0. Влияние интенсивности излучения на оптические свойства вещества. Нелинейная оптика
Во
всех описанных ранее процессах
взаимодействия электромагнитных волн
с веществом в рамках классической
электродинамики мы молчаливо полагали,
что поляризуемость материала линейно
зависит от напряженности электрического
поля
,
(0.0)
где
—
диэлектрическая восприимчивость среды,
которая в первом приближении не зависит
от
и в случае однородного и изотропного
материала является скалярной величиной.
Восприимчивость определяет отклик
вещества на внешнее возбуждение.
Оценим
величину
,
при которой условие (0.0) является
справедливым. Напряженность внутриатомного
электрического поля, которую можно
оценить по формуле
,
(0.1)
где
— заряд электрона,
— размер атома. Полагая
СГСЭ,
см (боровский радиус), получим
СГСЭ.
(0.2)
В
сравнении с полем
и устанавливается предел (см. рис.0.0),
ниже которого справедливо условие (0.0)
.
,
(0.3)
где
– абсолютная величина амплитуды
электрического поля электромагнитной
волны.
Рис.
0.0. Характер потенциального поля
электронов в атоме.
В
случае выполнения условия (0.3) осциллятор
центр атома - оптический электрон
является гармоническим, т.е. характер
оптических явлений не зависит от
интенсивности света, а при прохождении
электромагнитной волны через среду
частота волны не изменяется. Подчеркнем,
что условие (0.3) является жестким, т.е.
подразумевается, что
пренебрежимо мало по сравнению с
.
Этому условию удовлетворяют практически
все источники световых волн до лазерной
эпохи. В случае лазерного излучения
картина качественно изменяется. Малая
расходимость, монохроматичность и
когерентность позволяет за счет
фокусировки получать экстремально
высокие интенсивности излучения.
Например, стандартный лазер, излучающий
и видимом диапазоне энергию
Дж при длительности импульса
=
10 нс, позволяет получить площадь пятна
фокусировки
мкм
.
В таких условиях интенсивность
сфокусированного излучения
I0
Вт/м
,
что соответствует напряженности поля
=
СГСЭ, то есть условие (0.3) заведомо
неверно. Характер взаимодействия
интенсивного излучения с веществом
становится нелинейным (по напряженности
внешнего поля
)
и многофотонным (по числу фотонов,
поглощаемых в элементарном акте
взаимодействия). Следует особенно
подчеркнуть, что нелинейные явления в
сильных электромагнитных полях возникают
не в результате нарушения принципа
суперпозиции для электромагнитного
поля, а в результате влияния электромагнитного
поля на поляризованность среды.
0.0. Основные эффекты нелинейной оптики
В современной оптике видное место занимают явления, связанные с нелинейностью отклика вещества на световое поле. Это такие явления как двухфотонное или многофотонное поглощение света, оптический пробой среды, вынужденное рассеяние света, самофокусировка световых пучков, самомодуляция импульсов, удвоение или утроение частоты света и тому подобные.
При всем многообразии нелинейно-оптических явлений можно выделить некоторые общие черты, присущие каждому из них. Во-первых, это сильная зависимость от интенсивности света. Как правило, нелинейно-оптический эффект становится заметным лишь при достаточно большой интенсивности света. Не случайно нелинейная оптика появилась лишь после создания лазера. Нелинейная оптика — это оптика сильных световых полей, оптика мощного лазерного излучения. Во-вторых, в нелинейно-оптических процессах возникают новые спектральные компоненты поля, различные световые волны сильно взаимодействуют между собой, происходит энергообмен между ними вплоть до полного преобразования одной волны в другую. Поэтому для нелинейных эффектов невозможно применение принципа суперпозиции. Принцип суперпозиции состоит в том, что различные световые волны, отличающиеся частотой, направлением распространения, поляризацией, распространяются и взаимодействуют со средой независимо друг от друга.
Среди многообразия процессов, обусловленных нелинейной восприимчивостью среды, мы рассмотрим только те, которые могут играть существенную роль при воздействии лазерного излучения на вещество, имея в виду обработку, изменение свойств материалов.