (6) [224, 236].

Рис. 5.2. Визуализированное изображение объемного ИК-объекта при настройках регистрирующей фотокамеры на различные и плоскости наблюдения.

Рис. 5.3. Преобразованное изображение решетки при ссвещении излучением — ширина спектра ИК-излучения узкий ИК-спектр;

закономерностей параметрического преобразования изображения. В работах [50, 53] реализована параметрическая ИК-голография. Рядом авторов [15, 102, 160, 164—172, 174, 184, 185, 188, 195] проведены подробные экспериментальные исследования схемы касательного синхронизма, позволившие авторам [31, 32] проанализировать возможности практического использования преобразователей. В [160] при и [195] при реализована разрешающая способность, близкая к теоретическому дифракционному пределу. Авторы [192—194] продемонстрировали возможность формирования корреляционных функций изображения в реальном масштабе времени.

В зависимости от настройки регистрирующей камеры резкость объемного формирования изображения в схеме касательного синхронизма [163] (рис. 5.2) обеспечивается в верхней или нижней части ИК-объекта, находящегося на разных расстояниях от кристалла. Рис. 5.3 [164] демонстрирует возможность устранения хроматических аберраций формированием ИК-изображения в середине нелинейного сигнала.

Перейдем к изложению результатов экспериментов в схеме КВС. На рис. 5.4 [206] приведено первое изображение, полученное в этой схеме. Дальнейшие примеры взяты из [224]. Рис. 5.5-5.7 - геометро-оптическое формирование изображения в схеме КВС. Рис. 5.5 демонстрирует возможность устранения астигматизма. На рис. 5.6 показаны геометрические аберрации в соответствующих фокальных плоскостях и рис. 5.7 демонстрирует результат их наблюдения. Рис. 5.8 показывает исчезновение геометрических аберраций второго порядка при помещении инфракрасного объекта в плоскость рис. 5.9 астигматизм компенсирован цилиндрической линзой. Объект помещался в плоскость Рис. 5.10 показывает прямое и преобразованное изображение щели, параллельной оси цилиндрической фокусировки накачки, Денситограмма этого изображения приведена на рис. 5.11. Рис. 5.12 дает преобразованное изображение точечного

Рис. 5.4. Преобразованное изображение ИК-объскта в схеме

Рис. 5.5. Формирование астигматического изображения в схеме КВС. а — фотоаппарат сфокусирован на плоскость на плоскость в — изображение миры при помещении объекта в плоскость

источника, расположенного на бесконечности. Апертура на входе кристалла Изображение соответствует сплющенной в у-направлении картине Эйри. Рис. 5.13 иллюстрирует возможность безаберрационного (не считая дисторскн) преобразования бесконечно удаленного объекта — проволочной сетки — с большим (49X49°) полем зрения и дифракционным разрешением (число разрешаемых элементов На рис. 5.14 показана единственная неисчезающая при помещении объекта на бесконечность аберрация дисторсия. Полученное разрешение близко к дифракционному пределу и составляет: в направлении фокусировки накачки в

Рис. 5.6. Геометрические аберрации схемы

Рис. 5.7. Экспериментальная картина аберраций. Усл. обозн. те же, что и на рис. 5.6.

перпендикулярном направлении Различие в значениях связано с разницей в размерах входного зрачка в этих направлениях В данных экспериментах достигнуто полное число разрешаемых элементов

Спектральные свойства преобразователя в схеме КВС проявляются в виде хроматических аберраций (рис. 5.15). Измеренная величина частотной дисперсии преобразователя оказалась равной что при угловой разрешающей способности соответствует спектральному разрешению А при использовании преобразователя в качестве панорамного спектрографа.

Изображение проволочной сетки, освещенной излучением накачка -лазером, дано на рис. 5.16. Эффективность преобразования может быть существенно улучшена помещением нелинейного кристалла внутрь резонатора лазера. Возможности схемы КВС в этом направлении продемонстрированы в работе [218]. На рис. 5.17 приведено изображение диффузно-отражающего объекта при осрещении с пиковой мощностью Достигнута энергетическая эффективность порядка

Рис. 5.9. Компенсация астигматизма цилиндрической линзой.

Рис. 5.8. Астигматическое преобразованное изображение точечного ПК-объекта в отсутствие геометрических аберраций второго порядка.

Приведем результаты бэлее поздних экспериментальных работ в качестве примеров дальнейшего совершенствования нелинейно-оптических преобразователей ИК-излучения. Авторы [182] реализовали преобразование спектра и изображения в схеме касательного синхронизма (излучение глобара лампы накаливания В этой работе достигнуто дисперсионное согласование в условиях, когда расчетная спектральная ширина синхронизма составила а экспериментально измеренная полоса приема Различие величин объясняется влиянием расходимости накачки, в качестве которой использовано излучение рубинового и неодимового лазеров, работавших в частотном режиме с частотой повторения 1 Гц.

Аналогичная постановка эксперимента имела место и в [241], где, благодаря дисперсионному согласованию, удалось перевести в видимую область излучение глобара в диапазоне При использовании в качестве источника накачки лазера в частотном режиме реализована средняя квантовая эффективность — По мнению авторов, при использовании непрерывного -лазера с оптимальной фокусировкой

Рис. 5.10. Изображение щели, освещенной после преобразовании

Рис. 5.11. Денситограмма щели при Сплошнан линии — теории, точки — эксперимент.

Рис. 5.12. Деформированная в процессе преобразования картина Эйри.

вполне реальным является увеличение этого параметра до 20%. В работе [242] использован преобразователь с кристаллом в качестве нелинейной среды Несмотря на небольшую толщину кристалла достигнуты сравнительно высокие значения энергетической эффективности в частотном режиме работы лазера накачки (пиковая эффективность) и (средняя эффективность), при средняя. При переводе изображения в видимую область получено полное число разрешаемых элементов что превосходит соответствующее значение для тиогаллата серебра

Рис. 5.13. Преобразованное изображение бесконечно удаленной проволочной сетки.

2100 [189]. Еще один перспективный кристалл в качестве нелинейной среды исследован в [243]. Теоретически и экспериментально показано, что, несмотря на заметное поглощение на на и 10 см получается достаточно высокая энергетическая эффективность при интенсивности накачки которая не вызывает каких-либо повреждений образцов в течение длительного времени. В работе [123] исследовалось также влияние немопохроматичности и многомодовости накачки на преобразование изображения. Было установлено, что влияние этих факторов на разрешающую способность несущественно до тех пор, пока угловая (частотная) ширина спектра накачки не превосходит угловой частотной ширины синхронизма. При дальнейшем ухудшении параметров накачки ухудшение изображения происходит за счет появления пьедестала в отклике на точечный ИК-источник. Многомодовость накачки приводит, в частности, к ограничению предельно достижимой квантовой эффективности — до значения не более вместо при одномодовой накачке.

Возможности схемы КВС при использовании в качестве нелинейной среды прустита продемонстрированы в [220, 221]). В [220] при переводе в видимую область изображения объекта, освещаемого излучением лазера получепо угловое разрешение 2,3 мрад и число разрешаемых элементов . Можно надеяться, что использование новых нелинейных кристаллов и дальнейшее совершенствование экспериментальной техники позволят реализовать возможности схемы в полной мере.

Влияние турбулентностей атмосферы на преобразование изображения из области в видимую проанализировано в [244], где показано, что имеет место угловое размытие изображения бесконечно удаленного точечного источника примерно втрое на длине трассы в атмосфере

В последние годы в качестве нелинейных сред при преобразовании ИК-излучения стали использоваться газы [46, 128]. Они обладают некоторыми преимуществами по сравнению с кристаллами — прозрачностью во всем ИК-диапазоне, большим отличием в частотах преобразованного излучения и накачки, практически неограниченной апертурой нелинейной среды. Однако здесь большие эффективности возможны лишь при наличии резонансов

(кликните для просмотра скана)

Рис. 5.15. Хроматические аберрации схемы КВС. а — преобразованное изображение щели при освещении излучением многомодоеого лазера, изображение щели после спектрографа на экране ЭОПа.

Рис. 5.16. Преобразование изображения в схаме в пепррывпом режиме.

Рис. 5.17. Преобразованное изображение в отраженном свете (схема нелинейный кристалл внутри резонатора).

(двух- и однофотонных для взаимодействующих волн). Так, квантовый коэффициент преобразования при составил 58%, [128], в то время как для других линий -лазера значения находились в пределах Такая ситуация типична в этой области. Если обеспечить двухфотонный резонанс по накачке, а также близкие к резонансу условия по преобразованному излучению при обеспечении синхронизма, то для газов удается достичь квантовой эффективности в десятки процентов уже при мощностях накачки на два порядка меньших, чем в случае использования кристаллов [129—132]. Для заданных частот накачки и ИК-излучения

выполнить упомянутые выше оптимальные условия значительно сложнее, так что характерные значения здесь лежат в интервале от до единицы процентов, когда удается найти более или менее подходящую схему [131, 132]. Интересно, что сравнительно высокие значения удается в некоторых случаях получить даже в непрерывном режиме теоретически рассмотрены возможности достижения максимальных и показано, что этот коэффициент может в ряде случаев достигать значений, приближающихся к Использование схем с дополнением частоты накачки частотой ИК-излучения вплоть до двухфотонного резонанса позволяет ослабить ограничения на выбор частот [133, 232] и возникает возможность построения ИК-спектрометров [227, 228]. В работе [228] удалось перевести в видимую область полосу ИК-излучения в несколько сотен обратных сантиметров со средней квантовой эффективностью

Газовые нелинейные среды позволяют преобразовывать в видимую область не только сигнал, но и изображение [146, 231]. Общая теория формирования изображения практически такая же, как и в случае твердотельных нелинейных сред, поскольку и в газовом варианте амплитуда волны суммарной частоты зависит от амплитуды ИК-излучения линейным образом. Некоторые особенности преобразования, связанные с неоднородностью плотности атомов, рассмотрены в [146]. Достигнутые в эксперименте [231-233] параметры преобразователя при позволяют сделать вывод о перспективности использования газовых нелинейных сред [253].