Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотренные опыты (см. § 4.6) по получению излучения удвоенной частоты (второй гармоники) являются частным слу-
449
чаем реализации волны суммарной частоты, что очень важно для создания генераторов в различных областях спектра. Обратный эффект — перекачивания энергии в нелинейной среде при соблюдении условий синхронизма из мощного излучения со =} — coj + сй2 в более слабые волны частот coi и а>2 — был предложен Р.В.Хохловым и С.А.Ахмановым для создания параметри-у ческих генераторов и усилителей световых потоков. На языкё квантовой физики все эти процессы преобразования частоты представляют собой многофотонные процессы. Так, например, удвоение частоты будет трехфотонным процессом — гибнут два фотона с энергией Асо и рождается один фотон энергии 2/ко. В этих же терминах могут быть описаны процессы поглощения и усиления света, для истолкования которых непригодна описанная в § 4.6 классическая модель.
В таких экспериментах широко применяется понятие оптической накачки, введенное А.Кастлером в 50-е годы. Это явление, связанное с опустошением нижнего (основного) уровня и переходом атомов на какой-либо третий (промежуточный) уровень, широко используется в спектроскопии и лазерной физике, так как здесь создается значительное превышение числа атомов в более высокоэнергетическом состоянии (рис. 8.28), создающее предпосылки для возникновения лазерного излучения.
Многофотонные процессы играют в этих опытах большую роль, что, возможно, предвидел еще Эйнштейн при формулировке закона фотоэффекта в 1905 г., указав, что передача одному электрону всей энергии одного кванта является простейшим случаем обмена энергии между этими частицами.
Ограничимся приведенными примерами использования законов сохранения для описания элементарных актов взаимодействия фотонов с электронами. В руководствах по 8.28. Простейшая схема опти- атомной физике подробно иссле-
ческой накачки , ,
дуются весьма тонкие эффекты, которые были открыты в результате такого подхода к различным явлениям (эффект Мессбауэра и др.). Там же обсуждены интересные экспериментальные исследования этих процессов, доказывающие, что законы сохранения справедливы не в среднем, а для каждого элементарного акта. Укажем также, что квантовые представления оказались чрезвычайно полезными при энергетическом анализе процессов взаимодействия света с веществом. Так, например, фотонная теория позволила разобраться в ме-
450
ханизме различных фотохимических процессов, что было невозможно при исследовании этих явлений в рамках волновой оптики.
За последние годы существенно повысился интерес к вопросам, связанным со статистическими характеристиками света. Интенсивно изучаются когерентные световые поля, обладающие неклассической статистикой фотонов. Эти работы, в частности, имеют целью уменьшить флуктуации фотоприема до уровня, определяемого дробовым шумом фототока. В рамках этой книги невозможно рассматривать эти работы, основанные на квантовой электродинамике и представляющие синтез волновых и корпускулярных представлений. Мы ограничимся предельно кратким указанием на цикл работ”, в которых возможность наблюдения флуктуаций фотонов изучалась в классических схемах волновой оптики (интерферометры Юнга и Майкельсона) с использованием современных методов регистрации фототока.
Если мы рассмотрим схему таких измерений на основе метода Юнга (рис. 6.48), то найдем ответ на вопрос, почему в этой схеме столь мало светя, что возникают серьезные трудности с ее лекционной демонстрацией. Простые оценки показывают, что световой поток в интерферометре должен быть столь мал, что его средняя энергия <W> не превышает одной десятитысячной от энергии кванта hv. А это значит, что в каждую секунду излучается 105 — 106 фотонов, способных интерферировать. Если исходить из равномерного во времени их испускания, то между каждым попаданием такого фотона в интерферометр проходит 10'5 — 10~6 с, в то время как путь его до приемника, как правило, не превышает 50 см, т.е. должен занимать менее 10"9 с. Следовательно, интерферометр подавляющую часть времени пуст, а пролетающий через него каждую микросекунду одиночный фотон попадает в одну из двух щелей с вероятностью, определяемой условиями эксперимента. Наблюдение за более длительный промежуток времени и дает на выходе статистическое усреднение, т.е. интерференционную картину.
Эти оценки были подтверждены прямыми измерениями, которые при правильном учете геометрии эксперимента и квантового выхода фотоприемника полностью подтвердили сформулированные выше данные. Аналогичные опыты были проделаны с интерферометром Майкельсона, в которых определяющую роль играла временная когерентность.
Мы видим, как тесно переплелись здесь волновая и фотонная оптика и сколь опасно воздвигать непреодолимую стену между
" См.: Калитеевский Н.И., Пеньков С.Н., Марченко О.М. //Вестник ВШ (физика). 1985. Т. 3. С. 65; Т. 4. С. 28, и др.
451
этими двумя предельными методами описания сложных оптических явлений.
Заканчивая это предельно краткое изучение свойств фотона, целесообразно сформулировать следующие общие соображения { Введение понятия фотона привело фактически к созданию новой корпускулярной теории света, хорошо объясняющей некоторые оптические явления, истолкование которых в рамках волновой теории было затруднительно, а иногда невозможно. В то же время при правильном описании явлений эта теория не приводит к противоречию с исходными положениями волновой оптики. В частности, можно описать явления на границе двух сред в терминах как волновой, так и корпускулярной оптики. Конечно, было бы грубой ошибкой отождествлять скорость электромагнитных волн и скорость корпускул и пытаться поставить какой-либо решающий опыт, позволяющий выбрать одну из двух дополняющих одна другую теорий для описания всех сложных оптических явлений. Следует учитывать, что волновая и корпускулярная картины — это классические крайности (пределы) квантово-механической сущности явления, полностью соответствующей дуализму материи.
