Фотоны и нелинейная оптика - Клышко Д.Н.
Скачать (прямая ссылка):
В настоящей книге из множества эффектов нелинейной оптики, обнаруженных за последние 20 лет, рассматриваются, в основ- 8
ПРЕДИСЛОВИЕ t)
ном, лишь явления, связанные с излучением фотонов парами (пары одновременно возникающих фотонов мы для краткости будем называть «бифотонами»). Излучение фотонов парами (а также тройками, четверками и т. д.) тесно связано с оптической нелинейностью вещества, и в нем наиболее ярко проявляются квантовые свойства света. Мы обсудим также и «классический» эффект группировки фотонов, не связанный с линейностью вещества и не требующий для объяснения квантования поля (эффект Брауна— Твисса). Эта группировка — почти случайная, пары фотонов в обычном свете встречаются всего в два раза чаще, чем в хаотическом пуассоновском потоке песчинок (это превышение связано с волновой природой света). Заметим, что двухфотонное поглощение, наоборот, приводит к равномерному распределению фотонов в прошедшем через вещество свете (эффект антигруппировки), а в лазерах нелинейность рабочего вещества (эффект насыщения) распределяет" фотоны хаотически.
Кроме явлений параметрического рассеяния и двухфотонного распада, наблюдавшихся уже в лазерную эпоху оптики, бифо-тоны должны излучаться также и при давно известном спонтанном комбинационном рассеянии света. Как будет показано в этой книге, антистоксовы фотоны при низких температурах рассеивающего вещества излучаются лишь в паре со стоксовыми. К этому эффекту непосредственно примыкает четырехфотонное или гиперпараметрическое рассеяние, оптичающееся от трех-фотонного параметрического рассеяния участием в элементарном акте двух фотонов накачки. Мы рассмотрим также некоторые особенности эффекта рассеяния света на поляритонах, занимающего промежуточное положение между параметрическим рассеянием и комбинационным рассеянием на колебаниях ионов в решетке кристалла. Эти колебания сопровождаются колебаниями электромагнитного поля внутри кристалла. Поляритон — это квант макроскопического (усредненного) поля, т. е. фотон в среде, и поэтому рассеяние света на поляритонах, а также трех- и четырехфотонное параметрическое рассеяние, естественно называть рассеянием света на свете в веществе (последнее дополнение отличает его от рассеяния света на свете в вакууме — чрезвычайно слабом и еще не наблюдавшемся эффекте релятивистской квантовой электродинамики).
Параметрическое рассеяние дает уникальную возможность «изготовления» двухфотонных состояний поля и, кроме того, отличается рядом других интересных особенностей. Спектр рассеянного света почти сплошной от радиочастот до частоты накачки. Излучение происходит не независимо отдельными атомами, а когерентно всем образцом, что приводит к довольно резкой направленности излучения вперед, вдоль луча накачки. Фотоны одной пары разлетаются под определенными малыми углами друг к ПРЕДИСЛОВИЕ
t)
другу и к лучу накачки, в соответствии с законом сохранения импульса при взаимодействии трех фотонов.
Рассматриваемые в книге эффекты заслуживают изучения не только в качестве неких «экзотических» проявлений квантов&го характера света и нелинейности вещества. Они уже нашли .ряд полезных применений. Параметрическое рассеяние является основой нового спектроскопического метода измерения линейных и нелинейных оптических параметров кристаллов. При мощной импульсной накачке оно переходит в достаточно интенсивную параметрическую сверхлюминесценцию, которая служит источником плавно перестраиваемых по частоте коротких (до IO-12 с) импульсов света. Заметим, что интенсивность спонтанного трех-фотонного параметрического рассеяния пропорциональна интенсивности накачки, и поэтому ее наблюдение возможно и с помощью нелазерных источников накачки, в отличие от четырехфотонного рассеяния, пропорционального квадрату накачки, и от параметрической сверхлюминесценции, по определению зависящей от накачки сверхлинейно (экспоненциально).
С точки зрения прикладной нелинейной оптики эффект параметрического рассеяния является источником шумов, ограничивающих чувствительность параметрических усилителей и преобразователей частоты света и предельную стабильность параметрических генераторов света. Однако квантовые шумы могут, в принципе, найти полезное применение в метрологии света, стать основой «квантовой фотометрии». Параметрический'преобразователь частоты является одновременно абсолютным (не требующим калибровки) измерителем яркости света. Кроме того, одновременность и направленность вылета фотонов в парах при параметрическом рассеянии позволяет осуществить эталонный генератор фотонов, излучающий известное число фотонов.
Наконец, рассматриваемые явления имеют определенную эври- ¦ стическую и педагогическую ценность. Они предоставляют возможность изучения на наглядномх) примере нерелятивистской квантовой электродинамики и освоения многих важных понятий теоретической физики — функций Грина, флуктуационно-диссипатив-ной теоремы и т. д. Хотя непосредственная тема книги довольно узка, попутно затрагивается достаточно широкий круг методических вопросов теории взаимодействия света и вещества. Чтобы заинтересовать читателя, перечислим некоторые из них в умышленно парадоксальной форме: Может ли раскаленное прозрачное вещество излучать свет? Можно ли с помощью закона Кирхгофа описать эффект Брауна—Твисса? Может ли в тепловом излучений существовать не равный нулю средний куб электрического поля?
