Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения — в помощь студенту

  • Нелинейными оптическими материалами называются такие материалы, в которых наблюдается значительная (нелинейная) зависимость оптических свойств от мощных световых пучков.
  • В световой волне, которая имеет две взаимосвязанные составляющие – электрическую и магнитную, происходят колебания векторов Е и Н, являющихся напряженностями соответственно электрического и магнитного полей волны. Колебания векторов Е и Н происходят с одинаковой фазой, а мгновенные значения величин Е и Н, как это следует из системы уравнений Максвелла для электромагнитного поля, связаны соотношением
  • ε0εЕ2 = µ0µН2, (1)
  • где ε0 и µ0 – соответственно электрическая и магнитная постоянные; ε и µ – соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, в которой распространяется световая волна.

Как показывает опыт, многие проявления действия света вызываются колебаниями электрического вектора. Поэтому используют понятие светового вектора, подразумевая под ним вектор напряженности электрического поля Е.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!
  1. Энергетической характеристикой света является интенсивность, которая равна модулю среднего по времени значения плотности потока энергии, переносимой световой волной, и определяется как скалярное произведение векторов Е и Н:
  2. I = {E, H}. (2)
  3. С учетом формулы (1) выражение (2) можно записать в следующем виде, устанавливающем связь между интенсивностью света I и амплитудой светового вектора Еm:

Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения - в помощь студенту

т.е. при распространении света в однородной среде его интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды светового вектора.

  • Согласно квантовой теории электромагнитные волны представляют собой поток элементарных частиц – фотонов, имеющих нулевую массу покоя и движущихся со скоростью света в вакууме с энергией
  • Еф = hv,
  • где v – частота волны;
  • h – постоянная Планка.
  • С учетом квантовой природы электромагнитных волн интенсивность света определяется числом фотонов, проходящих через единичную площадку в единицу времени.
Читайте также:  Учет удержаний из заработной платы - в помощь студенту

До недавнего времени в большинстве оптических явлений, изучавшихся при помощи традиционных сравнительно слабых источников света, не обнаруживалась зависимость количественных и качественных результатов эксперимента от интенсивности света I (т.е. от амплитуды светового вектора Еm).

При этом единственной шкалой, с помощью которой классифицировали эффекты взаимодействия света с веществом, являлась шкала длин волн, а такие оптические характеристики среды, как показатель преломления, коэффициент поглощения и коэффициент рассеяния принимались постоянными без какого-либо учета интенсивности света.

Однако оптические исследования, выполненные с помощью мощных лазеров, генерирующих световые лучи большой интенсивности (порядка I = 1014 Вт/м2), показали, что существует весьма сильная количественная и, что особенно важно, качественная зависимость характера оптических эффектов от интенсивности света. При этом следует подчеркнуть, что речь идет не о малых поправках, регистрируемых в тонком физическом эксперименте, а о новых физических явлениях, кардинально меняющих поведение световых пучков.

Одним из наиболее ярких нелинейных оптических эффектов является генерация оптических гармоник в диэлектрической среде. При облучении диэлектрика светом с небольшой амплитудой светового вектора Еm в нем происходит поляризация. При этом суммарный дипольный момент единицы объёма диэлектрика пропорционален амплитуде Еm.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

В результате дипольный момент рождает вторичную волну той же частоты. При большой амплитуде Еm суммарный дипольный момент является нелинейной функцией амплитуды, т.е. он зависит не только от первой (Еm), но и от второй ( Em2 ), третьей ( Em3 ) и последующих степеней амплитуды падающей волны.

Читайте также:  Третий этап объединения. династическая война второй четверти xv века - в помощь студенту

Это и приводит к рождению вторичных волн удвоенной частоты, утроенной частоты и т.д.

Поляризация среды является ее специфическим «откликом» на воздействие внешнего электромагнитного поля.

В основном поляризация осуществляется за счет смещения электронных оболочек атомов относительно ядер под действием поля, в результате чего атомы приобретают электрический дипольный момент.

Возможна также сравнительно слабая поляризация, осуществляемая за счет смещения положительных и отрицательных ионов под действием поля или же за счет поворота постоянных диполей (дипольных молекул) по направлению поля.

  1. Процессы возбуждения атомов или молекул вещества светом, а также последующего переизлучения света возбужденными частицами описываются с помощью уравнений, связывающих поляризацию P с напряжённостью поля Е.
  2. При слабоинтенсивных полях связь между P и Е устанавливается линейным уравнением
  3. P = ε0χЕ, (4)
  4. где χ – линейная восприимчивость (поляризуемость) среды, являющаяся мерой способности среды поляризоваться под действием поля (зависит только от свойств среды).

При высокоинтенсивных полях (при лазерном излучении) функция Р(Е) может быть представлена в виде разложения в ряд по степеням Е, т.е. связь между P и Е устанавливается нелинейным уравнением

Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения - в помощь студенту где χ(m)– нелинейная восприимчивость (поляризуемость) среды n-го порядка.

Наибольший вклад в нелинейные оптические процессы дают низшие члены в разложении (2.5), так как с ростом номера n нелинейные восприимчивости χ(n) быстро уменьшаются. Расчет нелинейных восприимчивостей проводится методами квантовой механики.

Существование нелинейных восприимчивостей приводит к появлению эффекта генерации света с кратными частотами (генерации высших гармоник), в частности, второго порядка.

Пусть внешнее световое поле представляет собой монохроматическую волну, которая характеризуется одной определенной циклической частотой ω = 2πv. Такая волна описывается уравнением

Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения - в помощь студенту

  • где k = ω/с – волновое число;
  • с – фазовая скорость волны;
  • х – координата точки вдоль направления распространения волны;
  • t – время.
  • Подставляя (6) в (5), находим, что первый (линейный) член в разложении поляризации по степеням поля имеет вид

Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения - в помощь студенту

т.е. отклик среды содержит только одну частоту ω. Это значит, что среда переизлучает свет с той же самой частотой, что и падающая световая волна.

Подобным образом находим, что второй (нелинейный) член в разложении поляризации по степеням поля имеет вид

Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения - в помощь студентуПоляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения - в помощь студенту

Впервые генерацию второй гармоники наблюдал в 1961 г. американский ученый П. Франкен в эксперименте по прохождению луча лазера через кристалл кварца (рис. 1).

Кварцевая пластинка К освещалась лазерным лучом через фильтр Ф1, пропускающий излучение на основной частоте ω1. За кварцевой пластинкой были зафиксированы две волны: на основной частоте ω1 и удвоенной частоте 2ω1.

Фильтр Ф2 был прозрачен только для волны с частотой 2ω1, которая регистрировалась фотоэлектронным умножителем (ФЭУ).

Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения - в помощь студенту

Рис. 1. Оптическая схема установки для наблюдения генерации второй гармоники

Генерация оптических гармоник является одним из наиболее часто используемых нелинейных оптических эффектов.

Это явление позволяет, например, преобразовать выходное излучение лазера на алюмоиттриевом гранате с добавками неодима (Nd:YAG) с длиной волны 1064 нм или лазера на сапфире, легированного титаном (Ti:Сапфир), с длиной волны 800 нм в видимое излучение с длинами волн 532 нм (зеленое) или 400 нм (фиолетовое) соответственно.

Особый практический интерес к нелинейно-оптическому преобразованию частоты обусловлен возможностью генерации лазерного излучения на новых длинах волн, в том числе в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах спектра.

Так, использование лазеров ультрафиолетового диапазона в фотолитографии позволяет повысить разрешение, что необходимо при производстве запоминающих устройств большого объема. Применение ультрафиолетовых лазеров в производстве полупроводников делает возможным получать сверхкомпактные упаковки элементов на печатных платах.

Лазеры, работающие в ультрафиолетовом спектральном диапазоне, используются для исследования структуры генов и межгенных взаимодействий, также для очистки загрязненных изотопами водорода поверхностей в реакторах термоядерного синтеза.

Следует отметить, что методы нелинейно-оптического преобразования частоты позволяют создавать источники оптического излучения, которые по ряду параметров превосходят лазеры, работающие в том же спектральном диапазоне.

Например, эксимерные лазеры генерируют в ультрафиолетовом диапазоне спектра и позволяют получать перестраиваемое по частоте лазерное излучение.

Однако их громоздкость, малая долговечность, сложность работы и дороговизна делают предпочтительным преобразование частоты излучения лазеров других типов, в частности, газовых ионных лазеров или твердотельных лазеров (Nd:YAG, Ti:Сапфир).

На практике для реализации удвоения частоты света на выходе лазерного луча устанавливают нелинейный оптический кристалл, ориентированный строго определённым образом.

Обычно для этого используются кристаллы дигидрофосфата калия КН2РО4 (KDP), титанила фосфата калия КTiOPO4 (KTP), ниобата лития LiNbO3 и некоторых других веществ, которые обладают необходимыми нелинейными оптическими свойствами, являются прозрачными в данной области спектра и устойчивыми к лазерному излучению высокой интенсивности.

Известны также органические полимерные материалы, которые, возможно, в будущем смогут вытеснить часть нелинейных оптических кристаллов, если окажутся более дешевыми в производстве и надежными в эксплуатации.

Источник: https://extxe.com/14328/nelinejnye-opticheskie-materialy/

Моделирование Взаимодействия Лазерного Излучения с Веществом в среде COMSOL Multiphysics

Вопрос, который нам все время задают: можно ли промоделировать в среде COMSOL Multiphysics нагрев веществ из-за их взаимодействия с лазерным излучением? Ответ, разумеется, зависит от того, какую именно задачу вы собираетесь решать, так как разные методы моделирования подходят к разным задачам. Сегодня, мы обсудим различные подходы для моделирования нагрева веществ, освещенных лазерным излучением.

Введение в Моделирование Взаимодействия Лазерного Излучения с Веществом

Несмотря на то, что существует множество различных типов источников лазерного излучения, все они похожи между собой, если рассматривать их с точки зрения того, что они выдают на выходе. Лазерное излучение сконцентрировано вблизи одной длины волны и когерентно.

Как правило, выходное излучение сфокусировано также в узкий сколлимированный пучок.

Этот сколлимированный, когерентный и монохроматический источник света может быть использован, как чрезвычайно точный источник тепла в широком диапазоне применений, включая лечение рака, сварка, отжиг, исследовании материалов, и обработке полупроводников.

Когда лазерное излучение попадает в твердое тело, часть его энергии поглощается, приводя к локальному нагреву. Жидкости и газы (и плазма), разумеется, также могут разогреваться лазерами, но нагревание жидкостей практически всегда сопровождается сильными конвекционными эффектами. В этой статье, мы игнорируем конвекцию и сосредоточимся на рассмотрении нагрева твердых тел.

Твердые тела могут быть частично или полностью непрозрачными для излучения на длине волны лазера. В зависимости от степени прозрачности, различные подходы будут применимыми для моделирования лазерного источника тепла. Кроме того, необходимо помнить о том, что все масштабы должны сравниваться с длиной волны излучения.

Различные подходы требуются для описания сфокусированного излучения и для относительно широкого пучка.

Если в материале, взаимодействующем с падающим пучком, имеются геометрические особенности сравнимые с длиной волны, необходимо дополнительно рассмотреть, как именно пучок будет взаимодействовать с этими мелкими структурами.

Прежде чем начать моделирование любых взаимодействий лазерного излучения с веществом, вы должны сначала определить оптические свойства материала, как на длине воны лазера, так и в инфракрасном диапазоне.

Вы также должны знать, как относительные размеры объектов, которые подвергаются нагреву, так и длину волны лазера и параметры пучка.

Эта информация пригодится вам при выборе подходящего подхода для моделирования вашей задачи.

Поверхностные Источники Тепла

В случае непрозрачных на лазерной длине волны материалов, или близких к этому, можно рассматривать лазерное излучение в качестве поверхностного источника тепла.

Наиболее просто это сделать с помощью функции Deposited Beam Power (Выделяемая Мощность Пучка) (показано ниже), которая является доступной в Модуле Теплопередача (Heat Transfer Module) версии 5.1 пакета COMSOL Multiphysics.

Кроме этого, также просто можно задать поверхностный источник тепла вручную используя только ядро пакета COMSOL Multiphysics, как показано в этом примере.

Поверхностный источник тепла предполагает, что энергия пучка поглощается в слое пренебрежимо малой толщины по сравнению с размерами нагреваемого объекта. Шаг разбиения конечно-элементной сетки должен быть достаточным только для того, чтобы учесть изменения температурного поля и размеры лазерного пятна.

Само лазерное излучение не моделируется в явном виде, и предполагается, что отраженная от материала часть лазерного излучения не возвращается обратно.

При использовании поверхностного источника тепла, вам необходимо вручную задать коэффициент поглощения материала на лазерной длине волны и, соответствующим образом отмасштабировать выделяемую мощность пучка.

Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения - в помощь студенту
Функция Deposited Beam Power (Выделяемая Мощность Пучка) в Модуле Теплопередачи, используемая для моделирования двух скрещенных лазерных пучков. Показан результирующий поверхностный источник тепла.

Объемные Источники Тепла

В случае частично прозрачных материалов, основная часть энергии лазерного излучения будет выделяться внутри области, а не на поверхности, и, любой подход должен быть соответствующим образом привязан к относительным геометрическим размерам объектов и длине волны.

Геометрическая Оптика

Если размер нагреваемых объектов много больше длины волны, но при этом лазерное излучение сходится и расходится при распространении через ряд оптических элементов и, возможно, отражается зеркалами, тогда наилучшим выбором станет функциональность модуля Геометрическая Оптика (Ray Optics Module).

В этом подходе, свет рассматривается, как луч, распространяющийся через поглощающую, однородную и неоднородную среду.
По мере распространения излучения через поглощающие материалы (т.е. оптические стекла) и пересечения поверхностей раздела, часть энергии будет расходоваться на нагрев материала.

Поглощения в объеме области моделируется с помощью комплексного показателя преломления. На поверхности раздела, можно использовать коэффициент отражения или поглощения. Все эти свойства могут быть температурнозависимыми.

Для интересующихся этим подходом, эта обучающая модель из нашей Галлереи Приложений, обеспечит хорошую отправную точку.

Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения - в помощь студенту
Лазерный пучок сфокусированный системой из двух линз. Нагрев линз из-за распространения лазерного излучения большой интенсивности, сдвигает точку фокусировки.

Закон Бугера — Ламберта — Бера

Если размер нагреваемых объектов и лазерного пятна много больше длины волны, тогда для моделирования поглощения излучения в материале подходит закон Бугера — Ламберта — Бера. Этот подход предполагает, что пучок лазерного излучения является полностью параллельным и однонаправленным.

При использовании закона Бугера — Ламберта — Бера, коэффициент поглощения материала и коэффициент отражения от поверхности должны быть известны.

Оба этих коэффициента могут являться функциями температуры.

Соответствующая настройка параметров такой модели описана ранее в нашей блог-статье “Моделирование Взаимодействия Лазерного Излучения с Веществом на Основе Закона Бугера — Ламберта — Бера“.

Вы можете использовать подход на основе закона Бугера — Ламберта — Бера, если известна интенсивность падающего лазерного излучения и отсутствуют отражения света внутри материала и/или от границ объекта.

Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения - в помощь студенту
Лазерный нагрев полупрозрачных твердых тел смоделированный с помощью закона Бугера — Ламберта — Бера.

Метод Огибающей Пучка

Если нагреваемая область велика, но лазерный пучок резко фокусируется внутри ее, ни геометрическая оптика, ни подход на основе закона Бугера — Ламберта– Бера не могут аккуратно рассчитать поля и энергетические потери вблизи фокуса. Эти методы не решают непосредственно уравнения Максвелла, а трактуют свет как совокупность лучей. Метод огибающей пучка, имеющийся в Модуле Волновой Оптики, является наиболее подходящим выбором в этом случае.

Читайте также:  Минойская цивилизация - в помощь студенту

Метод огибающей пучка решает систему уравнений Максвелла для случая, когда амплитуда волнового пакета является медленно меняющейся функцией координат. Подход работает, если приблизительно известно значение волнового вектора в моделируемой среде и приближенное направление распространения излучения.

Этот случай соответствует моделированию сфокусированного лазерного излучения, а также волноводных структур, таких как модулятор Маха-Цендера или кольцевой резонатор.

Так как направление пучка известно, сетка конечных элементов может быть достаточно грубой в направлении распространения, уменьшая тем самым вычислительные затраты.

Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения - в помощь студенту
Сфокусированный лазерный пучок, распространяющийся в области вещества с цилиндрической симметрией. Интенсивность на входной поверхности и вдоль оптической оси внутри области графически отображается в соответствии с сеткой разбиения.

Метод огибающей пучка может быть объединен с интерфейсом Heat Transfer in Solids (Теплопередачи в Твердых Телах) посредством мультифизического соединения Electromagnetic Heat Source (Электромагнитный Источник Тепла). Это соединение устанавливается автоматически при добавлении интерфейса Laser Heating (Лазерный Нагрев) в меню Add Physics (Добавить Физику).

Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения - в помощь студенту
Интерфейс Laser Heating (Лазерный Нагрев) добавляет интерфейсы Beam Envelopes (Огибающие Пучка) и Heat Transfer in Solids (Теплопередача в Твердых Телах) и устанавливает мультифизическое соединение между ними.

Полноволновой Подход

Наконец, если нагреваемая структура имеет размеры сравнимые с длиной волны, необходимо решать систему уравнений Максвелла без каких-либо допущений относительно направления распространения лазерного излучения в моделируемом пространстве.

В этом случае нам понадобится интерфейс Electromagnetic Waves,Frequency Domain (Электромагнитные волны, Частотная Область), который имеется и в Модуле Волновая Оптика (Wave Optics Module) и в модуле Радиочастоты (RF Module).

Кроме этого, модуль Радиочастоты содержит интерфейс Microwave Heating(Микроволновой Нагрев) (подобный интерфейсу Laser Heating (Лазерный Нагрев) описанному выше) и связывает интерфейс Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, Частотная Область) с интерфейсом Heat Transfer in Solids (Теплопередача в Твердых Телах). Несмотря на наименование, модуль Радиочастоты и интерфейс Microwave Heating (Микроволнового Нагрева) подходят для моделирования в широкой полосе частот.

Полноволновой подход требует разбиения конечно-элементной сетки необходимого для разрешения длины волны лазерного излучения.

Так как пучок может рассеяться в любом направлении, сетка должна быть достаточно однородной относительно размеров ячеек.

Хорошим примером использования интерфейса Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, Частотная Область) является: Моделирование потерь в золотой наносфере освещенной плоской волной, как продемонстрировано ниже.

Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения - в помощь студенту
Нагревание золотой наносферы лазерным излучением. Потери излучения в сфере и величине окружающего электрического поля отображаются в соответствии с сеткой разбиения.

Моделирование Теплопередачи, Конвекции и Переизлучения Внутри и Вокруг Материала

Вы можете использовать любой из пяти предыдущих подходов для моделирования выделения энергии от лазерного источника в твердотельном материале.

Моделирование повышения температуры и потока тепла внутри и вокруг материала дополнительно требует интерфейс Heat Transfer in Solids (Теплопередачи в Твердых Телах).

Доступный в ядре программного пакета COMSOL Multiphysics, этот интерфейс предназначен для моделирования теплопередачи в твердых телах и задания соответствующих граничных условий: фиксированная температура, термоизолированная граница или наличие потока тепла через нее.

Интерфейс также включает различные граничные условия для моделирования конвекционного переноса тепла в окружающую атмосферу или жидкость, а также излучательное охлаждение (за счет излучения) в окружающую среду с известной температурой.

В некоторых случаях, может оказаться, что в задаче присутствует принудительное охлаждение или нагревание жидкостью, которое не может быть описано с помощью задания граничных условий.

В этом случае, вам может потребоваться явное моделирование потока жидкости с использованием Модуля Теплопередача (Heat Transfer Module) или Модуля Вычислительная Гидродинамика (CFD Module), которые могут решить задачу для определения полей температуры и потока. Оба этих модуля способны моделировать ламинарные и турбулентные потоки жидкости.

Однако, в Модуле Вычислительной Гидродинамики имеются дополнительные возможности по моделированию турбулентных потоков, которые подробно описаны в этом предыдущем блог-сообщении.

Для случаев, в которых присутствует значительный излучательный теплообмен (с помощью излучения) между нагреваемым объектом и любыми окружающими объектами с различными температурами, в Модуле Теплопередачи (Heat Transfer Module) имеется дополнительная возможность для вычисления форм-фактора излучения «серого тела» (Серое тело — это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры) и излучательного переноса тепла (с помощью излучения). Это продемонстрировано в нашей Обучающей Модели Быстрого Термического Отжига. В случае, когда возможны сильные изменения температуры, вы можете также рассмотреть излучательную способность поверхности в зависимости от длины волны.

Если рассматриваемый материал является прозрачным для лазерного излучения, то скорее всего, он также является частично прозрачным для теплового излучения (инфракрасного диапазона).

Это инфракрасное излучение не будет ни когерентным, ни сколлимированным, поэтому мы не можем использовать любой из вышеперечисленных подходов для описания переизлучения в полупрозрачных средах. Вместо этого, мы можем использовать подход для излучения в распределенных средах.

Этот метод предназначен для моделирования теплообмена в материалах, в которых имеется значительный тепловой поток внутри материала благодаря процессу излучения. Пример такого подхода из нашей Галлереи Приложений может быть найден здесь.

Заключение

В этой статье, мы рассмотрели различные методы, имеющиеся в среде COMSOL Multiphysics, для моделирования лазерного нагрева твердотельных материалов.

Были представлены подходы поверхностного и объемного нагревания, наряду с кратким обзором возможностей моделирования теплообмена. До сих пор, мы рассматривали только нагрев твердотельного материала, который не претерпевает изменение своего фазового состояния.

Нагревание жидкостей и газов — и моделирование фазового перехода — будут рассмотрены в последующих статьях этого блога. Следите за обновлениями!

Источник: https://www.comsol.ru/blogs/modeling-laser-material-interactions-in-comsol-multiphysics/

9.4.1. Нелинейная поляризация среды

В долазерной оптике справед­ливо считалось, что характеристики среды не зависят от интенсив­ности света, проходящего через среду.

Нелазерные источники све­та обеспечивали напряженность светового поля не выше пример­но 105 В/м; внутриатомные же поля характеризуются напряженностями 108 –  1012 В/м.

При таком «соотношении сил» световая волна не может сколь-либо заметно повлиять на внутриатомные поля, а следовательно, и на характеристики вещества. Поэтому отклик среды (поляризация среды Р) на внешнее воздействие (на напряженность поля световой волны Е) оказывается линейным:

                                                             (9.6)

( – диэлектрическая восприимчивость среды). Отсюда и проис­ходит термин «линейная оптика», используемый в применении к долазерной (некогерентной) оптике.

С появлением лазера ситуация радикально изменилась. Высо­кая степень когерентности лазерного излучения позволяет осу­ществлять необычайно сильную пространственную концентрацию световой мощности. На практике это реализуется, благодаря ма­лой расходимости излучения и возможности получать световые импульсы с очень высокой мощностью в максимуме.

Лазеры по­зволяют получать световые поля напряженностью до 1010  –  1011 В/м; теперь напряженность поля световой волны уже со­поставима с напряженностью внутриатомных полей. В результате диэлектрическая восприимчивость оказывается функцией от на­пряженности поля волны.

Как показывает теория, эта функция может быть представлена в виде суммы быстро убывающих сла­гаемых:

Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения - в помощь студенту

,                                           (9.7)

где , , , … – параметры данной среды, характеризующие ее по­ляризуемость.

Ограничимся в выражении (9.7) двумя слагаемыми в правой его части. В этом случае соотношение (9.6) принимает вид:

.                                               (9.8)

Существенно, что соотношение (9.8) является нелинейным отно­сительно напряженности светового поля. Отклик среды на внеш­нее воздействие оказывается теперь нелинейным. Отсюда проис­ходят термины «нелинейная оптика», «нелинейная среда».

Слагае­мое

                                                           (9.9)

в соотношении (9.8) называют нелинейной поляризацией среды, а параметр  – нелинейной восприимчивостью.

Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения - в помощь студенту

Источник: https://electrono.ru/9-4-1-nelineynaya-polyarizaciya-sredy-kvant_opt

Поляризация лазерного излучения может быть линейной (еще называют плоскостной), круговой, эллиптической или случайной.

Существуют два вида линейной поляризации, параллельная и перпендикулярная плоскости падения, поглощение излучения различно для этих двух видов и различных направлений процесса резки.

Материал хорошо поглощает параллельно поляризованный свет, с углом излучения примерно равным 80°, также известным как угол Брюстера, когда перпендикулярно поляризованный свет больше отражается.

При лазерной резке лазерный луч сталкивается с заготовкой в передней поверхности зоны резания, где происходит поглощение лазерного излучения тонкой расплавленной пленкой. Степень отражения лазерного излучения расплавленной поверхностью зависит от угла падения лазерного луча, плоскости поляризации лазерного излучения и отражающих свойств расплавленного материала.

Во многих случаях, но во всех, выходной сигнал лазера поляризован. Обычно это означает линейное поляризованное состояние, где электрическое поле колеблется в определенном (стабильном) направлении, перпендикулярном направлению распространения лазерного луча.

Встречаются случаи (например, для волоконных лазеров), где состояние поляризации является эллиптическим. Оно может быть преобразовано в линейно поляризованный луч, например с помощью соответствующей комбинации волновых пластинок. Однако это невозможно для широкополосного излучения с зависящей от длины волны поляризацией.

Могут быть сгенерированы радиально поляризованные пучки, там где направление поляризации в пределах профиля пучка радиально ориентированно.

Обычно, радиально поляризованный пучок формируется из линейно поляризованного пучка с помощью какого-либо оптического элемента, но возможно также получить радиально поляризованное излучение непосредственно из лазера.

Преимуществом этого подхода, применяемого в твердотельных лазерах, является то, что можно избежать потерь деполяризации.

  • Поляризованное лазерное излучение является важным аспектом для широкого спектра применений. Вот некоторые примеры:
  • нелинейное преобразование частоты, где условие фазового синхронизма в нелинейном кристалле, может быть получена только для одного направления поляризации;процесс комбинирования лазерных пучков с помощью поляризации;
  • использование лазерных лучей в зависящих от поляризации устройствах, таких как интерферометры, полупроводниковые оптические усилители и оптические модуляторы.

Тем не менее, у некоторых лазеров (например, у многих волоконных) выходной луч лазера не поляризован. Это не обязательно означает, что выходной луч полностью деполяризован, то содержит эквивалентные оптические мощности в обоих компонентах поляризации постоянно, без корреляции соответствующих амплитуд.

Состояние поляризации может быть просто неустойчивым, например, из-за температурного дрейфа или случайного переключения между различными направлениями.

Для создания по-настоящему неполяризованного лазерного луча, как правило, требуется специальное оптическое устройство, способное изменять направление поляризации.

Степень линейной поляризации часто характеризуют коэффициентом экстинкции, который определяется, как отношение оптических сил в двух направлениях поляризации, часто определяется в децибелах, и измеряется путем измерения мощности пучка света после прохождения поляризатора, ориентированного на пропускание минимума и максимума энергии. Конечно, экстинкция поляризатора, с помощью которого осуществляется измерение, должна быть выше, чем у лазерного луча (экстинкция — отношение максимума и минимума энергии поляризованного света, проходящего через поляризатор при различных направления плоскости поляризации).

You have no rights to post comments

Источник: http://www.gravbiz.ru/spravochnik-chpu/319-polyarizaciya-lazernogo-izlucheniya.html

Ссылка на основную публикацию