![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
i_eronКогда пианист нажимает на “ля” первой октавы, молоточек приподнимается и бьёт по струне, которая от этого дрожит с частотой 440 раз в секунду. Колебания воздуха с такой частотой – это и есть звук “ля”. Такой звук – чистый, многим из нас он нравится больше, чем “грязные” звуки – смесь многих разных частот. Но если бы он был совсем чистым, он бы нам казался “плоским”. Струна “ля” колеблется не только с частотой “ля” первой октавы, но и второй и третьей. Это значит, что она дрожит не только целиком, но и половинками и так далее. Если тихо нажать и придержать “ля” второй октавы, и ударить по “ля” первой октавы, то струна “ля” второй октавы тоже задрожит. Потому что частота “ля” второй октавы – в два раза больше, чем первой. Примесь двойной и более высоких частот делает звук “ля” “богаче”.
В свете лазера от частоты зависит цвет. У лазера почти никогда нет примеси двойной частоты, потому что, в отличие от струны, активное вещество в лазере обычно может излучать только какой-то один цвет. Вообще-то это хорошо – из-за этого лазеры такие яркие. Но это значит, что лазер каждого цвета надо строить вокруг своего вещества, и каждый раз заново решать все сложности. Появление лазера нового цвета – праздник. Инженеры-химики лихорадочно ищут новые экзотические вещества и выращивают новые кристаллы, а инженеры-физики придумывают всё новые способы заставлять их ярко светиться.
Многие активные вещества могут излучать инфра-красный свет. А для многих применений нужен видимый свет. Поэтому частоту лазера удваивают (а иногда складывают или утраивают). Для этого есть специальные “нелинейные” кристаллы. Они устроены так, что электроны у них внутри легче потянуть в одну сторону, чем в другую. Электрическое поле лазера, проходя через кристалл, колеблется туда-сюда. В обычных “линейных” веществах, таких, как стекло или бриллиант, оно при этом дёргает электроны туда-сюда. Из-за того, что это трудно, свет замедляется, но ничего особенного с ним не происходит. А в “нелинейном” кристалле электроны “туда” идут легче, чем “сюда”, и из-за этого в их движении, как у струны, появляются более высокие гармоники. Цвет “удваивается”. Когда подставляешь такой маленький бесцветный кристалл на пути невидимого инфра-красного лазера, и из него вылезает сочный зелёный или жёлтый луч, это выглядит, как чудо.
За этим чудом стоит много сложностей, главная из которых – обычно оно ужасно неэффективно. Только небольшая часть инфра-красного света превращается в зелёный. Поэтому надо начинать с очень большого инфра-красного лазера. Такое сооружение не положишь в карман. Есть кристаллы, в которых нелинейный эффект особенно сильный. Но вот неприятность – нелинейный эффект работает в обе стороны. Когда накапливается заметное количество зелёного света, он начинает превращаться назад в инфра-красный с той же замечательной эффективностью.
Почему это происходит? Направление превращения цвета зависит от фазы. Когда я раскачиваю качели, я толкаю их каждый раз тогда, когда они летят от меня. Если я начну толкать слишком рано, они станут качаться медленнее, и их пассажиру это не понравится. Так же и с удваиванием цвета. В нелинейном кристалле инфра-красный луч раскачивает зелёный, пока они летят вместе через кристалл. А если инфра-красный полетит немного быстрее, чем зелёный, то опережение накопится и скоро зелёный будет угасать, а не разгораться. Много зелёного так не получить.
Почему инфра-красный луч летит в кристалле быстрее зелёного? Это свойство кристалла называется дисперсия. В вакууме лучи всех цветов летят одинаково быстро. Но в любом прозрачном материале луч, проходя, раскачивает электроны. Частота инфра-красного меньше, чем зелёного, значит, ему надо раскачивать электроны не так резко, он тратит на это меньше сил и замедляется не так сильно.
Обычный способ с этим бороться – использовать анизотропию кристалла. Луч того же цвета в нелинейном кристалле может лететь с двумя разными скоростями, смотря какая у него поляризация – в каком направлении он раскачивает электроны. Если, летя вперёд, он качается сверху вниз, он летит с одной скоростью. Если он качается справа налево, то с другой. А если под углом, то он летит с какой-то промежуточной скоростью. Это потому, что раскачивать в таком кристалле электроны в одну сторону легче, чем в другую.
Значит, можно подобрать такой угол, при котором разница из-за дисперсии и разница из-за поляризации компенсируются, и оба луча летят с одинаковой скоростью. Поэтому, когда подставляешь кристалл под инфра-красный луч, его надо сначала покрутить и покачать, найти угол так, чтобы из него пошёл зелёный луч. И ещё неприятность – из-за этого угла лучи летят с одной скоростью, но немного в разные стороны. Превратить весь свет в зелёный не выйдет, даже если вырастить длинный кристалл – лучи расходятся.
И вот, для каждого лазера подбирают свой кристалл – такой, чтобы удваивал хорошо, чтобы лучи в нём не слишком расходились, чтобы не лопался от яркого света и не нагревался от него слишком сильно. Его режут под определённым углом и обычно греют до определённой температуры – ведь деликатное равновесие всех этих эффектов зависит от температуры. Теперь в большинстве лазеров кристалл хотя бы не надо всё время поворачивать – если что-то разладится, его надо подогреть чуть сильнее или слабее, а не повернуть.
Но есть другой способ справиться с дисперсией, и он мне кажется особенно красивым. Из экзотических кристаллов, которые растят для нелинейных трюков с лазерным светом, есть два особенных (у каждого есть свои химические братья). Ниобат лития LiNbO3 (LN) и титанилфосфат калия KTiOPO4 (KTP). Они нелинейные - их электроны легче толкнуть "туда", чем "сюда". Но направление этой нелинейности можно поменять – под действием пучка электронов или сильного поля "туда" и "сюда" меняются местами. И вот выращивают кристалл и после этого рисуют на нём микроскопическую зебру – полоса "туда", полоса "сюда". Причём его можно резать в направлении самого сильного нелинейного эффекта, а не под каким-то компромиссным углом. Эту "зебру" не видно глазами – кристалл выглядит прозрачным и бесцветным, как обычно. Такие "зебряные" кристаллы называются "периодически поляризованными" – PPLN и PPKTP.
Инфра-красный свет заходит в такой кристалл и начинает превращаться в зелёный. Но он летит быстрее зелёного, разница фаз накапливается и яркость зелёного перестаёт расти. Теперь она начнёт уменьшаться? Нет – лучи влетают в полосу перевёрнутого кристалла и зелёный опять начинает расти. Это как если бы раскачивающий качели энергичный папаша толкал бы чуть быстрее чем надо и ничего не мог бы с собой поделать. Вместо того, чтобы его сложно убеждать попасть в ритм, ему можно посоветовать обегать качели вокруг и начинать толкать с другой стороны, каждый раз когда он выбивается из ритма. Лазеров, в которых работают PPLN и PPKTP теперь много, и зебряные кристаллы работают в 10-20 раз эффективнее, чем обычные.
В свете лазера от частоты зависит цвет. У лазера почти никогда нет примеси двойной частоты, потому что, в отличие от струны, активное вещество в лазере обычно может излучать только какой-то один цвет. Вообще-то это хорошо – из-за этого лазеры такие яркие. Но это значит, что лазер каждого цвета надо строить вокруг своего вещества, и каждый раз заново решать все сложности. Появление лазера нового цвета – праздник. Инженеры-химики лихорадочно ищут новые экзотические вещества и выращивают новые кристаллы, а инженеры-физики придумывают всё новые способы заставлять их ярко светиться.
Многие активные вещества могут излучать инфра-красный свет. А для многих применений нужен видимый свет. Поэтому частоту лазера удваивают (а иногда складывают или утраивают). Для этого есть специальные “нелинейные” кристаллы. Они устроены так, что электроны у них внутри легче потянуть в одну сторону, чем в другую. Электрическое поле лазера, проходя через кристалл, колеблется туда-сюда. В обычных “линейных” веществах, таких, как стекло или бриллиант, оно при этом дёргает электроны туда-сюда. Из-за того, что это трудно, свет замедляется, но ничего особенного с ним не происходит. А в “нелинейном” кристалле электроны “туда” идут легче, чем “сюда”, и из-за этого в их движении, как у струны, появляются более высокие гармоники. Цвет “удваивается”. Когда подставляешь такой маленький бесцветный кристалл на пути невидимого инфра-красного лазера, и из него вылезает сочный зелёный или жёлтый луч, это выглядит, как чудо.
За этим чудом стоит много сложностей, главная из которых – обычно оно ужасно неэффективно. Только небольшая часть инфра-красного света превращается в зелёный. Поэтому надо начинать с очень большого инфра-красного лазера. Такое сооружение не положишь в карман. Есть кристаллы, в которых нелинейный эффект особенно сильный. Но вот неприятность – нелинейный эффект работает в обе стороны. Когда накапливается заметное количество зелёного света, он начинает превращаться назад в инфра-красный с той же замечательной эффективностью.
Почему это происходит? Направление превращения цвета зависит от фазы. Когда я раскачиваю качели, я толкаю их каждый раз тогда, когда они летят от меня. Если я начну толкать слишком рано, они станут качаться медленнее, и их пассажиру это не понравится. Так же и с удваиванием цвета. В нелинейном кристалле инфра-красный луч раскачивает зелёный, пока они летят вместе через кристалл. А если инфра-красный полетит немного быстрее, чем зелёный, то опережение накопится и скоро зелёный будет угасать, а не разгораться. Много зелёного так не получить.
Почему инфра-красный луч летит в кристалле быстрее зелёного? Это свойство кристалла называется дисперсия. В вакууме лучи всех цветов летят одинаково быстро. Но в любом прозрачном материале луч, проходя, раскачивает электроны. Частота инфра-красного меньше, чем зелёного, значит, ему надо раскачивать электроны не так резко, он тратит на это меньше сил и замедляется не так сильно.
Обычный способ с этим бороться – использовать анизотропию кристалла. Луч того же цвета в нелинейном кристалле может лететь с двумя разными скоростями, смотря какая у него поляризация – в каком направлении он раскачивает электроны. Если, летя вперёд, он качается сверху вниз, он летит с одной скоростью. Если он качается справа налево, то с другой. А если под углом, то он летит с какой-то промежуточной скоростью. Это потому, что раскачивать в таком кристалле электроны в одну сторону легче, чем в другую.
Значит, можно подобрать такой угол, при котором разница из-за дисперсии и разница из-за поляризации компенсируются, и оба луча летят с одинаковой скоростью. Поэтому, когда подставляешь кристалл под инфра-красный луч, его надо сначала покрутить и покачать, найти угол так, чтобы из него пошёл зелёный луч. И ещё неприятность – из-за этого угла лучи летят с одной скоростью, но немного в разные стороны. Превратить весь свет в зелёный не выйдет, даже если вырастить длинный кристалл – лучи расходятся.
И вот, для каждого лазера подбирают свой кристалл – такой, чтобы удваивал хорошо, чтобы лучи в нём не слишком расходились, чтобы не лопался от яркого света и не нагревался от него слишком сильно. Его режут под определённым углом и обычно греют до определённой температуры – ведь деликатное равновесие всех этих эффектов зависит от температуры. Теперь в большинстве лазеров кристалл хотя бы не надо всё время поворачивать – если что-то разладится, его надо подогреть чуть сильнее или слабее, а не повернуть.
Но есть другой способ справиться с дисперсией, и он мне кажется особенно красивым. Из экзотических кристаллов, которые растят для нелинейных трюков с лазерным светом, есть два особенных (у каждого есть свои химические братья). Ниобат лития LiNbO3 (LN) и титанилфосфат калия KTiOPO4 (KTP). Они нелинейные - их электроны легче толкнуть "туда", чем "сюда". Но направление этой нелинейности можно поменять – под действием пучка электронов или сильного поля "туда" и "сюда" меняются местами. И вот выращивают кристалл и после этого рисуют на нём микроскопическую зебру – полоса "туда", полоса "сюда". Причём его можно резать в направлении самого сильного нелинейного эффекта, а не под каким-то компромиссным углом. Эту "зебру" не видно глазами – кристалл выглядит прозрачным и бесцветным, как обычно. Такие "зебряные" кристаллы называются "периодически поляризованными" – PPLN и PPKTP.
Инфра-красный свет заходит в такой кристалл и начинает превращаться в зелёный. Но он летит быстрее зелёного, разница фаз накапливается и яркость зелёного перестаёт расти. Теперь она начнёт уменьшаться? Нет – лучи влетают в полосу перевёрнутого кристалла и зелёный опять начинает расти. Это как если бы раскачивающий качели энергичный папаша толкал бы чуть быстрее чем надо и ничего не мог бы с собой поделать. Вместо того, чтобы его сложно убеждать попасть в ритм, ему можно посоветовать обегать качели вокруг и начинать толкать с другой стороны, каждый раз когда он выбивается из ритма. Лазеров, в которых работают PPLN и PPKTP теперь много, и зебряные кристаллы работают в 10-20 раз эффективнее, чем обычные.
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2009-08-13 11:58 pm (UTC)no subject
Date: 2009-08-14 09:32 am (UTC)