Розділ vі. Змістовий модуль VI

§6.1. Лекційний матеріал Поняття про нелінійну оптику

1.Коротка історія розвитку нелінійної оптики

Серед великої кількості нових наукових і технічних можливостей, які відкрилися після створення лазерів, особливе місце займають нові напрямки дослідження, які з’явилися в самій оптиці. Одним із важливих і найбільш цікавих напрямків є дослідження залежності характеру оптичних ефектів у різних середовищах від інтенсивності світла. Ці дослідження стали можливими після створення лазерів і призвели до появи нової галузі фізики – нелінійної оптики.

Оптичні ефекти, характер яких залежить від інтенсивності випромінювання, називають нелінійними, а частина оптики, яка вивчає нелінійні оптичні ефекти (оптика потужних світових потоків), – нелінійною оптикою.

Початок сучасного етапу в розвитку нелінійної оптики (1961) пов’язаний зі створенням лазерів, які відкрили здатність випромінювання і використання нелінійних явищ фактично в усіх галузях фізики і прикладної оптики. З появою лазерів оптика отримала джерела когерентного випромінювання великої потужності. За допомогою імпульсних лазерів можна отримати інтенсивність світла І≈10⁷-10⁹ Вт/см². Потужні лазерні системи дозволяють отримати І≈10¹⁶ Вт/см². Напруженість світлового поля Е (І пропорційно Е²) в таких пучках порівняні або навіть перевищують поля всередині атома. В таких світлових полях з’являються нові оптичні ефекти і значно змінюється характер вже відомих явищ.

Разом з тим ясні уявлення про те, що закони лінійної оптики мають приблизний характер і використовуються лише для не дуже сильних світлових полів, існували і до появи лазерів. Близько 50 років тому С.І. Вавиловим поставлені досліди з метою появи нелінійних явищ. У 1923 р. С.І. Вавилов і В.Л. Левшин знайшли зменшення поглинання світла урановим склом з ростом інтенсивності світла і пояснили це тим, що в сильному електромагнітному полі більша частина атомів знаходиться у збудженому стані і вже не може поглинати світло. Вважаючи, що це лише один із більшості можливих оптичних нелінійних ефектів, Вавилов першим ввів термін «Нелінійна оптика». В 50-х рр. Г.Є. Горелик теоретично розглянув можливість спостереження ряду нелінійних оптичних ефектів за допомогою фотоелектричних помножувачів. Один із них – зміщення оптичного дублету з виділенням різниці частоти, яка лежить у діапазоні НВЧ, спостерігав у 1955 р. А.Форестер, Р.Гудмундсен і П.Джонсон (США). До нелінійної оптики відносяться і добре відомі електрооптичні ефекти (квадратичний ефект Керра). З’ясувалось, що вплив низькочастотного електричного поля на показник заломлення середовища має ту саму фізичну природу, що і такі нелінійні оптичні явища, як генерація оптичних гармонік і зсув частот.

В 1961 р. П. Франкен зі співробітниками (США) відкрив ефект подвоєння частоти світла в кристалах – генерацію 2-ї гармоніки. В 1962 р. спостерігалося потроєння частоти (генерація 3-ї гармоніки).

В 1961-1963 р. у СРСР (Р. В. Хохлов, С. О. Ахманов) і в США (Н. Бломберген) отримані фундаментальні результати в теорії нелінійних оптичних явищ, що заклали теоретичні основи нелінійної оптики.

В 1962-1963 р. відкрите й пояснене вимушене й комбінаційне розсіювання світла, що послужило поштовхом до вивчення вимушеного розсіювання інших видів.

В 1965 р. виявлене самофокусування світла. При цьому потужний світловий пучок, поширюючись у середовищі, у багатьох випадках не зазнає випробовує звичайної, так званої дифракційної розбіжності а, навпаки, мимовільно стискується.

В 1965 р. створені параметричні генератори світла, у яких нелінійні оптичні ефекти використовуються для генерування випромінювання, в якому можна плавно змінювати частоту. Такий генератор є надзвичайно важливим інструментом для виявлення будови речовини.

В 1967 р. почалося дослідження нелінійних явищ, пов'язаних із поширенням у середовищі надто коротких (тривалістю до 10^-12 с) світлових імпульсів.

З 1969 р. розвиваються методи нелінійної та активної спектроскопії. В даний час нелінійні явища спостерігаються і в інших галузях фізики. Нелінійні явища сьогодні знаходять широке застосування.