Введение
Одним из главных достоинств нелинейно-оптических преобразователей ИК изображений является высокое быстродействие, позволяющее изучать высокоскоростные оптические процессы в инфракрасной области спектра. Причиной тому является быстрый оптический нелинейный процесс, реализованный одновременно во всех областях кристалла; отсутствие сканирующей системы и полупроводниковых приемников ИК излучения, в том числе которые необходимо охлаждать до достаточно низких температур.
Для перевода изображения из ИК области в видимую необходимо осуществить преобразование ИК излучения (ωик) по частоте ωв= ωик+ ωн (ωв – частота видимого излучения). Излучение с частотой ωн называется излучением накачки (или просто накачкой) и подбирается таким образом, чтобы ωв оказалось в видимой области спектра.
Начальный этап исследований по преобразованию ИК изображений в нелинейно-оптических кристаллах связан с работой [30]. В этой работе было преобразовано изображение линейной решетки, сформированное в области спектра ~ 1,6 мкм излучением ксеноновой лампы в кристалле иодата лития. Затем было преобразовано изображение из области спектра 10,6 мкм в прустите [32]. В том и другом случаях излучением накачки являлось излучение рубинового лазера (λ=0,6943 мкм).
В первых и последующих работах [3-5,12,17] для преобразования изображения использовалась схема касательного синхронизма. В ряде работ изучено влияние характеристик кристаллов, конечной ширины спектра и расходимости излучения на характеристики изображения [5, 12, 17].
Обычно увеличение ширины спектра и расходимости приводит к резкому ухудшению преобразованного изображения [3-5, 30]. Существенным недостатком является малая угловая ширина преобразованного изображения [3-5, 12, 28, 29, 30].
В 1970–1971 гг. была предложена другая схема преобразования – схема критичного векторного синхронизма [6–8]. В этой схеме используется цилиндрическая волна накачки, что делает возможным преобразование изображения из ИК области в видимую с большой угловой апертурой. В эксперименте уже в первых работах, в кристалле КДР, была реализована угловая апертура ~ 49 º [6–9, 19]. Недостатком данной схемы преобразования изображения является ее меньшая, чем для касательного синхронизма, энергетическая эффективность. Изображение по одной из координат сжато в λик/λв раз.
При использовании лазерной накачки возникает зернистость изображения [6, 8, 9], разрешение ухудшается с ростом расходимости накачки [6, 9, 19].
В 1973 г. Ю. Г. Колпаковым и др. [14] предложена схема преобразования ИК изображения, свободная от перечисленных недостатков. В этой схеме ИК изображение создано в кристалле гомоцентрическими пучками широкополосного излучения. В качестве накачки использовался не один пучок, а совокупность гомоцентрических пучков накачки. При этом необходимое условие совмещения осей пучков ИК излучения с осями пучков накачки выполнялось автоматически, так как пучки накачки создавались ИК объектом, то есть накачка и ИК излучение были разделены только по спектру. Например, ИК излучение лежит в диапазоне 1–2 мкм, а накачка – 0,85-0,95 мкм. Преобразованное изображение цветное, мнимое, расходящееся и поэтому для перевода его в действительное за нелинейным оптическим кристаллом требуется дополнительный объектив.
К настоящему времени по преобразованию ИК изображения с гомоцентрическими широкополосными пучками излучения выполнен большой цикл работ [10, 18, 20–29, 31].
Помимо быстродействия, системам преобразования ИК изображения с нелазерным излучением присущи и другие достоинства: достаточно высокое качество изображения; отсутствие пятнистой структуры изображения, свойственное лазерному излучению; неизменность геометрических размеров преобразованного изображения.
Отметим еще раз необходимые требования к данным системам преобразования ИК изображения в нелинейно-оптических кристаллах. ИК изображение в нелинейном оптическом кристалле создается совокупностью гомоцентрических пучков излучения. Каждой точке ИК изображения в кристалле соответствует свой гомоцентрический пучок ИК излучения, исходящий из определенной точки объекта. Излучение накачки должно быть также в виде большого числа гомоцентрических пучков. Гомоцентрический пучок ИК излучения может быть преобразован в нелинейном оптическом кристалле по частоте только с определенным гомоцентрическим пучком накачки (т. е. когда оси этих двух пучков и точки схождения лучей в кристалле совпадают).
В точке схождения пучков ИК излучения и накачки рождается гомоцентрический пучок преобразованного излучения (рис. 1).
Рис. 1. Преобразование гомоцентрических пучков ИК излучения (1; ωик) и накачки (2; ωн) в нелинейном оптическом кристалле (4); 3 – гомоцентрический пучок преобразованного излучения; 5 – центр сходящихся пучков
Ниже рассмотрены особенности преобразования излучения и изображения из ИК области спектра в видимую в нелинейных оптических кристаллах в случае, когда излучение некогерентное, немонохроматическое, широкополосное, а пучки излучения – сходящиеся или расходящиеся.
1. Преобразование широкополосного излучения в нелинейных оптических кристаллах
Если при генерации оптической гармоники в нелинейном кристалле менять угол θ между волновым вектором излучения с частотой ω и оптической осью или частоту ω, то получим характерную кривую (рис. 2) зависимости интенсивности I2ω преобразованного излучения от θ или ω. Величины 2Δθ и 2Δω, характеризующие спад I2ω до нуля, называются угловой 2Δθ и частотной 2Δω ширинами синхронизма. Обычно для нелинейных кристаллов 2Δθ и 2Δω невелики (2Δθ ~ 2-5 угловых минут, 2Δω ~ 5-10 см-1).
Рис. 2. Зависимость интенсивности гармоники от θ или ω. 2Δω – частотная ширина синхронизма; 2Δθ – угловая ширина
Иногда генерация лазерного излучения происходит в достаточно широкой полосе частот, например, в лазере на стекле с неодимом. В связи с этим возникает ряд особенностей при преобразовании излучения в гармоники [2, 31], связанные с конкретными свойствами используемого нелинейного кристалла.
Оказалось, что коэффициент преобразования в кристалле LiNbO3 примерно такой же, как в КДР, хотя линейная восприимчивость более чем в 10 раз больше, чем у кристалла КДР [2]. Выяснилось, что причиной этого является меньшая частотная (спектральная) ширина синхронизма в кристаллах LiNbO3 (3,5 Ǻ) по сравнению с КДР (~ 400 Ǻ). То есть эффективно преобразуется только часть излучения с частотой, попадающей в полосу синхронизма.
В последующие годы появилась необходимость в преобразовании излучения с очень широким спектром, например, излучения от лазеров на растворах органических красителей или излучения тепловых источников. Однако для преобразования такого излучения приходится применять нелинейные кристаллы с конечной частотной шириной синхронизма. Казалось бы, что здесь существуют серьезные препятствия и трудно надеяться на высокоэффективное преобразование излучения с таким спектром (например, ~ 8000-10000 Ǻ).
В работах [15, 16] впервые показано, что препятствия, связанные со значительно меньшей спектральной шириной синхронизма, чем ширина спектра, вполне преодолимы.
Излучение даже с очень широким спектром может быть преобразовано при точном выполнении условий фазового синхронизма. В связи с такой особенностью преобразования излучения этот тип синхронизма получил название – многочастотный синхронизм [11, 13, 15].
Эффективность преобразования может быть значительно увеличена за счет вклада в преобразованное излучение эквидистантно расположенных относительно частоты синхронизма ω0 частот ω1 и ω2 (ω1+ω2 =2ω0) [1, 27].
В этом случае условия ω1=ω2=ω0 и фазового синхронизма для второй оптической гармоники (взаимодействия коллинеарные)
(1) ,
где 
;
– волновые векторы на частотах ω0, 2ω0 соответственно. Для взаимодействия ω1+ω2=2ω0
(2) ,
где 
;
и 
– волновые векторы излучения на частотах ω1, ω2 и волновой вектор волны поляризации на частоте 2ω0, созданной волнами с частотами ω1 и ω2.
Расстройка фазового синхронизма ΔK
(3).
Учитывая, что ω1= ω0-Δω; ω2= ω0+ Δω имеем
,
(4) ,
где n0, n0-Δn1, n0+Δn2 – показатели преломления для частот ω0, ω1 и ω2, соответственно.
Подставляя (4) в (3), получим
(5)
Увеличение ширины спектра Δω при преобразовании излучения по частоте приводит к возрастанию расстройки ΔK фазового синхронизма, что в свою очередь влечет за собой уменьшение интенсивности 
преобразованного излучения (рис. 2).
Обычно значения Δn1≈ Δn2 и при возрастании Δω увеличиваются медленно, что и приводит к значительным 2Δωс (2Δωс – частотная ширина синхронизма для частот ω1, ω2, дающих вклад в преобразованное излучение с частотой 2ω0). Оценки показывают, что 2Δωс может быть порядка 500-1000 см-1.
Неожиданной оказалась возможность существования в нелинейных оптических кристаллах многочастотного синхронизма [14, 15], который делает возможным преобразование излучения с широким спектром при точном выполнении условия фазового синхронизма (ΔK=0).
Запишем выражение для расстройки фазового синхронизма
ω1 +ω2 = ω3,
ω1 = ω3/2 –Δω (6),
ω2 = ω3/2 + Δω,
(7)
(8),
(9).
Из (9) видно, что фазовый синхронизм (ΔK=0) существует при выполнении равенства
ω3/2 (n1+n2-2n3) = - Δω (n2-n1) (10),
которое определяется характером дисперсии показателя преломления кристалла; типом взаимодействия и реализуется не для одного набора ω3, ω2, ω1, а для большой совокупности таких наборов, то есть в значительных интервалах частот.
Если ω3 > 2ω0, то при определенном значении Δω, реализуются значения ΔK=0, то есть возможно выполнить условия фазового синхронизма для взаимодействующих волн с частотами ω1, ω2 и ω3. Чем большее ω3 отличается от 2ω0, тем большее значение Δω необходимо для компенсации расстройки фазового синхронизма.
Спектральную интенсивность преобразованного излучения I(Δω, ω3) находим из выражения I(Δω,ω3)=AI1I2sinc2((ΔK/2)z), где A – постоянная, зависящая от характеристик кристалла [14, 16, 22, 25].
Результаты расчетов для кристалла LiIO3 (взаимодействие oo→e) приведены на рис. 3. По мере отхода от синхронизма для удвоения частот (ω3 от 2ω0) кривые становятся все более симметричными и более узкими по основанию (спектральная ширина синхронизма для сложения частот ω3 = ω1+ ω2 уменьшается, что соответствует уменьшению вклада широкого спектра (ω1, ω2) в определенную частоту ω3).
Рис. 3. Зависимость I(ω3) от Δω. ω3, см-1: 1 – 20398; 2 – 20404; 3 – 20408; 4 – 20412; 5 – 20428
Для нахождения спектра I(ω3) преобразованного излучения необходимо проинтегрировать по Δω каждую кривую рис. 3. Интеграл для одной кривой рисунка соответствует интенсивности для одной частоты ω3 преобразованного излучения [22, 25].
При проведении экспериментальных исследований излучение фокусируется в кристалл (гомоцентрические пучки). Эффективность преобразования увеличивается за счет пересекающихся под небольшими углами световых лучей (векторные взаимодействия). Спектральное распределение интенсивности преобразованного излучения для сфокусированного пучка приведено на рис. 4. Расчет проведен для углового интервала ±2,5º с центром для λº = 0,98 мкм (λº = 2πc/ω0). Такой интервал углов отвечает ситуации в эксперименте и обычно определяется апертурой регистрирующей аппаратуры. Фокусирование широкополосного излучения в кристалл приводит к увеличению эффективности преобразования на 3–4 порядка.
Рис. 4. Спектр преобразованного излучения при фокусировании лучей в кристалл LiIO3 (взаимодействие oo→e)
2. Формирование изображения в нелинейных оптических кристаллах гомоцентрическими пучками
Типичные схемы преобразования широкополосного ИК изображения приведены на рис. 5
Рис. 8. Схема преобразования ИК изображения в видимую область спектра
Показан ход лучей при создании одной точки преобразованного изображения. ИК излучение (ωик) из одной точки объекта 1 и излучение из одной точки источника накачки 2 (ωн) в виде гомоцентрических пучков через светофильтр 6 попадают в кристалл 7. Фокальные точки этих пучков в кристалле должны быть совмещены. В этом случае процесс преобразования происходит наиболее эффективно. В области пересечения пучков реализуется процесс преобразования по частоте, и из кристалла 7 выходит гомоцентрический пучок преобразованного (ωв) излучения. Этот пучок проходит через светофильтр 8, объектив 9 и создает на экране 10 одну точку преобразованного изображения 11.
Формирование ИК изображения в кристалле 7 осуществляется гомоцентрическими пучками ИК лучей, выходящими из каждой точки поверхности ИК объекта. Для преобразования каждого из этих пучков по частоте в нелинейно оптическом кристалле необходим свой собственный гомоцентрический пучок накачки. Оси этих пучков и фокальные точки в кристалле должны совпадать.
Для выполнения перечисленных выше условий необходим специальный источник накачки. Наиболее приемлемым в экспериментальных условиях источником накачки является нить накаливания электрической лампы в виде плоскости определенных размеров. При нагревании этой плоскости из каждой точки выходит гомоцентрический пучок накачки. Выбор необходимого (нужного) пучка накачки для любого пучка ИК излучения происходит автоматически. Каждый ИК пучок «выберет сам» нужный пучок накачки.
Если угол α между плоскостями ИК изображения и накачки отличен от нуля (рис. 5, а), то преобразователь работает с меньшей эффективностью, в сравнении с α=0 (рис. 5, б).
Результаты экспериментов при использовании таких схем приведены в работах [22, 25]. В качестве объекта 1 и накачки 2 использовались кинолампы. Любопытным фактом оказалось то, что на экране 10 (рис. 5) появились три изображения. В центре – изображение, когда одна из ламп является накачкой, а другая – ИК объектом. По краям размещены изображения, когда каждая из ламп является одновременно и ИК объектом и накачкой. Качество изображения значительно лучше, чем при использовании лазерной накачки.
Отметим, что предложенные схемы преобразования, не накладывающие никаких ограничений ни со стороны широкого спектра, ни со стороны сходящихся пучков накачки [21, 22, 25].
Наиболее простой системой преобразования ИК изображения объекта является система, когда ИК объект и накачки совмещены, тогда в нелинейном кристалле изображения объекта и накачки также совмещены.
Особенностью данной схемы преобразования является то, что из каждой точки объекта выходит два гомоцентрических пучка лучей. Один пучок лучей 1 – накачка (например, в области длин волн 0,75–0,95 мкм), второй 2 – ИК излучение (например, в области 1,0–2,5 мкм). Центры этих пучков в кристалле всегда совмещены. Они создают в кристалле за счет преобразования по частоте третий пучок гомоцентричных лучей ωв. Этот пучок выходит из точки 5, в которую входят пучки ИК лучей и накачки. Светофильтр 5 (рис. 9) поглощает оба пучка лучей (ИК лучей и накачки) и пропускает пучок лучей с преобразованной частотой ωв, объектив 6 создает на экране на частоте ωв изображение точки объекта [22, 25].
Приведенные рассуждения применимы к преобразованию изображения для любой точки объекта. В целом (рис. 5) на экране 7 создается изображение 8. В связи с тем, что каждая точка изображения 8 создается пучками гомоцентрических лучей, изображение объекта 1 в кристалле 4 и преобразованное изображение в кристалле с частотой ωв по своим геометрическим характеристикам подобны. Сжатия изображения ни по одной из координат не происходит [7]. В общем случае, для эффективного преобразования изображения необходимо совмещать в кристалле плоскости изображения ИК объекта и объекта накачки [8]. Достоинством данной схемы является то, что практически всегда это требование выполняется.
В экспериментальном плане такая система очень удобна, так как позволяет избавиться от влияния юстировок при совмещении пучков излучения и дает возможность изучить принципиальные моменты преобразования теплового изображения в нелинейно оптическом кристалле.
Отметим некоторые характеристики такой системы. Разрешающая способность R, обусловленная дифракцией излучения на оправах объективов, равна R=D/1,22λ, где D – диаметр объектива. Другим ограничивающим фактором являются геометрические аберрации, присущие системе в той или иной мере. Кроме дифракции и аберраций системы, сильное влияние на разрешающую способность оказывают геометрические факторы. Так, при преобразовании изображения точечного источника излучения боковое смещение сфокусированного в нелинейный кристалл пучка ИК излучения приводит к неполному перекрытию с пучком накачки, что снижает коэффициент преобразования. Если же фокальная плоскость в случае протяженной накачки заполнена совокупностью гомоцентрических пучков накачки, то система не критична к боковому смещению пучка ИК излучения. Продольное смещение пучка ИК излучения приводит к уменьшению коэффициента преобразования.
Линейное число разрешаемых элементов Nлин, например, для объектива с угловой апертурой 15º при диаметре объектива D=10 мм, λ=5 мкм равно 450. Увеличение диаметра объектива до 50 мм дает значение 2250 [22, 25].
В работе [25] приведены результаты исследований с совмещенной и независимой накачкой. В качестве источников ИК излучения и накачки использовали электрические лампы накаливания с мощностью от 5 до 750 ВТ. Наблюдения проводились при работе источников ИК излучения и накачки в непрерывном режиме.
Визуально наблюдали преобразованное изображение этих ламп при мощности 100–750 ВТ. Фотоэлектрическая регистрация возможна от электрических ламп с мощностью 4,5–5 Вт.
От лампы мощность 750 Вт полный поток ИК излучения в области кристалла, в зависимости от диаметра объектива, достигал 0,5–1,2 Вт.
Такие мощности излучения предъявляют серьезные требования к светофильтрам, так как в эксперименте необходимо устранить (до нелинейного кристалла) излучение видимой области спектра, а после кристалла необходимо удалить ИК излучение (выделить преобразованное излучение). Стандартные светофильтры из набора цветного оптического стекла при максимальных уровнях накачки позволяли работать в течение 3–5 минут. Затем требовалось 10 минут для охлаждения светофильтров (ИКС-5, ИКС-7, СЗС-25) [25].
В эксперименте использовали в основном кристалл LiIO3 толщиной 25 мм (взаимодействие oo→e). Преобразованное изображение слабое, поэтому визуальные наблюдения проводили в полностью затемненном помещении.
Изображение нитей накаливания лампы после преобразования в кристалле четкое и цветное. Зернистость изображения отсутствует. Четкость изображения по всему полю зрения визуально одинаковая. Цвет изображения при повороте нелинейного кристалла вокруг вертикальной оси (угол синхронизма меняется) меняется от голубого до красного (при неизменном неподвижном изображении). В плоскости, перпендикулярной плоскости синхронизма, цвет неизменен. Характерной чертой преобразователя является неизменность геометрических размеров преобразованного изображения по сравнению с ИК изображением объекта. Энергетический коэффициент преобразования 10-7-10-8.
В работах [23–24, 28] зарегистрирован спектр изображения, преобразованного в кристалле LiIO3 (светофильтры – КС-17, СЗС-22). Спектр значительно меняется при изменении угла между пуком излучения и оптической осью кристалла.
Отметим, что при преобразовании широкополосного ИК излучения в нелинейном кристалле настройка кристалла в синхронизм не критична, то есть нет необходимости выставлять кристалл по углу относительно пучка лучей с точностью до нескольких угловых минут. При установке кристалла на поворотный столик вручную синхронное преобразование происходит сразу, без подстройки кристалла. Это связано с тем, что для широкой области углов выполняются условия многочастотного синхронизма. И неточность установки кристалла приводит лишь к небольшому смещению максимума в преобразованном излучении.
Отметим любопытный факт, обнаруженный при визуальном наблюдении преобразованного изображения [22]. Иногда изображение нити накаливания лампы наблюдается на чуть светлом фоне. Через некоторое время светлый фон скачкообразно исчезает, и нить лампы видна на темном фоне. Этот эффект, вероятно, связан с перестройкой доменной структуры кристалла.
Заключение
Показано, что оптимальные характеристики систем преобразования широкополосного инфракрасного изображения в видимую область спектра в нелинейных оптических кристаллах реализуются при использовании источника накачки в виде большого числа гомоцентрических сходящихся пучков излучения.
Наиболее простым источником накачки такого типа является нить накаливания электрической лампы в форме прямоугольника. Каждая точка такого прямоугольника является источником гомоцентрических пучков. Проецирование ИК объективами в кристалл ИК изображения и изображения источника накачки приводят к автоматическому совпадению осей ИК пучков от объекта и накачки, и реализации максимального коэффициента преобразования.
В нелинейной оптике имеется определенный класс объектов, где производится запись, преобразование, обработка изображений. Во всех этих случаях целесообразно при расчетах и экспериментальном воплощении новых оптических приборов использовать гомоцентрические пучки излучения. Данное направление можно назвать «нелинейной оптикой гомоцентрических пучков излучения».
Работа была начата профессором Строгановым В.И., в ней развиты его идеи, и авторы посвящают статью его светлой памяти.
Работа выполнена при поддержке гранта Kwangwoon University (Seoul, Korea) в 2012 году и Государственной Федеральной целевой программы «Научные и педагогические кадры инновационной России (2009-2013)», контракт № 16.740.11.0396.
Рецензенты:
Графский О. А., д.т.н., профессор ДВГУПС, г. Хабаровск.
Кондратьев А. И., д.т.н., профессор ДВГУПС, Хабаровск.