7.2.
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
разно
-
сти
частот
световой
волны
и
тепловых
акустических
колебаний
.
При
увеличении
интенсивности
падающего
излучения
выше
порогового
значения
происходит
следующее
.
Под
дейст
-
вием
электрического
тока
из
-
за
явления
электрострикции
возни
-
кают
импульсы
избыточного
давления
,
достигающие
в
поле
ла
-
128
зерного
луча
десятков
тысяч
атмосфер
.
Возникает
акустическая
волна
давления
(
гиперзвук
, 10
10
Гц
),
изменяющая
показатель
преломления
по
закону
бегущей
волны
.
Эти
изменения
показа
-
теля
преломления
образуют
в
среде
периодическую
решетку
,
на
которой
и
происходит
рассеяние
световой
волны
.
При
этом
ин
-
тенсивность
сателлитов
становится
сравнимой
с
интенсивно
-
стью
падающей
волны
,
а
количество
их
возрастает
.
Описанный
эффект
называется
вынужденным
рассеянием
Мандельштама
–
Бриллюэна
.
Спонтанное
рассеяние
света
на
тепловых
акустиче
-
ских
волнах
было
рассмотрено
Бриллюэном
еще
в
1922
году
. (
Од
-
новременно
с
Бриллюэном
и
независимо
от
него
рассеяние
света
в
твердых
телах
теоретически
исследовал
Л
.
И
.
Мандельштам
.)
Вынужденное
рассеяние
,
когда
акустическая
волна
,
рассеивающая
свет
,
сама
возбуждается
этим
светом
,
было
открыто
в
1964
г
.
При
достаточно
больших
интенсивностях
падающего
излу
-
чения
нелинейная
среда
может
стать
генератором
звука
со
свето
-
вой
накачкой
.
С
помощью
лазеров
удается
возбуждать
мощные
(
до
10
кВт
)
гиперзвуковые
колебания
во
многих
жидкостях
и
твердых
телах
.
При
рассеянии
интенсивного
лазерного
излучения
в
жид
-
костях
и
кристаллах
,
помимо
описанных
выше
боковых
спек
-
тральных
компонент
,
обнаруживаются
компоненты
с
частотами
,
в
точности
кратными
частоте
падающего
излучения
(
двукрат
-
ными
,
трехкратными
и
т
.
д
.),
называемые
оптическими
гармони
-
ками
.
В
некоторых
кристаллах
эти
гармоники
могут
составлять
до
50 %
рассеянного
излучения
.
Например
,
если
направить
красное
излучение
рубинового
лазера
(0,69
мкм
)
на
кристалл
дигидрофосфата
калия
,
то
на
выходе
можно
получить
невиди
-
мое
ультрафиолетовое
излучение
(0,345
мкм
).
7.3.
Самофокусировка
Известно
,
что
первоначально
параллельный
пучок
света
по
мере
распространения
в
среде
расплывается
за
счет
дифракцион
-
ных
явлений
.
Это
справедливо
при
малых
интенсивностях
света
,
129
пока
еще
среда
остается
линейной
.
С
увеличением
мощности
све
-
тового
пучка
его
расходимость
начинает
уменьшаться
.
При
неко
-
торой
критической
мощности
пучок
может
распространяться
,
вообще
не
испытывая
расходимости
(
режим
самоканализации
).
При
мощности
,
превышающей
критическую
мощность
,
пучок
излучения
скачком
сжимается
к
оси
и
сходится
в
точку
на
неко
-
тором
расстоянии
от
места
входа
.
Происходит
процесс
самофо
-
кусировки
.
Физические
причины
этого
эффекта
заключаются
в
изме
-
нении
показателя
преломления
среды
в
сильном
световом
поле
.
Среда
в
зоне
пучка
становится
оптически
неоднородной
;
пока
-
затель
преломления
среды
определяется
теперь
распределением
интенсивности
световой
волны
.
Это
приводит
к
явлению
нели
-
нейной
рефракции
,
т
.
е
.
периферийные
лучи
пучка
отклоняются
к
его
оси
в
зону
с
большей
оптической
плотностью
.
Таким
обра
-
зом
,
нелинейная
рефракция
начинает
конкурировать
с
дифрак
-
ционной
расходимостью
.
При
взаимной
компенсации
этих
про
-
цессов
и
наступает
самоканализация
,
переходящая
в
самофоку
-
сировку
при
превышении
критической
мощности
пучка
.
Процесс
самофокусировки
выделяется
среди
прочих
нелиней
-
ных
эффектов
тем
,
что
он
обладает
«
лавинным
»
характером
.
Действительно
,
даже
малое
увеличение
интенсивности
в
неко
-
тором
участке
светового
пучка
приводит
к
концентрации
лучей
в
этой
области
,
а
следовательно
,
и
к
дополнительному
возраста
-
нию
интенсивности
.
Отметим
,
что
критические
мощности
самофокусировки
от
-
носительно
невелики
(
для
нитробензола
– 25
кВт
,
для
некоторых
сортов
оптического
стекла
– 1
Вт
),
что
создает
реальные
предпо
-
сылки
использования
описанного
эффекта
для
передачи
энергии
на
значительные
расстояния
.
Самофокусировка
–
это
явление
сжатия
апертурно
-
ограни
-
ченного
пучка
света
в
кубичной
нелинейной
среде
,
которое
сопро
-
вождается
увеличением
плотности
мощности
излучения
в
попе
-
речном
сечении
распространяющегося
излучения
и
образованием
нитевидных
волноводных
каналов
в
такой
среде
.
130
Для
кубичной
(
χ
= 0,
θ≠
0)
нелинейной
среды
характерна
следующая
зависимость
мгновенного
показателя
преломления
n(t)
от
напряженности
E(t)
электрического
поля
распростра
-
няющейся
волны
:
( )
( )
2
0
2
.
n t
n
n E t
=
+
(7.10)
Распределение
мощности
излучения
в
поперечном
сече
-
нии
светового
пучка
приблизительно
соответствует
функции
с
максимумом
ее
значения
в
центре
пучка
.
При
превышении
по
-
рогового
значения
мощности
показатель
преломления
нелиней
-
ной
среды
в
центре
пучка
возрастает
,
а
к
периферии
пучка
плав
-
но
уменьшается
.
Рис
. 7.4.
Преобразование
световой
волны
в
сходящуюся
при
самофокусировке
В
результате
среда
рас
-
пространения
становится
по
-
добной
положительной
гра
-
диентной
линзе
и
преобразует
изначально
плоский
волновой
фронт
световой
волны
в
схо
-
дящийся
(
рис
. 7.4).
Явление
самофокуси
-
ровки
вследствие
чрезвычай
-
но
высокой
плотности
мощ
-
ности
излучения
в
канале
распространения
нередко
сопровож
-
дается
необратимыми
явлениями
–
оптическим
пробоем
среды
либо
интенсивным
поглощением
или
рассеянием
света
на
де
-
фектах
структуры
и
инородных
примесях
.
7.4.
Нелинейные
эффекты
в
волоконных
световодах
Возникновение
нелинейных
эффектов
в
оптических
волокон
-
ных
световодах
связано
с
индуцированной
поляризацией
P
элек
-
трических
диполей
,
которая
уже
не
является
линейной
,
а
удовле
-
творяет
более
общему
соотношению
131
(
)
1
2
2
0
ε χ
χ
χ
...
P
E
EE
EEE
=
+
+
+
,
(7.11)
где
ε
0
–
диэлектрическая
проницаемость
вакуума
,
χ
j
(j = 1, 2, ...) –
восприимчивость
j-
го
порядка
.
Главный
вклад
в
P
вносит
ли
-
нейная
восприимчивость
χ
1
,
она
определяет
показатель
прелом
-
ления
n.
С
восприимчивостью
второго
порядка
χ
2
связаны
такие
эффекты
,
как
генерация
второй
гармоники
и
генерация
суммар
-
ной
частоты
.
Однако
эта
восприимчивость
ненулевая
только
для
сред
,
в
которых
на
молекулярном
уровне
отсутствует
симметрия
инверсии
.
Поскольку
в
кварцевых
стеклах
молекула
SiO
2
обла
-
дает
центром
симметрии
,
χ
2
= 0.
Поэтому
в
оптических
светово
-
дах
не
могут
иметь
место
эффекты
второго
порядка
.
Тем
не
ме
-
нее
,
слабые
нелинейные
эффекты
второго
порядка
могут
возни
-
кать
из
-
за
примесей
внутри
сердцевины
.
Если
на
ранней
стадии
развития
волоконно
-
оптических
линий
связи
(
ВОЛС
)
единственными
проблемами
являлись
по
-
гонные
оптические
потери
и
волоконно
-
оптическая
дисперсия
,
то
сейчас
на
первое
место
стали
выходить
проблемы
,
связанные
с
нелинейными
эффектами
,
особенно
остро
проявляющимися
при
передаче
высокоскоростной
цифровой
информации
.
В
современной
технике
ВОЛС
известно
несколько
механиз
-
мов
нелинейности
,
возникающей
в
оптоволокне
.
Наибольший
вклад
в
искажение
передаваемой
информации
вносит
изменение
показателя
преломления
материала
световода
в
зависимости
от
оптической
мощности
пропускаемого
сигнала
(
рис
. 7.5).
Зависимость
показателя
преломления
от
интенсивности
приводит
к
множеству
нелинейных
эффектов
.
Два
наиболее
ши
-
роко
изученных
нелинейных
эффекта
:
фазовая
самомодуляция
и
фазовая
кросс
-
модуляция
.
Фазовая
самомодуляция
обусловлена
самонаведенным
на
-
бегом
фазы
,
который
оптическое
поле
приобретает
при
распро
-
странении
в
волоконном
световоде
.
132
Рис
. 7.5.
Зависимость
показателя
преломления
кварца
от
оптической
мощности
излучения
Фазовая
кросс
-
модуляция
обусловлена
нелинейным
набе
-
гом
фазы
оптического
поля
,
который
наведен
другим
полем
на
другой
длине
волны
,
распространяющимся
совместно
.
Другой
класс
нелинейных
эффектов
вызван
вынужденным
неупругим
рассеянием
,
при
котором
оптическое
поле
передает
Do'stlaringiz bilan baham: |