Фотоны и нелинейная оптика - Клышко Д.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Трехфотонное параметрическое рассеяние. Первая численная оценка интенсивности трехфотонного ПР в пьезокристаллах (§ 1.1), сделанная автором в 1967 г. [44], дала неожиданно большую величину с эффективной температурой — IO3 К (см. (1.1.13)) даже при накачке мощностью 1 Вт, и было непонятно, почему эффект не был замечен раньше в экспериментах по вычитанию частоты и по параметрическому усилению. В результате экспериментаторы, к которым обращался автор, не верили в реальность этих таинственных квантовых шумов, и они были обнаружены в Московском университете [45] случайно в ходе экспериментов с параметрическим генератором света. В том же 1967 г. ПР было
1) Различные интерпретации этого эффекта см. в [38а]. § 1.4]
МНОГОФОТОННЫЕ ЭФФЕКТЫ
39
независимо обнаружено Хариссом с сотр. [46] в Стенфордском университете и Мегди и Марром [47] в Корнельском университете.
В первых экспериментальных работах [45—47] излучение трактовалось не как результат рассеяния, а как шумовое излучение параметрического усилителя (отметим, что здесь также спонтанный эффект был обнаружен позже соответствующего ему вынужденного процесса усиления). Однако если исключить случай мегаваттных накачек, то согласно оценке (1.1.12) фактический коэффициент усиления сигнала 2? при учете неизбежных потерь будет меньше единицы, и говорить о «шумах усилителя» не имеет смысла. С другой стороны, аналогия с рассеянием Мандельштама — Бриллюэна на звуковых холостых волнах позволяет рассматривать эффект ПР как результат рассеяния на световых холостых волнах. Заметим, что при ~ 1 неколлинеарное рассеяние (^1,2 Ф 0) имеет ту же интенсивность, что и коллинеарное.
Термин «параметрическое рассеяние» был впервые использован в [47а]. Другие авторы применяли названия параметрическая люминесценция или флуоресценция, оптический параметрический шум, параметрическое расщепление частоты света и др. Надо, впрочем, заметить, что эффект ПР все-таки не совсем обычное рассеяние, его можно определить также как результат нелинейной дифракции. Термин рассеяние подразумевает необратимый процесс, сопровождающийся увеличением энтропии электромаг-нитнЬго поля, в то время как ПР можно описывать с помощью эффективного гамильтониана (гл. 6), определяющего обратимую эволюцию замкнутой системы. В [181] рассмотрена возможность частичного восстановления когерентной накачки из поля рассеяния с помощью второго пьезокристалла.
Дальнейшие эксперименты по ПР описаны в работах [48—861. Отметим работу Вейнберга [61], в которой для накачки использовалась ртутная лампа. Чемла и Батифолд [80] наблюдали рассеяние на встречной холостой волне. Бернхем и Вейнберг [60] исследовали методом совпадений фотоотсчетов одновременность излучения сигнальных и холостых фотонов. В серии работ Ленина с сотр. [57, 71, 76—78, 81—85] эффекты ПР и рассеяния на поляритонах (РП) использовались для определения дисперсии линейной и квадратичной поляризуемостей ряда кристаллов в ПК-диапазоне, для измерения коэффициента поглощения, для анализа нестехиометричности их состава, а также для исследования фазовых переходов и слабых двухфононных возбуждений. В работе Криндача и автора [53] ПР было обнаружено визуально, и была отмечена связь ПР и РП. Одновременно эти виды рассеяния наблюдались в работе [57]. Параметрическая сверхлюминесценция наблюдалась в работах [62, 67, 69, 72].
Теория ПР развивалась в работах [87—99]. Феноменологическое описание, охватывающее и ПР, и РП, дано в [57, 71, 97]. -40
РАССЕЯНИЕ СВЕТА НА СВЕТЕ B ВЕЩЕСТВЕ
[ГЛ. I
Влияние поглощения холостой волны исследовалось также в [89, 94]. Нестационарная параметрическая сверхлюминвсценция рассматривалась Назаровой и автором [96].
Статистика поля при ПР и взаимная корреляция сигнальных и холостых фотонов изучалась Зельдовичем [90] и Моллоу [95]. В [99] было предложено использовать эту корреляцию для создания эталонных источников света с известными моментами вылета и известным числом фотонов, а также для абсолютной калибровки ФЭУ (§ 6.4). В [99, 187] исследуется возможность использования ПР для абсолютного измерения яркости света по отношению сигнал/шум при преобразовании частоты (§ 6.4).
В ряде работ (см., например, [100, IOl]) было продолжено исследование временной эволюции статистики поля в рамках двух-модовой модели Люиселла и др. [37].
Другие виды рассеяния. Впервые рассеяние на поляритонах (РП) наблюдалось в кристалле фосфида галлия Генри и Хопфил-дом в 1965 г. [102], на два года раньше ПР. Заметим, что в 1966 г. при исследовании РП в окиси цинка [103] была сделана неудачная попытка обнаружить рассеяние на поляритонах верхней ветви дисперсионной кривой (т. е. по нашей терминологии ПР, которое в этом кристалле удалось обнаружить лишь в 1975 г. [79]). Обзор обширной литературы по РП можно найти в [104, 105].
Как отмечалось в [44], кроме когерентного ПР за счет макроскопической квадратичной поляризуемости х(2\ должно иметь место почти изотропное некогерентное рассеяние на флуктуациях плотности и ориентации отдельных частиц среды, обладающих квадратичной гиперполяризуемостью ?. Теория такого трехфотон-ного релеевского рассеяния на отдельных молекулах или микро-неоднородностях, которое аналогично двойному эффекту Комптона [25], рассматривалась Соколовским [106] и Барановой и Зельдовичем [98]. Соответствующий эксперимент описан в [107]. Несинхронное (Je1 Jeа — Je8 ф 0) рассеяние возможно и в однородном образце за счет краевых эффектов [88, 98, 108, 182]. В сплошной среде при х(2) = 0 возможно трехфотонное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, при котором фотон накачки распадается на два фотона и акустический фонон с частотой Q и волновым вектором К:
