17.5. Многофотонное поглощение.

Если эффект насыщения делает среду, непрозрачную для сла-

бого светового поля, прозрачной для сильного, то для оптически

прозрачных сред может иметь место обратная ситуация. Здесь ин-

тенсивное излучение может поглощаться гораздо сильнее чем сла-

бое. Некая аналогия фотохромному эффекту, однако механизм со-

вершенно иной. Он состоит в том, что при больших плотностях

излучения и элементарном акте взаимодействия света с веществом

могут одновременно поглощаться два или несколько фотонов, сум-

ма энергий которых равна энергии перехода.

Эффект многофотонного поглощения используется, в основ-

ном, в так называемой многофотонной спектроскопии, дающей до-

полнительную информацию о строении вещества, недоступную для

обычной спектроскопии.

17.5.1. Многофотонный фотоэффект.

Эффект состоит в том, что при высокой интенсивности све-

тового поля ионизация атомов может производить под воздействи-

ем излучения, для которого энергия кванта меньше энергии иони-

зации. 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 величи-

на тока в фотоэлементе пропорциональна квадрату мощности ла-

зерного излучения.

17.6. Эффект самофокусировки.

Известно, что первоначально параллельный пучок света по

мере рапространения в среде (включая и вакуум) расплывается за

счет дифракционных явлений. Это справедливо при малых интен-

сивностях света, пока еще среда остается линейной. с увеличе-

нием мощности светового пучка его расходимость начинает умень-

шаться. При некоторой критической мощности пучок может

распространяться, вообще не испытывая расходимости (режим са-

моканализации), а при мощности, превышающей критическую, пучок

скачком сжимается к оси и сходится в точку наа некотором расс-

тоянии от места входа в среду ставшую теперь нелинейной. Про-

исходит пройесс самофокусировки. Это расстояние, называемое

эффективной длиной самофокусировки, обратно пропорционально

квадратному корню из интенсивности пучка. Оно также зависит от

его диаметра и оптических свойств среды. Открытие эффекта са-

мофокусировки пренадлежит Г.А.Аскорьяну (открытие - 67).

Физические причины этого эффекта заключаются в изменении

показателя преломления среды в сильном световом поле. В это

изменение вносит свой вклад также эффекты, как электрострик-

ция, высокочастотный эффект Керра и изменение преломления сре-

ды за счет ее нагрева в световом пучке. Вследствии этих эффек-

тов, среда в зоне пучка становится оптически неоднородной;

показатель преломления среды определяется теперь распределени-

ем интенсивности световой волны. Это приводит к явлению нели-

нейной рефракции, т.е. переферийные лучи пучка отклоняются к

его оси, в зону с большей оптической плотностью. Таким образом

нелинейная рефракция начинает конкурировать с дифракционной

расходимостью. При взаимной компенсации этих процессов и нас-

тупает самоканализация, переходящая в самофокусировку при при-

вышении критической мощности пучка. Процесс самофокусировки

выделяется среди прочих нелинейных эффектов тем, что он обла-

дает "лавинным" характером. Действительно, даже малое увеличе-

ние интенсивности в некотором участке светового пучка приводит

к концентрации лучей в этой области, а следовательно и к до-

полнительному возрастанию интенсивности, что усиливает нели-

нейную рефракцию и т.д.

Отметим, что критические мощности самофокусировки относи-

тельно не велики (для ниробензола - 25 квт, для некоторых сор-

тов оптического стекла - 1 вт), что создает реальные предпо-

сылки использования описанного эффекта для передачи энергии на

значительные расстояния.

Интересно, что при самофокусировке излучение импульсных

лазеров в органических жидкостях пучок после "охлопывания"

распространяется не ввиде одного пучка, а распадается на мно-

жество короткоживущих (10 в минус 10-ой степени сек.) узких

(мкм) областей очень сильного светового поля (около 10 в 7-ой

степени в/см) - световых нитей. Это явление обьясняют тем, что

при самофокусировке лазерных импульсов нелинейная среда рабо-

тает как линза с изменяющимися во времени фокусными расстояни-

ями, и быстрое движение фокусов (скорости порядка 10 в 6-ой

степени м/сек.) в сочетании с аберрациями "нелинейной линзы"

может создать длинные и тонкие световые каналы.

В нелинейной оптике уже обнаружено множество интересней-

ших эффектов. Кроме описанных выше, к ним относятся такие эф-

фекты как оптическое детектирование, гетеродинирование света,

пробой газов мощным излучением с образованием т.н. "лазерной

искры", светогидравлический удар, нелинейное отражение света и

другие. Некоторые из эффектов уже нашли применение не только в

научных исследованиях, но и в промышленности. Так например,

светогидравлический удар (см."Гидравлические удары") применя-

ется при штамповке, упрочнения материалов, для ударной сварки

и т.д., что наиболее себя оправдывает в производстве микроэ-

лектроники, в условиях особо чистых поверхностей.

17.7. Светогидравлический удар (открытие - 65)

Эффект заключается в том, что при пропускании мощного ла-

зерного излучения через жидкость в ней возникают акустические

волны с высоким давлением, достигающим миллиона атмосфер, соп-

ровождающиеся вспышкой белого света и выбросом жмдкости на

значительные расстояния, при этом тела, помещенные вблизи уда-

ра, подвергались сильным деформациям и разрушению. Точной тео-

рии эффекта еще нет, однако уже ясно, что это целый комплекс

явлений. Здесь и самофокусировка, увеличивающая интенсивность

световой волны в малом обьеме, и первоначальное ее поглощение,

связанное с ВРМБ (см. 17.1) и усиленное поглощение света обра-

зующейся плазмой, что приводит к возникновению ударной волны и

затем к авитации в жидкости. Предварительная фокусировка ла-

зерного пучка и введение в жидкость поглощающих добавок значи-

тельно усиливают проявления эффекта.

17.8. Нелинейная оптика.

Нелинейная оптика - новая и постоянно развивающаяся нау-

ка. Многообразие ее эффектов далеко не исчерпано известными

ныне. Так, совсем недавно были предсказания теоретически гис-

теризисные скачки отражения и преломления на границе нелиней-

ной среды - целый класс новых эффектов нелинейной оптики.

(Данных об эксперементальном подтверждении их существования

пока нет.)

Суть эффектов заключается в следующем. Если под небольшим

углом скольжения на границу раздела двух сред с близкими зна-

чениями диэлектрической проницаемости, одна из которых нели-

нейна, падает пучок мощного светового излучения, то при изме-

нении интенсивности излучения (угол падения фиксирования),

когда она достигает определенного значения, может произойти

скачок от прохождения к полному внутреннему отражению, при об-

ратном изменении интенсивности скачок от ПВО к прохождению

произойдет уже при другом ее значении. Такие же скачки могут

наблюдаться и при изменении угла падения, когда фиксировано

значение интенсивности.

Если существование этих эффектов подтвердится, то они мо-

гут быть широко использованы для исследования нелинейных

свойств веществаи в лазерной технике. Так, например, гистери-

зисная оптическая ячейка может служить идеальным затвором в

лазере при генерации гигантских импульсов, т.к. в режиме ПВО

практически не поглощает энергии; с помощью гистерезисных эф-

фектов можно будет с большой точностью измерять интенсивность

излучения, фиксируя скачки и т.д.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Квантовая электроника, Маленькая энциклопедия, изд. Советс-

кая энциклопедия, М., 1966.

2. Н.Бломберген, Нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1966

3. М.Шуберт, В.Вильгельми, Введение в нелинейную оптику пер. с

нем. "Мир", М., 1973.

4. Ф.Цернике, Дж.Мидвинтер, Прикладная нелинейная оптика, пер.

с англ., "Мир", М., 1976

5. Ю.П.Конюшая, Открытия и начно-техническая революция, "Мос-

ковский рабочий", М., 1974

6. Г.А.Аскарьян, ЖЭТФ, 42, 1567, 1962

7. А.Ю.Каплан, Письма в ЖЭТФ, 9, 58, 1969

8. А.К.Каплан, Письма в ЖЭТФ, том 24, вып. 3, 1976