Нелинейная оптика

 

 

 

 

 

Нелинейная оптика - раздел оптики, в котором изучается распространение оптического излучения в среде и его взаимодействие со средой в условиях, когда существенными становятся изменения оптических свойств среды под действием излучения. Сам термин «нелинейная оптика» предложен С.И. Вавиловым, который совместно с В.Л. Левшиным опубликовал в 1926 г. результаты экспериментов по уменьшению поглощения (просветлению) среды для интенсивного света . К родственным предшествовавшим исследованиям можно было бы отнести и электрооптику, магнитооптику и т.д., в которых оптические свойства среды изменяются под действием статических или низкочастотных электрических и магнитных полей . Если исключить из предмета статические поля, оставаясь в области чисто оптического воздействия на среду, то к нелинейно-оптическим явлениям следует причислить и эффекты оптической накачки и ориентации в газах и полупроводниках. Так, в случае атомарных газов резонансное оптическое возбуждение меняет распределение населенностей энергетических уровней среды, что может приводить к существенному изменению оптических характеристик среды. Например, среда вместо поглощающей может стать усиливающей — собственно оптическая накачка, или обладающей упорядоченным механическим и магнитным моментом атомов или электронов и ядер - оптическая ориентация. Эксперименты по оптической накачке ввиду резонансного характера взаимодействия не требуют больших интенсивностей оптического излучения и впервые были реализованы А. Кастлером в 1953 г. еще до появления лазеров .



Однако бурное развитие нелинейной оптики практически совпадает с появлением лазеров, интенсивное излучение которых способно вызывать заметный нелинейный отклик среды . С практической точки зрения нелинейно-оптические явления позволяют, прежде всего, преобразовать характеристики лазерного излучения - его частоту, угловую расходимость, длительность импульса и ширину спектра. С их помощью можно также диагностировать среду в условиях, когда методы «линейной» спектроскопии неэффективны (нелинейная спектроскопия), и целенаправленно изменять саму структуру среды (лазерное охлаждение, силовая оптика, лазерная обработка материалов). С другой стороны, эти явления ограничивают возможности повышения мощности лазерных систем из-за оптического разрушения среды.

 

Нелинейно-оптические явления принципиально возможны в любых средах и даже в вакууме. Действительно, во-первых, в интенсивных полях происходит поляризация электрон-позитронного вакуума, ввиду чего последний подобно сплошной среде может характеризоваться нелинейной восприимчивостью, дисперсией и т.д. Такие квантовоэлектродинамические эффекты могут наблюдаться уже при достигнутом уровне лазерного эксперимента. Во-вторых, сгустки оптического излучения обладают энергией, которой в духе общей теории относительности можно было бы сопоставить массу. Гравитационное взаимодействие различных световых сгустков или частей одного и того же сгустка также уподобляет вакуум нелинейно-оптической среде. Более точно, здесь следует учитывать, что гравитационное взаимодействие зависит не только от энергий сгустков, но и от соотношения между направлениями их распространения; в низшем приближении по интенсивности излучения гравитационное взаимодействие отсутствует для сгустков с одинаковым направлением распространения. Этот «нелинейнооптический» механизм в обычных условиях крайне слаб и мог бы проявляться лишь в экстремальных астрофизических условиях . Гораздо сильнее нелинейно-оптические явления в обычных средах, возникающие    вследствие    взаимодействия    оптического (электромагнитного) излучения с электронами и ионами вещества. Этим случаем мы и будем, главным образом, далее ограничиваться.



В задачи нелинейной оптики входит, во-первых, теория изменения оптических свойств среды под действием излучения и, во-вторых, учет влияния такого изменения на характеристики распространяющегося в среде излучения. В общем плане нелинейная оптика сводится к теории взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Естественно, что эта задача должна включать теорию излучения и вещества по-отдельности. Полное описание излучения с учетом квантовых эффектов достигается в рамках квантовой электродинамики , а последовательная теория вещества и его взаимодействия с излучением основывается на квантовомеханическом уравнении для матрицы плотности . В случае интенсивного лазерного излучения, для которого число фотонов в основных модах много больше единицы, квантовой природой излучения обычно можно пренебречь. Тогда оправдан так называемый

 

Первый лазер

 


 Спонтанное излучение некогерентно. В этом случае атомы источника излучают свет независимо друг от друга Фазы волн, испускаемых различными атомами, их поляризация и направления распространения никак не связаны между собой. Обычные источники света — пламена, лампы накаливания, газоразрядные трубки, люминесцентные лампы и пр. — излучают некогерентно. В них свечение вызывается либо столкновениями между атомами, совершающими тепловое движение, либо электронными ударами. Правда, в таких источниках наряду со спонтанным происходит и индуцированное излучение. Однако оно возбуждается некогерентным спонтанным излучением, а потому и само некогерентно. Испускаемый свет характеризуется, большей или меньшей степенью беспорядка. Максимальный беспорядок достигается в равновесном излучении в полости. В нем представлены всевозможные фазы и частоты, всевозможные направления колебаний, всевозможные направления распространения света. Если заимствовать терминологию из акустики и радиотехники, то можно сказать, что указанные источники света генерируют не правильные или упорядоченные волны, а шумы, пригодные только для освещения, грубой сигнализации, получения изображений, фотографирования и пр., но не для передачи речи, телевидения и т. д., осуществляющихся посредством радиоволн, излучаемых радиостанциями.



Однако можно создать и когерентно излучающие источники света, в которых бы различные атомы излучали волны согласованно, подобно радиостанциям, т. е. с одинаковыми частотами, фазами, поляризацией и направлением распространения. Такие источники открыли широкие возможности для разнообразных научных и технических применений. Они называются оптическими квантовыми генераторами или лазерами. Слово «лазер» образовалось из первых букв полного английского названия «Light amplification by stimulated emission of radiation», что в переводе означает: усиление света посредством индуцированного излучения. Созданию лазеров предшествовало изобретение мазеров, т. е. усилителей микроволн, работающих также на принципе индуцированного излучения. Поэтому первоначально лазеры назывались оптическими мазерами.

 

Видеотека

Яндекс.Метрика