- •А.Г. Акманов, б.Г. Шакиров оСновы квантовых и оптоэлектронных приборов
- •Введение
- •1 Физические основы лазеров
- •1.1Оптическое излучение
- •1.2Энергетические состояния квантовой системы. Населенности квантовых уровней
- •1.3Элементарные процессы взаимодействия оптического излучения с веществом
- •Спонтанные переходы
- •Вынужденные переходы
- •Спонтанное излучение
- •1.4Основы теории формы и ширины линии излучения
- •Доплеровское уширение
- •1.5Коэффициенты Эйнштейна. Термодинамическое рассмотрение
- •1.6Квантовое усиление в среде
- •1.7Квантовый генератор (лазер)
- •1.8Методы инверсии населенностей квантовых уровней
- •1.9Метод оптической накачки
- •1.10Кинетические уравнения для населенностей уровней
- •1.11 Оптические резонаторы
- •1.11.1 Добротность открытого резонатора
- •1.11.2 Волновая теория открытого резонатора
- •1.11.3 Дифракционная теория
- •1.11.4 Геометрическая теория открытого резонатора
- •Типы оптических резонаторов
- •1.11.5 Селекция типов колебаний
- •2Твердотельные лазеры
- •2.1Рубиновый лазер
- •2.2Неодимовые лазеры
- •2.3Устройство твердотельного лазера
- •2.4Система оптической накачки
- •2.5Электрическая схема питания лазера
- •2.6Режимы работы твердотельных лазеров
- •Режим свободной генерации
- •Режим модулированной добротности
- •Режим синхронизации мод
- •3Газовые лазеры
- •3.1Принцип работы и конструкция газовых лазеров
- •3.2Инверсия населенностей в плазме газового разряда
- •3.3Гелий – неоновый лазер
- •3.4Аргоновый лазер
- •3.5Со2-лазер
- •4Полупроводниковые лазеры
- •4.1Физические основы работы полупроводникового лазера
- •4.1.1Энергетические состояния в полупроводниках
- •4.1.2 Излучательные и безызлучательные переходы.
- •4.1.2Условие усиления электромагнитной волны в полупроводнике
- •4.2Инжекционный полупроводниковый лазер на гомопереходе
- •4.3Инжекционный полупроводниковый лазер на гетеропереходе
- •4.4Характеристики и параметры полупроводниковых лазеров
- •4.5Применения полупроводниковых лазеров
- •5Оптические модуляторы
- •5.1Электрооптические модуляторы
- •Линейный электрооптический эффект в одноосных кристаллах
- •Фазовая и амплитудная модуляция света в одноосных кристаллах. Модуляционная характеристика электрооптического модулятора
- •Режимы работы и конструктивные особенности электрооптических модуляторов
- •5.2Акустооптические модуляторы
- •5.3Магнитооптические модуляторы
- •6Волоконно-оптические усилители
- •6.1Принцип работы волоконно-оптических усилителей
- •6.2Устройство и схемы волоконно-оптических усилителей
- •6.3Характеристики и параметры волоконно-оптических усилителей.
- •7Основы нелинейной оптики
- •7.1Поляризация диэлектрика. Нелинейная поляризация
- •7.2Генерация оптических гармоник, суммарных и разностных частот
- •7.3Фазовый синхронизм в одноосных кристаллах
- •7.4Самофокусировка света
- •7.5Двухфотонное поглощение
- •7.6Вынужденное комбинационное рассеивание света
- •8Элементы оптоэлектронных приборов
- •8.1Физические основы работы полупроводниковых светоизлучающих диодов
- •8.2Внутренний и внешний квантовые выходы
- •8.3Потери излучения в светоизлучающем диоде
- •8.4Излучательная и спектральная характеристики светоизлучающего диода
- •8.5Модуляционная характеристика светоизлучающего диода
- •8.6Параметры и электрические характеристики светоизлучающего диода
- •8.7Конструкции излучающего диода и эффективность связи с волоконным световодом
- •8.8Принцип работы полупроводниковых фотоприемников
- •8.9 Внутренний фотоэффект. Фотопроводимость
- •8.10Скорость оптической генерации носителей заряда
- •8.11Процессы рекомбинации носителей заряда
- •8.12Основное характеристическое соотношение фотопроводимости
- •8.13Процессы релаксации
- •8.14Фоточувствительность. Фототок. Усиление фототока
- •8.15Характеристики фотоприемников
- •8.16Фотодиоды
- •Лавинные фотодиоды
- •Параметры лавинного фотодиода лфд-2-а
- •8.17Фототранзисторы
- •8.18Фототиристоры
- •8.19Фоторезисторы
- •Список литературы
- •Содержание
7.5Двухфотонное поглощение
Одним из фундаментальных нелинейных эффектов, который имеет разнообразное практическое значение, является многофотонное поглощение, в частности двухфотонное поглощение, при котором одновременно поглощаются два фотона, вследствие чего электрон (в атоме, молекуле) переходит с основного уровня E1 на возбужденный уровень E2 (рис.7.7.б, в). При этом предполагается, что между начальным и конечным состояниями другие связанные электронные состояния отсутствуют.
Р ис.7.7. Процессы поглощения фотона в веществе: а) однофотонное поглощение фотона с энергией ђω0; б) двухфотонное поглощение фотонов с энергией ђω1; в) двухфотонное поглощение фотонов с энергиями ђω2 и ђω3..
Поскольку двухфотонное поглощение является нелинейным процессом, сечение поглощения для него намного порядков меньше сечения однофотонного поглощения. Тем не менее, двухфотонное поглощение легко наблюдается при использовании лазеров.
Процесс в средах можно рассмотреть феноменологически, описывая относительные изменение интенсивности I плоских волн при их прохождении через двухфотонно поглощающую среду. Пусть два пучка распространяются вдоль оси z среды и испытывают ослабление из-за двухфотонного поглощения, которое описывается уравнениями:
, , (7.28)
где γ - коэффициент двухфотонного поглощения.
Связанные уравнения (7.28) можно решить аналитически, если учесть, что: .
Это соотношение является следствием того, что в двухфотонном поглощении участвуют равные числа фотонов с частотами ω1 и ω2. Если I10 и I20 - интенсивности на входе в среду, то: (7.29)
Решение системы (7.28) можно получить, избавляясь от I1 или I2. Считая, что I10 > I20, находим: ,
, (7.30)
если I10 >>I20, то ослаблением волны I1 можно пренебречь. В этом случае решение принимает вид: I1≈I10,, I2=I20exp(-Kz). (7.31)
Интерес представляет частный случай, когда ω1=ω2=ω. Тогда вместо (7.28) мы получим уравнение: , (7.32)
решение, которого имеет вид: . (7.33)
В случае слабого поглощения решение приводится к виду:
(7.34)
Из уравнения (7.34) экспериментально, по методу пропускания можно определить величину коэффициента двухфотонного поглощения γ для среды. Как видно выражение (7.34) не содержит микроскопических параметров среды, и поэтому невозможно в рамках данного метода предсказывать значение коэффициента двухфотонного поглощения γ для интересующих нас сред, что является основным недостатком.
Тем не менее, при рассмотрении многофотонных процессов методом теории возмущений, можно получить выражение для коэффициента двухфотонного поглощения в виде: , (7.35)
где n2=ε11/2·ε21/2 , - мнимая часть кубической нелинейной восприимчивости , N –плотность молекул или элементарные ячейки в среде, Mfi –матричные элементы двухфотонных переходов под действием световых волн с частотами 1 и 2 (рис.7.7), i и f - населенности состояний i и f.
|
Рис. 7.8. Двухфотонное возбуждение системы из состояния |i> в состояние |f > через виртуальное промежуточное состояние |s>.
|
Как и ранее было отмечено, коэффициент двухфотонного поглощения γ прямо пропорционален мнимой части кубической нелинейной восприимчивости , описывающей процесс двухфотонного поглощения.