ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-13

Нелинейные оптические эффекты (4)

Обращение волнового фронта

В конденсированных средах тепловое движение проявляется в колебаниях атомов и молекул. Из-за сильной связи атомов друг с другом эти тепловые колебания формируют набор плоских

звуковых волн широкого диапазона частот, распространяющихся во всевозможных

направлениях. Их спектр простирается от низких звуковых частот до гиперзвуковых (10...10" гц). Рассеяние света на упругих волнах, обусловленных тепловым движением, называется рассеянием Мандельштама-Бриллюэна (РМБ).

С точки зрения квантовой физики рассеяние Мандельштама-Бриллюэна можно представить как рассеяние фотонов частоты v на фононах (частицах, соответствующих звуковой волне так же, как фотоны соответствуют световой волне), движущихся в направлении распространения звуковой волны со скоростью v и имеющих энергию hv/2π. При рассеянии на фононах фотон частоты v исчезает, преобразуясь в фонон частоты v и фотон частоты v ± v. Знак изменения частоты определяется направлением распространения звуковой волны. Вероятности испускания фонона и появления нового рассеянного фотона не зависят от наличия фотонов, и в этом смысле рассеяние можно считать спонтанным процессом.

Если интенсивность падающего света велика, то в результате РМБ увеличится количество фононов, движущихся навстречу световому лучу, а следовательно, возрастает количество фотонов с частотой v - v. Вероятность рассеяния, пропорциональная числу фононов (т. е.

амплитуде звуковой волны), увеличивается, рождение фононов и фотонов рассеянного света происходит интенсивнее. При этом интенсивность звуковой волны и компоненты рассеянного

света с частотой v лавинообразно нарастают. Такой процесс называется вынужденным

рассеянием Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ).

При достаточно большой интенсивности исходного светового пучка, когда усиление превысит потери, амплитуды упругой волны и рассеянного света будут нарастать по мере распространения в нелинейной среде. Поскольку энергия этих волн берется из падающей световой волны, то нарастание будет продолжаться до тех пор, пока интенсивность рассеянного назад света не станет сравнима с интенсивностью падающего пучка.

В качестве сред с нелинейными оптическими характеристиками для получения эффекта ВРМБ наиболее часто используют различные кристаллы, сероуглерод CS2, ацетон, метан под высоким давлением. Если волновой фронт когерентного падающего луча отличается от плоского, то при ВРМБ наблюдается исключительно важное, с точки зрения лазерной техники, явление обращения волнового фронта. Суть его заключается в том, что волновой фронт излучения, рассеянного назад в нелинейной среде, в точности воспроизводит сколь угодно сложную структуру волнового фронта падающего пучка, отличаясь лишь противоположным направлением распространения.

Нелинейные оптические эффекты (5)

Интерес к этому эффекту связан, прежде всего, с возможностью его использования для коррекции волновых фронтов излучения лазеров. В активных средах мощных лазеров, к сожалению, присутствуют оптические неоднородности, связанные с особенностями протекающих в них рабочих процессов, что приводит к существенному искажению волнового фронта выходящего излучения и, следовательно, к увеличению расходимости лазерного луча. Обращение волнового фронта на ВРМБ позволяет осуществить самокомпенсацию искажений, вносимых

фазовыми неоднород

активной среды. При этом, что особенно важно, компенсируются не только статические но и динамические фазовые искажения.

На рис. представлена

возможная схема формирования

мощного лазерного излучения высокого качества с помощью обращения волнового фронта. Луч маломощного генератора, в котором удается обеспечить дифракционную расходимость, поступает в усилитель, активная среда которого характеризуется наличием фазовых неоднородностей. Эти неоднородности искажают волновой фронт и ухудшают расходимость

усиленного излучения. Пс еле обращения волнового фронта в среде с нелинейными

характеристиками за счет ВРМБ излучение вновь проходит черрез усилитель, причем те неоднородности, которые на прямом проходе искажали фазовую структуру пучка, на обратном выправят обращенную и усиленную волну до высокого качества исходного луча.

Нелинейные оптические эффекты(6)

Вынужденное комбинационное рассеяние При рассмотрении молекулярного рэлеевского рассеяния света предполагалось, что для

монохроматического падающего излучения рассеянное излучение характеризуется той же частотой. Однако при рассеянии света в среде частотой v, содержащей многоатомные молекулы, в спектре рассеянного света наблюдаются добавочные линии (сателлиты), сопровождающие каждую из спектральных линий первичного света. Это явление называется комбинационным рассеянием. Рассеянное излучение оказывается промодулироваиным по частоте внутримолекулярными колебаниями атомов, составляющих молекулы рассеивающей среды. В спектре рассеянного излучения появляются составляющие с частотами v ± v, где v -частота собственных колебаний атомов. Таким образом, спектр комбинационного рассеяния -состоит из трех частот: основной v и двух боковых частот v + v, называемой стоксовой -компонентой, и v- v, называемой антистоксовой компонентой.

Исследование спектров комбинационного рассеяния представляет собой исключительно перспективный метод изучения различных сред, поскольку спектры комбинационного рассеяния каждого вещества несут много информации о внутримолекулярных взаимодействиях и структуре молекул. С ростом интенсивности падающего монохроматического излучения может возникать качественно новый вид комбинационного рассеяния - вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР). При малой интенсивности падающего излучения фазы отдельных рассеянных квантов случайны, поскольку случайны и фазы собственных колебаний отдельных атомов в молекулах. В результате рассеянное излучение некогерентно. При большой интенсивности падающего когерентного излучения за счет нелинейности среды в ней возбуждаются интенсивные когерентные внутримолекулярные колебания, резко возрастает интенсивность рассеянных компонентов и их состав. Появляются кванты с частотами v + n v и v - n v, где п = = 1, 2, 3... . Их называют соответственно первая, вторая, третья стоксовые (частоты v + n v) и антистоксовые компоненты (частоты v – nv).

Явление ВКР используется для плавной перестройки частоты лазерного излучения. Поскольку рассеиваютцими средами могут быть различные газы, жидкости и твердые тела, а v

определяется огромным количеством энергетических состояний в них (электронных,

колебательных, вращательных), то с помощью ВКР перестройка частоты может быть в широком спектральном диапазоне.