Параметрична генерація світла

Нелінійні оптичні явища у кристалах дозволяють перетворювати випромінювання лазера не тільки у випромінювання гармонік сумарних і різницевих частот, а й у випромінювання із частотами, які можна плавно змінювати. Принцип такого перетворення запропонований у 1962 році С.А.Ахмановим і Р.В.Хохловим. Він полягав у наступному. Якщо на середовище падає інтенсивна світлова хвиля «накачки» і дві слабкі хвилі, частоти яких пов’язані співвідношенням:

,

то виникне перевипромінювання хвиль із тими же частотами і . Це призводить до підсилення хвиль таких частот за рахунок енергії хвилі «накачки». Таке явище називається параметричним підсиленням світла. Взаємодія з хвилею «накачки» буде особливо сильною, якщо фази хвиль досить довго співпадають з фазами обох хвиль і . Ця умова називається умовою фазового синхронізму між хвилею «накачки» і обома хвилями з частотами і . Для ефективного підсилення цих хвиль треба хвилю «накачки» змусити багаторазово проходити через нелінійне середовище (кристал). Для цього її, як у лазерах, поміщають в оптичний резонатор між двома дзеркалами. Обидва дзеркала повинні мати досить високі коефіцієнти відбивання для хвиль обох частот ( і ) і в той же час, одне з них, через яке входить хвиля «накачки», повинно бути досить прозорим для цієї хвилі.

Немає необхідності спеціально посилати в резонатор хвилі з частотами і _. Вони самі виникають або через шум, або через наявність теплових флуктуацій. Відбувається самозбудження генератора з наступним підсиленням генерованих хвиль при нелінійній взаємодії їх із хвилею «накачки».

Як хвилю «накачки» зазвичай використовують другу (чи третю) гармоніку рубінового чи неодимового лазера.

Обертаючи кристал (чи змінюючи його температуру, а також накладаючи постійне електричне поле), можна змінювати частоти і , для яких напрямок, перпендикулярний до дзеркал, є напрямком синхронізму. Саме так діють параметричні генератори когерентного світла, які дозволяють плавно змінювати частоту. КПД таких генераторів, який визначається відношенням потужностей параметрично генерованих хвиль до потужності хвилі накачки, досягає декілька відсотків при вихідній потужності в декілька десятків і сотень кВт. Плавно змінюючи параметричний генератор світла, можна пройти весь діапазон видимого світла від червоного до фіолетового, а також далеко проникнути в інфрачервону ділянку спектра.

Багатофотонний ефект

На відміну від лінійної оптики, де має місце поглинання фотона частоти ν, коли енергія фотона близька до різниці між енергетичними рівнями атома чи молекули, у потужних світлових потоках можуть мати місце поглинання атомом одночасно двох або кількох фотонів і поглинання світла може відбуватися не тільки для ν, але й для частот ν/2 , ν/3 і т.д. Таке поглинання світла середовищем із резонансною частотою ν називають відповідно двофотонним, трифотонним і т.д.

Вперше двофотонне поглинання виявлено у 1961 році на кристалах фтористого кальцію, активованих європієм, при освітлюванні рубіновим лазером ( ).

До багатофотонних процесів відноситься також багатофотонний фотоефект. При достатньо великій інтенсивності світла можливе поглинання електроном двох, трьох і більше фотонів. Червона межа фотоефекту перестає бути постійною величиною і починає зміщуватися у бік малих частот із зростанням інтенсивності світла. У цьому випадку рівняння Ейнштейна запишеться так:

, 6.13

де N – число фотонів, які одночасно поглинаються електроном. Величина енергії кожного фотона буде у N разів меншою від енергії фотона, який поглинається при однофотонному акті поглинання.

Методологічне значення багатофотонних процесів полягає в тому, що такі фундаментальні співвідношення, як правило частот Бора і рівняння Ейнштейна для фотоефекту не є універсальним.