что такое нелинейная оптика

Что такое нелинейная оптика

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.

Источник

Нелинейная оптика

Нелинейная оптика — раздел оптики, в котором исследуется совокупность оптических явлений, наблюдающихся при взаимодействии световых полей с веществом, у которого имеется нелинейная реакция вектора поляризации на вектор напряженности электрического поля световой волны. В большинстве веществ данная нелинейность наблюдается лишь при очень высоких интенсивностях света, достигаемых при помощи лазеров. Принято считать как взаимодействие, так и сам процесс линейными, если его вероятность пропорциональна первой степени интенсивности излучения. Если эта степень больше единицы, то как взаимодействие, так и процесс называются нелинейными. Таким образом возникли термины линейная и нелинейная оптика.

Появление нелинейной оптики связано с разработкой лазеров, которые могут генерировать свет с большой напряженностью электрического поля, соизмеримой с напряженностью микроскопического поля в атомах.

Основные причины, вызывающие различия в воздействии излучения большой интенсивности от излучения малой интенсивности на вещество: [1]

К нелинейной оптике относят целый ряд физических явлений:

Содержание

Многофотонные процессы (процессы с изменением частот)

Другие нелинейные явления

Связанные процессы

В таких процессах, среда обладает линейным откликом на воздействие света, однако на свойства вещества оказывают влияние другие факторы. Примерами являются:

Процессы с изменением частоты

Одним из наиболее часто используемых процессов с изменением частот является генерация второй гармоники. Это явление позволяет преобразовать выходное излучение лазера Nd:YAG лазера (1064 нм) или лазера на сапфире, легированного титаном (800 нм) в видимое, с длинами волн 532 нм (зеленое) или 400 нм (фиолетовое), соответственно.

На практике для реализации удвоения частоты света в выходной пучок лазерного излучения устанавливают нелинейный оптический кристалл, ориентированный строго определённым образом. Обычно используют кристаллы β-бората бария (BBO), KH₂PO₄ (KDP), ниобат лития LiNbO₃. Эти кристаллы имеют необходимые свойства, удовлетворяющие условию синхронизма (см. ниже), имеют особую кристаллическую симметрию, а также являются прозрачными в данной области спектра и устойчивы к лазерному излучению высокой интенсивности. Однако, существуют органические полимерные материалы, которые, возможно, в будущем смогут вытеснить часть кристаллов, если будут более дешевы в изготовлении, более надежны или будут требовать более низких напряженностей полей для возникновения нелинейных эффектов.

Теория

Большое количество явлений нелинейной оптики могут быть описаны как процессы со смешением частот. Если наведенные дипольные моменты в веществе немедленно отслеживают все изменения приложенного электрического поля, то диэлектрическая поляризация (дипольный момент на единицу объема) в момент времени в среде может быть записан в виде ряда по степеням :

Здесь, коэффициент — нелинейная восприимчивость среды -го порядка. Для любого трёхволнового процесса член второго порядка является необходимым. Если среда обладает симметрией относительно инверсии, то этот член точно равен нулю.

Источник

Что такое нелинейная оптика

Появление мощных источников когерентного светового излучения (лазеров) привело к возникновению нового направления исследований, связанного с изучением взаимодействия мощных когерентных потоков электромагнитного излучения с веществом, получившего название «Нелинейная оптика».

Поляризация диэлектрика в постоянном электрическом поле

Если было атомов, то макроскопическая поляризация

Т.е. восприимчивость является нелинейной функцией напряженности поля. Если же поле достаточно слабое (значительно меньше внутриатомного), то вторым членом можно пренебречь (это означает, что смещение мало и в выражении для мы пренебрегаем членом ) и восприимчивость становится постоянной величиной.

Для декартовой системы координат:

Зная параметры внешнего электрического поля и тензор восприимчивости для данного кристалла, обычно определяемый экспериментальными методами, можно всегда рассчитать его поляризацию.

Поляризация диэлектрика в световом поле

В этом случае фаза поляризации близка к нулю (см. (12)). Тогда поляризация

т.е. восприимчивость зависит от частоты.

До сих пор предполагалось, что на электрон действует поле малой напряженности. Мы брали (линейное приближение, пригодное для случая малого смещения электрона). Теперь будем считать, что напряженность светового поля и смещение электрона могут быть достаточно большими, и для упругой силы возьмем :

Таким образом, в рамках простейшей модели мы показали, каким образом из-за нелинейных свойств среды в сильном световом поле возникают высшие гармоники.

Источник

Что такое нелинейная оптика

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.

Источник

НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА

1. Сильные световые поля

2. Нелинейный отклик и нелинейные восприимчивости

3. Волновая нелинейная оптика. Управление продольными и поперечными взаимодействиями волн

4. Сильные нелинейности, нелинейные материалы

5. Нелинейная спектроскопия и нелинейная диагностика вещества

6. Параметрические процессы и параметрические преобразователи

7. Нелинейная динамика модулированных световых волн в кубичной среде

9. Статистическая нелинейная оптика. Классические и квантовые сжатые состояния световых полей

10. Нелинейный отклик в физике воздействия лазерного излучения на вещество

11. Быстрое управление фазой и генерация фемтосекундных лазерных импульсов

Динамика электронов, атомов, молекул, конденси-ров. среды, возбуждаемых световым полем, принципиально нелинейна. Нелинейным оказывается даже движение свободного нерелятивистского электрона

возбуждаемого гармонич. световой волной

Действительно, поскольку u

Н, второй член в правой части (1) пропорционален Е 2 .

Решая (1) методом возмущений (положив u/с 1 . умеренной), получим

Из (3) непосредственно следует, что электрон, переизлучая поле на высших гармониках 2w, 3w, обнаруживает нелинейный отклик.

Нелинейный отклик связанного электрона, как правило, гораздо сильнее; он обусловлен, в первую очередь, нелинейным характером удерживающего его силового поля. Простейшая модель, проясняющая качественную сторону дела,- классич. ангармонич. осциллятор.

Для классич. «смещения» х связанного электрона имеем ур-ние

Пока в (4) можно пренебречь нелинейными членами (что характерно для хаотич. малоинтенсивного излучения большинства нелазерных источников света), для d и Р имеем:

В лазерной оптике нелинейные слагаемые в (5) и (6) существенны, а обусловленные ими эффекты во мн. случаях доминируют. Более того, в «сверхсильных» световых полях мощных лазеров локальный нелинейный отклик сравнивается с линейным, Р лин

Ясные представления о том, что законы линейной оптики, в частности суперпозиции принцип, носят приближённый характер и применимы лишь в области слабых полей, существовали и до появления лазеров. Первые прямые эксперименты по регистрации нели-нейностей в поглощении и преломлении света в флуоресцирующих кристаллах и стёклах были выполнены в 1920-30-х гг. С. И. Вавиловым с сотрудниками. Результатом нарушения принципа суперпозиции является известный ещё с прошлого века линейный эл.-оп-тич. эффект. Лежащее в его основе взаимодействие НЧ- и оптич. полей описывается квадратичным членом в разложении поляризации по полю:

где Е 0 — статич. (НЧ-) электрич. поле, изменяющее поляризацию (а следовательно, и показатель преломления) на оптич. частоте w.

Первым нелинейным эффектом, зарегистрированным с помощью лазера, стала генерация второй оптич. гармоники. В 1961 П. Франкен (P. Franken) с сотрудниками наблюдали удвоение частоты излучения рубинового лазера в кристалле кварца. Эффект описывается квадратичным по полю членом в нелинейной поляризации(6). Гармонич. поле (2) возбуждает в соответствии с (6) волну нелинейной поляризации на удвоенной частоте:

Принципиальное значение для Н. о. имело создание лазеров с модулиров. добротностью (1962), позволяющих получать при длительности импульсов

В 1965 впервые наблюдалась самофокусировка света, зарегистрированы «поперечные» нелинейные взаимодействия: в нелинейной среде дифракционная расходимость мощного светового пучка подавляется нелинейной рефракцией, обусловленной нелинейной добавкой к показателю преломления (Dn = n 2 I, n 2

c (3) ). В том же году запущен параметрический генератор света, в к-ром взаимодействие волн на квадратичной нелинейности используется для генерации когерентного излучения, плавно перестраиваемого по частоте в широком диапазоне.

Проблемы совр. Н. о. далеко выходят за рамки физ. и прикладной оптики в их традиц. понимании. Совр. Н. о. определяют след. направления: физика оптич. нелинейности и нелинейная спектроскопия; волновая Н. о.; воздействие сильного светового поля на вещество; прикладная Н. о.

Физика оптич. нелинейности и нелинейная спектроскопия. Совр. Н. о. сталкивается с разнообразными проявлениями нелинейного отклика разл. сред, сюда входят и прямые эксперименты по регистрации поляризации вакуума в сверхсильных световых полях. Спектроскопии, методы, основанные на изучении нелинейных свойств вещества, в частности дисперсии нелинейных восприимчивостей, оказались универсальными, позволили решать задачи, ранее недоступные оптич. технике.

Физика воздействия сильного cветового поля на вещество. Нелинейный отклик среды, нелинейные оптич. явления играют важную, а зачастую и решающую роль в механизмах лазерного возбуждения и релаксации сильнонеравно-весных состояний в атомах, молекулах и конденсиров. средах. На использовании оптич. нелинейности базируются и уникальные по быстродействию (временное разрешение

Прикладная нелинейная оптика. Преобразование частотного и угл. спектров, быстрое управление амплитудой и фазой световых волн, являющиеся следствием нелинейных взаимодействий и самовоздействий, лежат в основе действия широкого класса нелинейнооптич. устройств. Кроме традиц. преобразователей частоты и параметрич. генераторов, в прикладной Н. о. разработаны системы нелинейной адаптивной оптики, эфф. компрессоры сверхкоротких световых импульсов, бистабильные и мультистабильные элементы быстродействующих цифровых и аналоговых оптич. процессоров.

Т. о., мн. проблемы Н. о. тесно переплетаются с задачами атомной и молекулярной физики, физики твёрдого тела, электроники и технологии. При всём многообразии направлений исследований важнейшими продолжают оставаться: физика и техника генерации сильных световых полей; физика оптич. нелинейности и разработка нелинейных материалов; разработка методов управления продольными и поперечными взаимодействиями световых волн в нелинейных средах.

Величина нелинейного эффекта определяется напряжённостью светового поля, значением нелинейной восприимчивости и эфф. пространственным масштабом нелинейного взаимодействия.

1. Сильные световые поля

Максимальная в ряду внутриатомных полей напряжённость поля в атоме водорода В/см достигается в световом пучке с интенсивностью

В световом поле напряжённостью

энергия осцилляции электрона становится сравнимой с энергией покоя. Соответственно, т. н. релятивистская интенсивность

характеризует границу релятивистской Н. о. свободных электронов [при Е= Е рел u с в (1) и вклад, обусловленный силой Лоренца, уже нельзя рассматривать как малое возмущение].

2. Нелинейный отклик и нелинейные восприимчивости

Слабый локальный нелинейный отклик. В большинстве практически интересных случаев локальный нелинейный отклик много меньше линейного ( Р нл лин ) и нелинейные свойства среды хорошо описываются раз-ложениями (5), (6), набором гиперполяризуемостей и нелинейных восприймчивостей .

возникает бесконечный набор волн нелинейной поляризации на частотах

где определяющая макроскопич. нелинейный отклик спектральная компонента тензора ( п + 1)-го ранга :

Если взять для Е а значение для атома водорода, то c (2)

поскольку в кристалле элементарные «ячейки» ориентированы одинаково. К аналогичным ф-лам для g (2) и c (2) приводит и модель двухуровневой системы, в к-рой вместо классич. фактора D =a е 3 /т 2 . появляется произведение трёх матричных элементов переходов

Кубичная нелинейная восприимчивость c_i (3) _kl, яв-ляясь тензором 4-го ранга, отлична от нуля в центро-симметричных средах: в газах, жидкостях, аморфных и кристаллич. твёрдых телах. В этих средах в результате четырёхчастотных (четырёхфотонных) взаимодействий вида w = w_i b w_j b w_k (i,j,k= 1, 2, 3) бигармонич. поле (13) возбуждает широкий спектр волн нелинейной поляризации на комбинац. частотах и гармониках 3w₁, 3w₂, 2w₁ b w₂, 2w₂ b w₁ и т. п. Кубичные восприимчивости (3w_i, w_i, w_i, w_i), (2w₁ b bw₂, w₁, w₁ bw₂) и т. н. для сильно различающихся частот w 1 и w 2 обусловлены малоинерционными (напр., электронными) механизмами нелинейного отклика. Для грубой оценки спектральной компоненты c (3) (3w), связанной с нерезонансным электронным откликом конденсиров. среды, можно полагать [ср. с (14)] c (3) (3w)

Рис. 2. Теоретические значения кубичной гиперполяризуемости g (3) (3w) атома Na, ответственной за генерацию третьей гармоники в зависимости от длины волны основного излучения l.

Четырёхчастотные нелинейные взаимодействия па кубичной нелинейности приводят не только к генерации волн на новых частотах, но и к возникновению волн нелинейной поляризации на частотах исходных волн:

Полный показатель преломления кубичной среды

Если выразить n 2 в [см 2 /кВт], то

Имеется много других, хотя и более инерционных, механизмов, приводящих к существенно более сильной нелинейности показателя преломления. К ним относятся резонансные нелинейности в полупроводниках (экситонные резонансы в двумерных структурах), фо-торефрактивный эффект в неорганич. кристаллах, ориентация анизотропных молекул в световом поле и оптич. нагрев среды. Диапазон значений нелинейного параметра n 2 превышает десять порядков (рис. 3). Несмотря на существ. различие физ. механизмов нелинейности, многочисл. данные неплохо укладываются на прямые п 2

t нл ; возрастание величины n 2 сопровождается увеличением инерционности отклика.

К ориентац. механизмам в жидких кристаллах, приводящим к n 2 > 0,1 см 2 /кВт, с полным основанием применим термин «гигантские оптич. нелинейности».

Высшие нелинейности. Квадратичная и кубичная нелинейности доминируют в подавляющем большинстве практически важных случаев. Нелинейности более высокого порядка быстро убывают с номером п,c (n)

Е a -(n- 1) (под Е а . следует понимать нек-рое эфф. «атомное» поле, различное для разных механизмов нелинейности).

В кристаллах в поле интенсивных сверхкоротких импульсов зарегистрированы эффекты, обусловленные быстрыми (электронными) нелинейностями P нл (4)

c (4) E 4 и . В атомарных газах при ин-тенсивностях I

10 11 Вт/см 2 измерены нелинейные эффекты, обусловленные .

Нелинейный отклик в сверхсильных полях. В сверхсильных световых полях ( Е Е а )описание нелинейного отклика, базирующееся на методе возмущений, разложении нелинейной поляризации в ряд по степеням поля, теряет силу; в значит. мере утрачивает смысл и понятие нелинейной восприимчивости. В экспериментах по генерации оптич. гармоник в атомах инертных газов при интенсивностях I

3. Волновая нелинейная оптика. Управление продольными и поперечными взаимодействиями волн

Распространение световых волн в слабонелинейной среде описывается неоднородным волновым ур-нием

где внеш. силой является волна нелинейной поляризации Р нл (r, t). Последняя возбуждает вынужденную эл.-магн. волну, имеющую те же частоту и волновой вектор, что и волна нелинейной поляризации. Интерференция вынужденных волн со свободными волнами среды определяет динамику развития нелинейного волнового процесса во времени и в пространстве. Поскольку характер интерференции свободных и вынужденных волн существенно зависит от дисперсии среды, дисперсионные параметры решающим образом влияют на формирование нелинейных волн. В электродинамике сильнодиспергирующих слабонелинейных сред принято выделять нелинейные взаимодействия волн с разл. частотами и волновыми векторами и самовоздействия волн, обусловленные зависимостью комплексного показателя преломления от интенсивности.

Приближённые уравнения нелинейной геометрической оптики; связанные волны. Для большинства практически интересных задач Н. о. ур-ние (18) можно упростить, пользуясь методом медленно меняющихся амплитуд. Для плоских волн, распространяющихся в слабонелинейной среде,

Дифракция, дисперсионное расплывание волновых пакетов. Наиб. адекватна нелинейным задачам гонгов-ская трактовка дифракции (см. Дифракция воли). Её матем. аппарат никак не связан с принципом суперпозиции и базируется на параболич. ур-нии для комплексной амплитуды (см. Волны), описывающем «поперечную» диффузию поля, что тесно связано с методом медленно меняющихся амплитуд.

Системой связанных параболич. ур-ний

описывается распространение монохроматич. волновых пучков в нелинейной среде. Аналогичные по структуре ур-ния описывают и взаимодействия плоских волновых пакетов в нелинейной диспергирующей среде. Во втором приближении теории дисперсии, рассматривая для простоты плоский пакет в изотропной среде, получим нараболич. ур-ние вида

Локальные и накапливающиеся нелинейные эффекты. В протяжённой среде, характерный размер к-рой существенно превышает длину волны, эффективность нелинейного взаимодействия определяется величиной локального нелинейного отклика (величиной

c (2) E в квадратичной среде и c (3) Е 2

в кубичной) и условиями интерференции свободных и вынужденных волн.

Сильные нелинейные взаимодействия (сильный энергообмен между взаимодействующими волнами) удаётся получить и в слабонелинейной среде, в к-рой c (2) Е (3) Е 2 1 и 2-й гармоники А 2 (без учёта потерь):

Графики решений (20), (24) представлены на рис. 4( а); видно, что при выполнении условия (23) вся энергия основной волны переходит в гармонику, реализуется накапливающееся взаимодействие; оптический удвоитель частоты обладает кпд

100%. Если же расстройка Dk велика, быстро осциллирующий член в правых частях уравнений (22) практически полностью подавляет нелинейный эффект (см. также Взаимодействие световых волн).

Крупномасштабные продольные взаимодействия удаётся реализовать в пучках мощных лазеров, макс. кпд удвоителей частоты достигают

4. Сильные нелинейности, нелинейные материалы

Неорганические кристаллы для нелинейнооптических преобразователей

Представление о диапазоне значений кубичной нелинейной восприимчивости в совр. нелинейных материалах даёт диаграмма рис. 3. Несмотря на разнообразие физ. механизмов нелинейности, можно чётко выделить неск. принципов, лежащих в основе поиска и разработки сильнонелинейных материалов.

Эфф. использование резонансов, описываемых фактором R (3) (рис. 2), приводит также к получению сильных кубичных нелинейностей (напр., вблизи экситонных резонансов в полупроводниковых сверхрешётках).

Весьма разнообразны возможности увеличения c (3) за счёт фактора локального поля. Здесь следует упомянуть легирование кристаллов и стёкол, использование кластерных систем, включая кластеры на границах раздела. На шероховатых поверхностях металлов и полупроводников действующее поле может возрастать, по крайней мере, на два порядка.

5. Нелинейная спектроскопия и нелинейная диагностика вещества

Примером может служить когерентная спектроскопия комбинац. рассеяния света, или, как её часто называют, КАРС-спектроскопия (когерентная антистоксова рамановская спектроскопия). Подчиняющиеся альтернативному запрету комбинац. резонансы (см. Комбинационное рассеяние света )внелинейном отклике проявляются как резонансы в кубич. восприимчивости. Согласно классич. модели комбинац. рассеяния, поляризуемость молекулы

где Q— смещение ядер, для к-рого ур-ние движения имеет вид

В соответствии с (26), (27) в поляризации Р появляется член, кубичный по полю. Действительно,

Если на среду действует бигармонич. поле вида (13), в результате четырёхфотонных взаимодействий на кубич. нелинейности возникает, в частности, волна поляризации, а следовательно, и когерентное световое поле (его когерентность определяется целиком когерент-

Частотная КАРС-спектроскопия основана на измерении зависимости интенсивности антистоксова сигнала (рис. 6, а)

Принцип временнoй нелинейной спектроскопии комбинац. рассеяния (нестационарной КАРС-спектроско-пии) поясняет рис. 6( б). Комбинац. резонанс возбуждается двумя короткими лазерными импульсами, разность ср. частот излучения к-рых w 1 —w 2 ближе к частоте W. Короткий зондирующий импульс Е пр с задержкой по отношению к возбуждающим импульсам используется для измерения кинетики затухания нелинейного отклика.

Кубич. нелинейный отклик на немонохроматич. поле

Измеряемая в частотной нелинейной спектроскопии спектральная компонента кубич. нелинейной восприимчивости c (3) (w а ) является, очевидно, трёхмерным фурье-образом фигурирующей в (30) нелинейной ф-ции отклика :

Регистрация нелинейного отклика используется для нелинейнооптич. диагностики кристаллич. структуры приповерхностных слоев сильно поглощающих монокристаллов полупроводников и металлов (особенно диагностики с пико- и субпикосекундным временным разрешением). Совр. эксперим. техника позволяет легко регистрировать квадратичные и кубичные по полю эффекты в отражённом от кристалла свете, нелинейные взаимодействия в тонких приповерхностных слоях.

6. Параметрические процессы и параметрические преобразователи

В квадратичной среде диэлектрич. проницаемость

Поведение комплексных амплитуд волн, участвующих в таком трёхчастотном («трёхфотонном») параметрич. процессе (без учёта потерь), описывается системой трёх ур-ний [ср. (22)]:

т. е. волны на частотах w₁, w₂ экспоненциально усиливаются. Расстройка фазовых скоростей (D 0), обусловленная дисперсией среды, снижает инкремент: g = Однако увеличением интенсивности накачки в определ. мере можно скомпенсировать эффекты расфазировки.

Коэф. модуляции диэлектрич. проницаемости e 1 .

c (3) А 2 н . Частота накачки связана с частотами усиливаемых волн в этом случае соотношением

Трёх- и четырёхчастотные параметрич. взаимодействия играют фундам. роль в Н. о. Трёхчастотное параметрич. усиление лежит в основе принципа действия перестраиваемых параметрических генераторов света: при фиксиров. частоте накачки w н частоты усиливаемых волн w 1 и w 2 можно перестраивать, изменяя дисперсионные свойства среды.

7. Нелинейная динамика модулированных световых волн в кубичной среде

В среде с кубичной нелинейностью наиб. интерес представляют эффекты самовоздействия световых пакетов и пучков, обусловленные четырёхволновыми взаимодействиями разл. компонент их частотного и угл. спектров. Разнообразие механизмов нелинейности показателя преломления и возможность эфф. управления пространственными масштабами продольных L || и поперечных L | взаимодействий (варьируя ширину спектра, интенсивность светового поля, удаётся, в отличие от квадратичных сред, изменять соотношение между нелинейностью и дисперсией) позволяют реализовать в кубичной среде разнообразнейшие эффекты нелинейной волновой динамики. В основе их лежит сравнительно небольшое число фундаментальных нелинейных эффектов. Анализ их проводят в терминах преобразования пространственно-временных огибающих; при физ. интерпретации используют и спектральные представления.

Самомодуляция, самосжатие и самофокусировка. В среде с вещественным нелинейным показателем преломления волновые пакеты и пучки испытывают фазовую самомодуляцию, к-рая за счёт дисперсии и рефракции сильно изменяет форму временной или пространственной модуляции огибающей. Для волнового пакета вида

распространяющегося в среде с нелинейным показателем преломления (17), полное изменение фазы

Оптические солитоны. Чем определяется предельное нелинейное сжатие светового импульса и светового пучка? При самосжатии плоских волновых пакетов, обусловленном продольными взаимодействиями, компрессия сдерживается дисперсионным расплыванием. При этом оказывается возможным устойчивый баланс

сжатия и расплывания; он достигается при плотности энергии пакета (Дж/см 2 )

Такой импульс является стационарным решением нелинейного параболич. ур-ния типа (21)

Изменение формы световых импульсов при разл. соотношениях между W и W кp изображено на рис. 11. Существенным оказывается то, что солитонное решение вида (37) оказывается устойчивым по отношению к малым вариациям W вблизи W кp .

Нелинейная рефракция, приводящая к пространственной самофокусировке света, сдерживается дифракцией. Баланс нелинейной рефракции и дифракции достигается при полной мощности трёхмерного пучка

Генерация пространственных структур, оптическая турбулентность. Обусловленные продольными взаимодействиями оптич. бистабильность и соответствующие неустойчивости являются лишь «временными» проекциями широкого класса волновых взаимодействий, происходящих одновременно в пространстве и времени. Принципиальную роль здесь играют поперечные взаимодействия, к-рые в свободно распространяющихся пучках и в традиц. схемах оптич. резонаторов имеют характер диффузии и оказываются мелкомасштабными. Пространственным масштабом и топологией поперечных взаимодействий можно управлять в системах с двумерной обратной связью (рис. 12). В цепь обратной связи кольцевого оптич. резонатора помещается трансформатор поля, осуществляющий поворот, сжатие, растяжение, благодаря чему удаётся получить L |

Нелинейная динамика поля в резонаторе с двумерной обратной связью описывается ур-нием для нелинейного фазового набега j(r,t):

Важным классом нелинейных оптич. эффектов являются процессы вынужденного рассеяния (ВР), в к-рых мощная световая волна индуцирует когерентные элементарные возбуждения в среде (оптич. и акустич. фо-ноны, поляритоны, температурные волны и т. п.) и когерентно рассеивается на них. Каждому виду спонтанного рассеяния света соответствует вынужденный аналог (см. Вынужденное рассеяние света, Комбинационное рассеяние света).

Вынужденное рассеяние используется для управления параметрами лазерного излучения: преобразования частоты, длительности, когерентности. Напр., комбинационные лазеры на сжатом водороде и жидком азоте осуществляют ВКР-преобразование лазерного излучения с квантовой эффективностью до 90%. При ВР возможна эфф. компрессия лазерных импульсов с одноврем. повышением их пиковой мощности. Практически таким способом удаётся сжимать импульсы в 10-20 раз.

Процесс ВР используется для обращения волнового фронта. При ВКР энергия частично когерентного лазерного излучения преобразуется в энергию полностью когерентного светового пучка на смещённой (стоксовой) частоте (ВКР-коррекция волнового фронта). Такая коррекция позволяет здачительно (в > 10 2 раз) уменьшить угл. расходимость излучения. При этом квантовая эффективность преобразования составляет обычно 30-50%, а иногда и 80-90%.

9. Статистическая нелинейная оптика. Классические и квантовые сжатые состояния световых полей

Классические сжатые состояния. Рассмотрим преобразование классич. шумового поля вырожденным оптич. параметрич. усилителем (w 1 = w 2 = w н /2). В приближении заданного поля монохроматич. накачки и D = 0 поведение фазы сигнальной волны j = argA c подчиняется ур-нию

фаза волны накачки j н принята равной p/2 [(45) можно получить из (33), полагая А 1 =А 2 = А с =r с е i j ]. Согласно (45):

т. е. флуктуации квадратурных компонент при параметрич. усилении сигнала становятся неодинаковыми (рис. 14, б).

Аналогично ведут себя при параметрич. усилении квантовые вакуумные флуктуации в поле интенсивной классич. накачки. В квантовом сжатом состоянии вакуумные флуктуации одной из квадратурных компонент оказываются подавленными, а флуктуации другой увеличиваются. Естественно, при этом должно удовлетворяться соотношение неопределённостей. Если при измерениях система реагирует лишь на одну квадратуру, шум фотодетектирования оказывается ниже уровня дробового шума. Подробнее см. Сжатое состояние.

10. Нелинейный отклик в физике воздействия лазерного излучения на вещество

Нелинейный отклик среды играет важную, а часто и решающую роль в механизмах лазерного возбуждения и релаксации сильнонеравновесных состояний в атомах, молекулах и конденсиров. средах. Первой яркой демонстрацией этого стало открытие и практич. использование селективного многофотонного возбуждения и многофотонной диссоциации молекул в сильном лазерном ИК-поле. Оказалось, что молекула может быть сильно возбуждена и затем диссоциирована при резонансном поглощении десятков фотонов из лазерного ИК-импульса интенсивностью

10 МВт/см 2 и плотностью энергии

неск. Дж/см 2 (см. Инфракрасная многофотонная диссоциация). Этот процесс сильно влияет на хим. реакции; будучи селективной по частоте, многофотонная диссоциация в ИК-поле может быть использована для лазерного изотопов разделения.

11. Быстрое управление фазой и генерация фемто-секундных лазерных импульсов

Нелинейные оптич. методы быстрого управления фазой и техника компрессии сверхкоротких импульсов (техника фокусировки во времени) сыграли важную роль в получении предельно коротких, фемтосекунд-ных (длительностью

12. Обработка информации и оптические компьютеры

Быстро развивающаяся область приложения методов Н. о.- разработка новых систем оптической обработки информации, создание оптич. цифровых и аналоговых процессоров.

Лит.: Ахманов С. А., Хохлов Р. В., Проблемы нелинейной оптики, М., 1964; Бломберген Н., Нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1966; Клышко Д. Н., Фотоны и нелинейная оптика, М., 1980; Ахманов С. А., Коро-теев Н. И., Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света, М., 1981; Райнтжес Дж., Нелинейные оптические параметрические процессы в жидкостях и газах, пер. с англ., М., 1987; Летохов В. С., Нелинейные селективные фотопроцессы в атомах и молекулах, М., 1983; Зельдович Б. Я., Пилипецкий Н. Ф., Шкунов В. В., Обращение волнового фронта, М., 1985; Ахманов С. А., Выслоух В. А., Чиркин А. С., Оптика фемтосекунд-ных лазерных импульсов, М., 1988; Шен И. Р., Принципы нелинейной оптики, пер. с англ., М., 1989; Летохов В. С., Чеботаев В. П., Нелинейная лазерная спектроскопия, М., 1989; Гиббс X., Оптическая бистабильность, управление светом с помощью света, пер. с англ., М., 1988; Новые физические принципы оптической обработки информации, под ред. С. А. Ахманова и М. А. Воронцова, М., 1990. С. А. Ахманов.

Источник