Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотрим эту фундаментальную позволяющего резко увели -проблему чуть подробнее. Хорошо ИЗ- чнть интенсивность света вто-вестно, ЧТО при амплитудной модуля- 1)00 гармоники
ции излучения частоты ю возможно
появление двух соседних частот со ± Дсо, чем широко пользуются в радиофизике. Очевидно, что если рассматривать самомодуля-цию через нелинейную среду, то разностная частота пропадает, сумма со + со = 2со и в принципе мы можем наблюдать и в оптике излучение на удвоенной частоте. Более того, из уравнения (4.51) следует наличие излучения с частотой 2со, мощность которого пропорциональна квадрату мощности первичной волны. Эксперимент, поставленный Франкеном (1962), показал возможность получения второй гармоники при мощном лазерном излучении, но интенсивность ее не превышала Ю-10% от интенсивности первичной волны, что было совершенно недостаточно для практических приложений.
Вскоре был предложен остроумный метод гигантского увеличения интенсивности второй гармоники (до нескольких десятков процентов), названный фазовым или пространственным синхронизмом. Для его понимания следует учитывать следующие особенности рассматриваемого процесса. Вторичные волны, возникающие при воздействии излучения на какой-либо ансамбль атомов, в обычной (линейной) оптике обладают одной и той же фазовой скоростью и одновременно доходят до приемника света, усиливая друг друга. Фазовая скорость волн удвоенной частоты будет иной, и эффект усиления -N2 будет иметь место лишь в том случае, когда показатель преломления среды для волн частот со и 2со будет одинаков. Но такую среду можно создать искусственно, используя, например, кристалл КДП (рис.4.22). Поверхность га| пересекается с поверхностью raj, и, следовательно, волны, распространяющиеся в направлении, указанном на чертеже стрелкой, имеют одинаковую скорость. Это и будет направ-
170
ление фазового (пространственного) синхронизма, позволяющее получать большой энергетический выход на частоте 2ю, причем малые отклонения от заданного направления уничтожают эффект . Еще большую селекцию излучения на удвоенной частоте можно получить, поместив ориентированный кристалл внутри резонатора лазера, и подбором зеркал и фильтров погасить первую гармонику. Очень эффектны опыты по преобразованию частоты инфракрасного неодимового лазера (/.ге„ = 1,06 мкм) во вторую гармонику, излучаемую в хорошо наблюдаемой части видимого спектра (А. = 0,5 мкм).
Остановимся кратко на нелинейных эффектах, связанных с воздействием света большой интенсивности на коэффициент его поглощения ft(v) в том или ином веществе, что приводит к нарушению закона Бугера (см. §2.5). Возникающее нелинейное поглощение света определенной длины волны, обычно совпадающей с резонансными линиями исследуемого вещества, может быть использовано в диагностических целях или других приложениях и нашло широкое применение в современной спектроскопии .
Нелинейные оптические процессы могут наблюдаться и при относительно малой интенсивности света, облучающего исследуемую среду. Так, например, открытое еще в «долазерный век» С.И. Вавиловым и В.Л. Левшиным (1926) уменьшение поглощения уранового стекла при увеличении яркости свечения конденсированной искры положило начало большому циклу работ по «просветлению» различных материалов, которые имеют большое практическое значение (создание безынерционных световых затворов и др.). Они легко интерпретируются (см. § 8.5) в квантовых представлениях, связанных обеднением ответственного за поглощение нижнего уровня за счет перехода атома на более высокий долгоживущий уровень. Однако значение таких нелинейных процессов полностью проявилось лишь после изобретения лазеров, а дальнейшее развитие нелинейной оптики неотделимо от развития квантовой теории.
Следует отметить, что как при классическом, так и квантовом описании нелинейных оптических явлений нужно с большой осторожностью пользоваться фундаментальным принципом суперпозиции, справедливость которого в изложении «линейной» оптики не подвергалась сомнению. При распространении света в нелинейной среде, одна мощная волна, встречаясь с другой волной, может воздействовать на нее, что и приводит к нарушению принципа суперпозиции. Постановка таких опытов в вакууме невозможна — -эффект взаимодействия световых пучков (рассеяние света на свете) во много раз меньше чувствительности любой современной аппаратуры.
Нам представляется, что приведенных примеров достаточно,
171
чтобы оценить большую и все возрастающую роль нелинейной оптики в науке и технике. Она выкристаллизовалась в самостоятельную науку и подлежит детальному изучению всеми, кто специализируется в оптике и лазерной физике. Для общего курса физики представляется возможным ограничиться проведенным рассмотрением, дополнив его предельно кратким описанием некоторых квантовых эффектов нелинейной оптики (см. §8.5).
§ 4.8. ЭФФЕКТ ВАВИЛОВА-ЧЕРЕНКОВА
Мы видели, что излагаемая в этой главе электронная теория не только позволила истолковать зависимость показателя преломления от частоты падающего на атомную систему света, но открыла возможность решения многих 'фундаментальных проблем различных разделов физики. В качестве одной такой весьма интересной задачи рассмотрим явление, обнаруженное С.И. Вавиловым и П.А. Черенковым в 1934 г. и объясненное И.Е. Там-мом и И.М. Франком в 1937 г., а позднее отмеченное Нобелевской премией.
