§ 104 Поняття про нелінійну оптику

Важливим елементом взаємодії світла з речовиною в поляризація середовища, в якому поширюється випро­мінювання. При звичайних інтенсивностях випроміню­вання, які відповідають некогерентним джерелам світла, електрична поляризація речовини лінійно зв'язана із зовнішнім електричним полем за законом

де Р — дипольний момент одиниці об'єму речовини, в якому діє зовнішнє електричне поле з напруженістю Е. З виникненням лазерів оптика дістала джерела коге­рентного випромінювання великої потужності. За допомо­гою імпульсних лазерів можна дістати інтенсивності світ­ла / ~ 10" —10¹³ Вт/м². Потужні лазерні системи дають можливість дістати / ~ 10^2и Вт/м². Напруженості світло-

вого поля Е (І пропорцюнальна Е²) в таких пучках порів­нянні чи навіть перевищують внутріатомні поля. Сильне світлове поле змінює оптичні характеристики середовища (показник заломлення, коефіцієнт поглинання тощо), які стають функціями напруженості електричного поля Е світ­лової хвилі, тобто поляризація середовища Р нелінійно залежить від напруженості Е. Нелінійність залежності між поляризацією середовища і напруженістю діючого світлового поля веде до виникнення нових оптичних ефек­тів і до істотних змін у характері вже відомих оптичних

явищ.

До основних нелінійних світлових явищ, які відігра­ють велику роль у сучасній науці й техніці, відноситься оптичне детектування (випрямлення), або наведен­ня світловими хвилями статичної електричної поляризації, відкрите експериментально у 1962 р. Якщо на поверхню середовища падає монохроматична світлова хвиля з коло­вою частотою (о вздовж деякої осі х, тобто Е= Ео cos (o>t — — кх), то поляризація середовища Р складається з трьох компонентів: 1) з хвилі поляризації, яка коливається на частоті падаючої хвилі; 2) з хвилі поляризації з подвій­ною частотою 2(о і новим хвильовим числом /г і і 3) з постій­ної (статичної) поляризації. Появу статичної поляризації називають оптичним випрямленням (детектуванням) високочастотного електромагнітного (світлового) поля. Це явище оптичного випрямлення можна експериментально виявити різними приладами.

При взаємодії сильного світлового поля з середовищем падаюча хвиля частоти м може збуджувати хвилі з подвій­ною, потрійною та вищими частотами — генерувати гар­моніки. Цей ефект експериментально виявлено в 1961 р. П. Франкеном із співробітниками (США). Генерація оптичних гармонік має багато спільного з помноженням частоти в нелінійних елементах радіопристроїв, однак в оптиці ці ефекти є результатом взаємодії із середовищем не коливань, а хвиль. Оптичні помножувачі частоти вико­ристовуються для перетворення довгохвильового випромі­нювання лазерів у випромінювання короткохвильового діапазону.

При потужності світлового пучка, яка перевищує деяке критичне значення Р_кр в середовищі, замість звичайної дифракційної розбіжності початкового паралельного пуч­ка може спостерігатися його самостискання. Іноді, наприклад під час поширення випромінювання потужних імпульсних лазерів у рідинах, самостискання носить

кількох фотонів в одному елементарному акті так, щоб виконувалася умова:

характер «захлопування» пуч­ка, супроводжуване настільки швидким наростанням інтен­сивності світлового поля, що може викликати світловий пробій.

В інших випадках, напри­клад при поширенні випромі­нювання газових лазерів не­перервної дії у стеклах, на­ростання інтенсивності поля також помітне, хоча і не в таким швидким. Самостискання в певному розумінні схоже на фокусування пучка звичайною лінзою. Явище самофокусування обумовлене тим, що в сильному світло­вому полі змінюється показник заломлення середовища. Оскільки обмежений за фронтом світловий пучок завжди має велику інтенсивність по осі пучка, то показник залом­лення також матиме більше значення на осі пучка і змен­шується до його периферії. Внаслідок цього швидкість хвилі на периферії буде більша, ніж на осі, що приведе до загинання країв фронту хвилі до осі пучка (мал. 215). Отже, матиме місце фокусування пучка, яке дістало назву самофокусування, оскільки світлова хвиля сама обумов­лює це явище. Явище самофокусування веде до сильного зростання питомої потужності світлового пучка і обумов­лює подальше посилення нелінійних світлових явищ в ре­човині, які без самофокусування могли б не проявитися. Зворотний ефект — самодефокусуванвя виникає, якщо речовина в області, зайнятій світловим пучком, стає оптич­но менш густою (л < 0). У цьому випадку потужний лазер­ний пучок розходиться значно швидше, ніж пучок малої інтенсивності. Самодефокусування спостерігається при поширенні потужних лазерних пучків у атмосфері.

Квантова теорія поглинання світла виходить з того, що це явище проявляється помітним чином тоді, коли енергія hv квантів світла, яке падає на речовину, має величину, що практично дорівнює різниці рівнів енергії атомів цієї речовини:

У кожному елементарному акті взаємодії світла й речо­вини поглинається один фотон і тому процес є однофотон-ним. При опроміненні речовини досить потужними світло­вими потоками від лазерів, які дають велику об'ємну густину випромінювання, може мати місце поглинання

У цьому випадку відбувається багатофотонне погли­нання. Енергія кожного фотона тут в N разів менша за енергію фотона, який поглинається в однофотонному акті поглинання. Багатофотонні процеси поглинання можуть відбуватися не лише при наявності фотонів одного сорту, а й у тому випадку, якщо є суміш фотонів різних енергій.

Середовища, непрозорі для слабкого випромінювання, можуть стати прозорими для високоінтенсивного випро­мінювання (просвітлення), і, навпаки, прозорі матеріали 'можуть «затемнятися» відносно потужного випроміню­вання (нелінійне поглинання). Це пояснюється залежні­стю коефіцієнта поглинання від інтенсивності світла. Якщо інтенсивність резонансного (відносно поглинаючого сере­довища) випромінювання велика, значна частина частинок середовища переходить з основного в збуджений стан і заселеності його верхніх і нижніх рівнів вирівнюються. Настає так зване насичення резонансного переходу, внаслідок якого середовище перестає поглинати, тобто стає прозорим для даного резонансного випромінювання.

Практично всі основні нелінійні оптичні явища (генера­ція гармонік і перетворення частот в широкому діапазоні спектра, самофокусування і самодефокусування лазер­них пучків, нелінійне поглинання і просвітлення тощо) лягли в основу спектроскопічних методів, які застосо­вуються для дослідження газів, рідин і твердих тіл,— методів нелінійної спектроскопії.

Явища нелінійної оптики використовуються для ство­рення нових джерел когерентного оптичного випроміню­вання, перетворення частоти, детектування, перетворення сигналів і зображень. Особливо важливим класом не­лінійних оптичних приладів є параметричні генератори світла — лазери, здатні генерувати потужні когерентні випромінювання в широких межах частот.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ И ВИСНОВКИ

1. До початку XX ст. наука нагромадила значну кіль­кість фактів, які свідчили про складну будову атома. В першому десятиріччі XX ст. Е. Резерфорд бомбардував атоми важких елементів альфа-частинками і вивчав резуль­тати їх розсіювання. За допомогою дослідів і теоретичних

розрахунків Резерфорд установив, що майже вся маса атома зосереджена в його ядрі, розміри якого за порядком величини становлять 10 —10~¹⁵ м. Заряд атомного ядра додатний і дорівнює порядковому номеру елемента, помноженому на модуль заряду електрона.

2. На основі дослідів Е. Резерфорд запропонував пла­ нетарну модель атома, згідно з якою електрони обер­ таються навколо ядра по орбітах, подібно до обертання планет навколо Сонця. Проте такий атом згідно із зако­ нами класичної фізики не може бути стійким, оскільки електрони повинні випромінювати електромагнітні хвилі і, втрачаючи енергію, впасти на ядро.

3. Вихід з цих утруднень був знайдений Н. Бором. У 1913 р. він створив якісно нову модель атома, яка об'єд­ нала ядерну модель Резерфорда, закономірності лінійча­ стих спектрів і квантовий характер випромінювання та поглинання. Згідно з постулатами Бора атом може пере­ бувати лише в особливих стаціонарних станах, кожному в яких відповідає певна енергія Е_п. В стаціонарному стані атом не випромінює. Випромінювання і поглинання світла відбувається при переході атома з одного стаціонарного стану в інший. Енергія випроміненого або поглинутого фотона дорівнює різниці енергій стаціонарних станів:

понять координат і імпульсів. Межі застосовності кла­сичних понять установлюють співвідношення неозначено­стей Гейзенберга:

Існує також співвідношення неозначеності для енергії і часу:

7. У 1916 р. А. Ейнштейн передбачив, що перехід елек­ трона в збудженому атомі з верхнього енергетичного рівня на нижній може відбуватися не лише самодовільно (спон­ танно), а й під впливом зовнішнього електромагнітного поля. Таке випромінювання називають вимушеним або індукованим, воно монохроматичне і когерентне. Саме ця властивість індукованого випромінювання лежить в основі будови лазерів.

8. Взаємодія потужних світлових пучків з речовиною веде до зміни її оптичних характеристик і виникнення нелінійних світлових явищ: наведення світловими хвиля­ ми статичної електричної поляризації; збудження падаю­ чою світловою хвилею частоти w хвиль з подвійною, потрійною та вищими частотами; самофокусування, бага- тофотонне поглинання світла тощо.

7. Теорія Бора дала можливість пояснити лінійчасті спектри, розрахувати частоти спектральних ліній атома водню, визначити його енергію іонізації. Однак розраху­ вати спектри інших атомів теорія Бора не змогла. Вона не змогла пояснити і стійкість атома.

8. Труднощі, з якими зіткнулась теорія атома Бора, вказали на необхідність її перегляду. Одним з наслідків такого перегляду стала гіпотеза Л. де Бройля (1925 р.) про хвильові властивості частинок. Гіпотеза де Бройля в 1927 р. була підтверджена експериментально Девіссоном і Джермером. Виявилося, що атом і атомні частинки по­ ряд з корпускулярними мають і хвильові властивості. Корпускулярно-хвильовий дуалізм — загальна властивість частинок речовини і фотонів електромагнітного поля. Квадрат амплітуди хвилі де Бройля в даній точці просто­ ру є мірою ймовірності того, що частинка знаходиться в цій точці.

9. Корпускулярно-хвильовий дуалізм частинок свід­ чить про об'єктивно існуючі обмеження в можливості опису поведінки мікрооб'єктів за допомогою класичних

Розділ VIII. ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

Вивчення властивостей атомних ядер, їх різних пере­творень і ядерних (радіоактивних) випромінювань має винятково велике наукове і практичне значення. Ядерна фізика є основою ядерної енергетики. Різноманітні застосу­вання в науці, медицині, сільському господарстві дістали радіоактивні різновидності атомних ядер. Вивчати ядерну фізику доцільно кожному. Ви дізнаєтеся про методи реєстрації радіоактивних випромінювань, про допусти­мі рівні радіоактивності і засоби захисту від опромінення.

Кожен атом має негативно заряджену електронну оболонку і позитивно заряджене атомне ядро. В ядрі зосе­реджена майже вся (понад 99,95 %) маса атома. З точки зору атомних масштабів ядра мають мізерно малі роз­міри і гігантську міцність. Розміри ядер становлять Ю~"—Ю~'⁵м, у той час як для зовнішніх електронних оболонок атомів характерні розміри порядку 10~'''м.

Для відривання обох електронів від атома гелію достатньо енергії 79 еВ, а для розривання ядра гелію на складові частини необхідна в сотні тисяч разів більша енергія: 28МеВ=28 10^беВ.

Така різниця в масштабах є причиною різкого якісного розмежування явищ атомної і ядерної фізики. В атомній фізиці мають справу з такими великими відстанями, що ядро майже завжди можна розглядати просто як зарядже­ну матеріальну точку. В ядерній фізиці мають справу з такими великими енергіями, що майже завжди можна нехтувати впливом процесів, які відбуваються в електрон­них оболонках, на структуру ядра і хід ядерних реакцій.