Microsoft Word doc

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