Физические эффекты и явления

М.,1969

7. Р.Дитчберн,Физическая оптика, пер. с англ.,М.,1965

8. Г.Иос,Курс теоретической физики, "Учпедгиз", М.,1963

9. М.Борн, Атомная физика, пер. с англ., М.,1965

10. А.с. 154680, 178905, 243872, 268819, 391672, 416595,

474724

США патенты 3588214, 3558215, 3558415, 3588223, 3811778

Великобритания, заявка 1354509

ФРГ заявка 2333242

Франция, заявка 22099357

17. ЭФФЕКТЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ.

До сих пор мы рассматривали оптические явления в предположении, что интенсивность (вт. см2) световой волны никак не влияет на физику явления. Так оно и было до тех пор, пока в оптике оперировали со световыми волнами, напряженность электрического поля которых была пренебрежительно мала по сравнению с внутренним электрическим полем (10 в девятой степени в/см), определяющим силы связи оптического электрона с ядром атома. Однако, с появлением лазеров, опыта со световыми пучками, интенсивность которых достигает NNNNN вт.см2,(электрическое поле световой волны соизмерно с внутриатомным, показали, что существует сильная зависимость характера оптических эффектов при достижении некоторых пороговых знаний интенсивности.

Оптические эффекты, характер которых зависит от интенсивности излучения называют нелинейными. Далее мы приведем некоторые из них.

17.1. Вынужденное рассеяние света.

Случайные изменения плотности среды, обусловленные тепловыми движениями молекул (тепловые акустичекие волны), рассеивают световую волну и модулируют ее по частоте, при этом возникают сателлиты с частотами, равными сумме и разности частот световой волны и тепловых акустичеких колебаний (спонтанное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна). Однако отношение интенсивности сателлитов интенсивности падающего излучения составляет лишь 10 в минус шестой степени.

При увеличении интенсивности падающего излучения выше порогового значения происходит следующее. Под действием электрического тока из-за явления электрострикации возникают импульсы избыточного давления, достигающие в поле лазерного луча дес. тыс. атмосфер. Возникает акустическая волна давления (гипарзвук, 10 в 10-ой степени Гц), изменяющая показатель преломления по закону бегущей волны. Эти изменения показателя преломления образуют в среде как бы дифракционную решетку, на которой и происходит рассеяние световой волны. При этом интенсивность сателлитов становися сравнимой с интенсивностью падающей волны, а количество их возрастает. Описанный эффект называется вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.

При достаточно больших интенсивностях падающего излучения нелинейная среда стать может генератором звука со световой накачкой. С помощью лазеров удается возбуждать мощные (до 10 квт) гиперзвуковые колебания во многих жидкостях и твердых телах.

Свой нелинейный аналог и комбинационное рассеяние (см."Поглощение и рассеяние"). При вынужденном комбинационном рассеянии мощное световое излучение возбуждает в среде когерентные колебания молекул, на которых и происходит его рассеяние с образованием суммарных и разностных сателлитов. Частота наиболее мощного из них меньше частотоы падающего света на частоту молекулярных колебаний.

Так, при рассеянии красного излучения лазеров в камере со сжатым водородом, когда интенсивность достигает пороговой величины около 10 в 8-ой степени вт/см2, число компонентв рассеянном излучении настолько возрастает и их интенсивность настолько высока, что, луч, выходящий из газа, из красного становится белым. Аналогичен опыт по ВКР в жидкостях, например, в нитробензоле. Особенность здесь в том, что рассеянные компоненты с различной длиной волны пространственно разделены и образуют на экране цветные кольца.

Вынужденное расеяние (ВКР и ВРМБ) применяется, в основном, для последования структуры и свойств вещества, для изучения нелинейных процессов в средах. Используется также для накачки полупроводниковых ОКР, для управления параметрами твердотельных ОКГ. Может использоваться для создания преобразователей частоты мощного когерентного света в ультрафиолетовой, видимой и особено инфракрасной областях спектра

17.2. Генерация оптических гармоник.

При рассеянии интенсивного лазерного излучения в жидкостях и кристаллах, помимо описанных выше боковых спектральных компонент, обнаруживаются компоненты с частотами, в точности кратными частоте падающего излучения (двухкратными, трехкратными и т.д.), называемые оптическими гармониками. В некоторых кристаллах эти гармоники могут составлять до 50% рассеянного излучения. Таким образом, если направить красное излучение рубинового лазера (0,69 мкм) на кристалл дигидросфата калия, то на выходе можно получить невидимое ультрафиолетовое излучение (0,345 мкм).

17.3. Параметрическая генерация света.

Поместим нелинейный кристалл в оптический резонатор и направим на него мощное световое излучение накачки. Одновременно подадим на кристалл два слабых излучения с чатотами, сумма которых равна частоте излучения накачки. При этом в кристалле возникает генерация двух мощных когерентных световых волн, частота которых равна частотам этих двух слабых излучений. В действительности же, кроме волны накачки, нет необходимости ни в каких дополнительных излучениях, т.к. в кристалле всегда найдутся два спонтанно излучающих фотона с соответствующими частотами. Существенным является то, что при повороте кристалла в резонаторе, частоты генерируемых волн могут плавно перестраиваться, в сумме оставаясь равными частоте волны накачки. Это позволяет создавать оптические преобразователи, квантовые усилители и генераторы, плавно перекрывающие широкий диапазон излучений от видимого до далекого инфракрасного при фиксированной частоте накачки.

ФРГ патент 1 287 229: Преобразователь частоты содержит неинейный электрооптический двоякопреломляющий кристалл, через который когерентный входной световой сигнал пропускается под таким углом к оптичекой оси кристалла, что внутри кристалла возникают два колебания с другими частотами. Эти колебания согласованы между собой и в кристалле модулируются или регулируются по фазе одновременно.

Нелинейный кристалл расположен внутри оптического резонатора и подвергается не только электрооптической модуляции, но и регулировке по температуре с целью подстройки частоты.

17.4. Эффект насыщения.

Так называют эффект уменьшения интенсивности спектральной линии поглощения (или вынужденного излучения) при увеличении мощности падающего на вещество внешнего электромагнитного излучения. Причиной эффекта насыщения является выравнивание населенности двух уровней энергии, между которыми под действием излучения происходят вынужденные квантовые переходы "вверх" (поглощение) и "вниз" (вынужденное излучение). В случае поглощения при этом уменьшается доля мощности излучения, поглощенного веществом. Абсолютная величина поглощаемой мощности при этом, однако не падает, а увеличивается, стремясь к некоторому пределу. В случае активного вещества с инверсией населенностей эффект эффект насыщения приводит к уменьшению мощности вынужденного излучения, что ставит предел величине усиления в квантовых усилителях.

Однако эффекту нашли широкое применение в лазерной технике, где он используется для модуляции добротности оптических резонаторов с помощью просветляющихся под действием мощного излучения светофильтров. Кроме того, эффект насыщения используется для создания инверсии населенностей в трехуровневых квантовых системах.

17.5. Многофотонное поглощение.

Если эффект насыщения делает среду, непрозрачную для слабого светового поля, прозрачной для сильного, то для оптически прозрачных сред может иметь место обратная ситуация. Здесь интенсивное излучение может поглощаться гораздо сильнее чем слабое. Некая аналогия фотохромному эффекту, однако механизм совершенно иной. Он состоит в том, что при больших плотностях излучения и элементарном акте взаимодействия света с веществом могут одновременно поглощаться два или несколько фотонов, сумма энергий которых равна энергии перехода.

Эффект многофотонного поглощения используется, в основном, в так называемой многофотонной спектроскопии, дающей дополнительную информацию о строении вещества, недоступную для обычной спектроскопии.

17.5.1. Многофотонный фотоэффект.

Эффект состоит в том, что при высокой интенсивности светового поля ионизация атомов может производить под воздействием излучения, для которого энергия кванта меньше энергии ионизации. Это обьясняется тем, что происходит одновременное поглощение нескольких фотонов, сумма энергий которых больше энергии ионизации атомов. Здесь просматривается некая анология с антистоксовской люминесценцией (см."Люминесценция"). Следует отметить, что, например, для двухфотонного фотоэффекта величина тока в фотоэлементе пропорциональна квадрату мощности лазерного излучения.