8.2.4. Оптическое выпрямление и возбуждение излучения Черенкова

При прохождении монохроматической волны с частотой через нелинейный оптический кристалл, не обладающий инверсной симметрией, т. е. через электрооптический кристалл, в поляризации второго порядка, кроме составляющей с частотой используемой в качестве второй гармоники, образуется составляющая с разностной частотой соответствующая образованию постоянного поля и постоянного напряжения. Этот эффект, называемый оптическим выпрямлением, можно классифицировать как обратный электрооптический эффект. Его наблюдали при генерации второй гармоники Басс, Франкен, Уорд и Вайнрейх [8.56] еще в 1962 г. Эффект

может быть использован для индикации оптических сигналов, однако обеспечивает сравнительно малую чувствительность.

Если вместо монохроматической волны пропустить через кристалл световые импульсы, то вместо появления постоянной поляризации и постоянного напряжения описанный нелинейный оптический эффект вызывает образование импульсов напряженности поля и напряжения. Так как нелинейность типичных электрооптических кристаллов вызвана исключительно электронами, то вдали от резонансов поляризация следует за электрическим полем световых импульсов практически безынерционно-Время отклика составляет лишь несколько фемтосекунд. Следовательно, при прохождении через кристалл ультракоротких световых импульсов в определенной области кристалла возникают импульсы поляризации такой же длительности. Считая нелинейный оптический эффект безынерционным и используя параметрическое приближение (т. е. без учета затухания при проходе лазерной волны через образец), можно-для пространственно-временной структуры поляризации приближенно записать

В кристалле возникает, следовательно, дипольное возбуждение, распространяющееся в направлении распространения лазерной волны с ее групповой скоростью Быстрое перемещение диполя аналогично перемещению заряда сопровождается излучением переходного электромагнитного поля, которое содержит частоты, достигающие значений, по порядку величины равные Скорость распространения этого электромагнитного поля вследствие вклада в линейную оптическую восприимчивость колебаний решетки при малых частотах в указанных кристаллах меньше групповой скорости светового импульса и поэтому меньше скорости перемещения источника поля, совпадающей с Вследствие этого образующийся фронт волны имеет конусообразную форму, как это имеет место в обычном эффекте Черенкова. На это впервые указал Аустон [8.57]. Теоретическое рассмотрение можно найти в [8.58]. Следует учитывать, что в отличие от эффекта Черенкова источник излучения вытянут в пространстве. Соответственно введенному выше соотношению размеры источника в направлении распространения определяются длительностью импульсов, а его поперечные размеры — диаметром лазерного пучка. По этой причине характеристики излучения в деталях сложным образом зависят от длительности импульсов, их формы, а также величины перетяжки пучка лазерного излучения.

Подробное экспериментальное исследование оптического эффекта Черенкова проводится в работе [8.59]. Возбуждающий.

(кликните для просмотра скана)

Рис. 8.8. (см. скан) Возбуждение инфракрасной черенковской ударной волны фемтосекундными импульсами. (По [8.59].) а — схема; б - сигнал в зависимости от времени задержки; в — спектр сигнала.

импульс длительностью с длиной волны нм проходит через кристалл танталата лития толщиной 1 мм. Согласно описанному обратному электрооптическому эффекту, он возбуждает поле, фронт распространения которого имеет конусообразную форму. Электрическое поле этой волны в свою очередь вызывает в кристалле двулучепреломление вследствие нормального электрооптического эффекта. Это двулучепреломление измеряется пробным импульсом методом электрооптического стробоскопирования (см. п. 3.1.2). Пробный импульс образуется путем отклонения части возбуждающего импульса, задерживается по времени и пропускается через кристалл параллельно возбуждающему импульсу на расстоянии, которое может меняться (рис. 8.8, а). Таким образом, пробный импульс распространяется строго синхронно с черенковским излучением, в результате чего при малой задержке обеспечиваются относительно большие длины взаимодействия и вследствие

этого высокая чувствительность. Интервал времени задержки, при котором волна черенковского излучения и пробный импульс максимально перекрываются, зависит от расстояния между пробным лучом и лучом возбуждения и от значения угла Черенкова. Поэтому, варьируя указанное расстояние, можно определить угол Черенкова. В эксперименте с танталатом лития определенное таким путем значение угла составило около 70°, что хорошо согласуется с теорией. Действительно, для значений скоростей теоретический угол Черенков и составляет 68°. Измеренная форма импульса электрического поля показана на рис. 8.8, б, а соответствующий ему спектр — на рис. 8.8, в. Можно ожидать, что при ультракоротком возбуждении будет получен приблизительно один период волны с частотой Отметим, что эта частота соответствует длине волны около 300 мкм. Таким образом, впервые могут быть получены отдельные периоды инфракрасного излучения, что, безусловно, представляет большой физический интерес. Следует, например, напомнить, что в этом случае теряет смысл приближение медленно меняющихся амплитуд или огибающих, которое постоянно используется в этой книге (см. п. 1.3.1).

Можно ожидать, что применение описанной здесь техники в спектроскопии переходных процессов окажется весьма перспективным. Основными преимуществами метода являются экстремально короткое время возбуждения, высокое временное разрешение и хорошее соотношение между сигналом и шумом.