Лекции по Электрическому приводу

16. ЭФФЕКТЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ

До сих пор мы рассматривали оптические явления в предположении, что интенсивность световой волны никак не влияет на физику явления. Так оно и было до тех пор, пока в оптике оперировали со световыми волнами, напряженность электрического поля которых была пренебрежительно мала по сравнению с внутренним электрическим полем (10⁹ В/см), определяющим силы связи оптического электрона с ядром атома. Однако, с появлением лазеров, опыта со световыми пучками, интенсивность которых достигает электрическое поле световой волны соизмерно с внутриатомным показали, что существует сильная зависимость характера оптических эффектов при достижении некоторых пороговых знаний интенсивности.

Оптические эффекты, характер которых зависит от интенсивности излучения называют нелинейными. Далее мы приведем некоторые из них.
Вынужденное рассеяние света. Случайные изменения плотности среды, обусловленные тепловыми движениями молекул (тепловые акустические волны), рассеивают световую волну и модулируют ее по частоте, при этом возникают сателлиты с частотами, равными сумме и разности частот световой волны и тепловых акустических колебаний (спонтанное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна). Однако отношение интенсивности сателлитов интенсивности падающего излучения составляет лишь 10^-6.
При увеличении интенсивности падающего излучения выше порогового значения происходит следующее. Под действием электрического тока из-за явления электрострикции возникают импульсы избыточного давления, достигающие в поле лазерного луча дес. тыс. атмосфер. Возникает акустическая волна давления (гипарзвук, 10¹⁰ Гц), изменяющая показатель преломления по закону бегущей волны. Эти изменения показателя преломления образуют в среде как бы дифракционную решетку, на которой и происходит рассеяние световой волны. При этом интенсивность сателлитов становится сравнимой с интенсивностью падающей волны, а количество их возрастает. Описанный эффект называется вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.
При достаточно больших интенсивностях падающего излучения нелинейная среда стать может генератором звука со световой накачкой. С помощью лазеров удается возбуждать мощные (до 10 квт) гиперзвуковые колебания во многих жидкостях и твердых телах.
Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна – рассеяние оптического излучения конденсированными средами (твердыми телами и жидкостями) в результате его взаимодействия с собственными упругими колебаниями этих сред. Рассеяние сопровождается изменением частот (длин волн), характеризующих излучение. Например, рассеяние монохроматического света в кристаллах приводит к появлению шести частотных компонент, в жидкостях - трех (одна из них - неизменной частоты). Сравнительно сильное взаимодействие между частицами конденсированных сред приводит к распространению по всевозможным направлениям в среде упругих волн различных частот. Наложение таких волн друг на друга появление флюктуации плотности сред, на которых и рассеивается свет. При указанном рассеянии световые волны взаимодействуют не только с флюктуациями плотности, но и непосредственно с упругими волнами (стоячими волнами).
После создания лазеров появилась возможность наблюдать вынужденно Мандельштама-Бриллюэна рассеяние, сопровождающееся появлением иного сильного гиперзвука.
Применение: в генераторах мощных гиперзвуковых волн в кристаллах [3].
Свой нелинейный аналог и комбинационное рассеяние. При вынужденном комбинационном рассеянии мощное световое излучение возбуждает в среде когерентные колебания молекул, на которых и происходит его рассеяние с образованием суммарных и разностных сателлитов. Частота наиболее мощного из них меньше частоты падающего света на частоту молекулярных колебаний.
Так, при рассеянии красного излучения лазеров в камере со сжатым водородом, когда интенсивность достигает пороговой величины около 10⁸ Вт/см², число компонентов рассеянном излучении настолько возрастает и их интенсивность настолько высока, что, луч, выходящий из газа, из красного становится белым. Аналогичен опыт по ВКР в жидкостях, например, в нитробензоле. Особенность здесь в том, что рассеянные компоненты с различной длиной волны пространственно разделены и образуют на экране цветные кольца.
Вынужденное рассеяние (ВКР и ВРМБ) применяется, в основном, для исследования структуры и свойств вещества, для изучения нелинейных процессов в средах. Используется также для накачки полупроводниковых ОКР, для управления параметрами твердотельных ОКГ. Может использоваться для создания преобразователей частоты мощного когерентного света в ультрафиолетовой, видимой и особенно инфракрасной областях спектра.