Взаимодействие световых волн. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Взаимодействие световых волн - связано с энергообменом в нелинейной среде световых волн разных частот и разных направлений распространения и приводит к ряду нелинейнооптич. явлений, в частности К генерации гармоник (см. Нелинейная оптика ).В общем случае эти взаимодействия могут происходить с участием индуцированных светом возбуждений в среде (оптич. и акустич. фононов, магнонов и т. п.). Такие нелинейные взаимодействия принято наз. вынужденным рассеянием света. В узком смысле под взаимодействие световых волн понимают нелинейное взаимодействие эл--магн. волн оптич. диапазона.

В сильных лазерных полях поляризация среды P является нелинейной функцией напряжённости электрич. поля E световой волны и может быть представлена в виде

где

- линейная диэлектрич. восприимчивость среды,

- квадратичная и кубичная восприимчивости (для простоты не учитываем тензорный характер восприимчивости и её временную и пространственную дисперсию; см. Нелинейные восприимчивости ).Для сред с квадратичной нелинейностью

характерны трёхволновые (трёхчастотные, трёхфотонные) взаимодействие световых волн, с кубичной нелинейностью

-четырёхволновые (четырёхчастотные, четырёхфотонные) взаимодействия и т. д. T. о., нелинейная восприимчивость среды порядка п обусловливает (n+1)-волновые взаимодействия.

Трёхволновые взаимодействия. При распространении в среде с квадратичной нелинейностью плоских световых волн:

(k_n - волновое число, z - направление распространения) создаётся нелинейная поляризация вида:

P₀ - постоянная поляризация среды, возникающая под действием поля интенсивных световых волн и используемая при оптич. детектировании (см. Детектирование света). Поляризация (4а) на удвоенной частоте и поляризация (4б) на суммарной (разностной) частоте при определ. условиях могут приводить к переизлучению волны на соответствующих частотах. Так, для возбуждения поля на суммарной частоте

(рис. 1, а)необходимо, чтобы выполнялось условие волнового синхронизма вида

. В этом случае амплитуды световых волн, излучаемых разл. диполями в разных точках среды, складываются и в результате происходит пространственное накопление нелинейного эффекта по мере увеличения длины взаимодействия световых волн.

Рис. 1. Трёхволновые процессы генерации: суммарной частоты (а), второй гармоники (б), разностной частоты

и параметрического усиления частоты

(в).

Процесс генерации второй гармоники световой волны (рис. 1, б), связанный с поляризацией

, относится к случаю вырожденного трёхчастотного взаимодействия (частоты возбуждающих волн равны). Но по числу волн этот процесс может быть невырожден. С нелинейной поляризацией

связаны процесс генерации разностной частоты

(рис. 1, в) и процесс усиления волны частоты

. Если на входе нелинейной среды одна из световых волн, напр. частоты

, является более интенсивной, то процесс взаимодействия световых волн принято наз. параметрическим. При этом интенсивная волна (волна накачки) частоты

модулирует в пространстве и во времени диэлектрич. проницаемость среды, приводя к параметрич. нарастанию на частотах

, к-рое можно интерпретировать как результат работы, производимой нестационарной средой (подробнее см. Параметрический генератор света ). Параметрическое взаимодействие световых волн наз. вырожденным, если частота усиливаемой волны является субгармоникой по отношению к частоте накачки:

. Следует отметить различие в процессах возбуждения второй гармоники и субгармоники. Вторая гармоника может нарастать с нулевой амплитуды на входе нелинейной среды, для усиления же волны субгармоники обязательно необходимо ненулевое значение её амплитуды. Трёхчастотные взаимодействия световых волн можно трактовать как когерентные процессы распада или слияния фотонов соответствующих частот. Напр., процесс параметрической люминесценции наглядно трактуется как распад фотонов накачки частоты

, происходящий под воздействием тепловых фотонов среды частот

Четырёхволновые взаимодействия. Для нецентросимметричных нелинейных сред в разложении поляризации (1) квадратичный член отсутствует, поэтому в таких средах существенна кубичная восприимчивость и в них возможны лишь четырёхволновые взаимодействия световых волн. Участие во взаимодействии четырёх волн приводит к большому разнообразию нелинейных эффектов; нек-рые из них имеют много общих свойств с трёхволновыми взаимодействиями.

В общем случае между частотами

и волновыми векторами

световых волн, взаимодействующих в средах с кубичной нелинейностью, имеют место соотношения

Подстановка (2) в выражение для кубич. поляризации

показывает, что Р⁽³⁾ имеет компоненты на частотах

и т. д. Как уже отмечалось, каждая поляризация может приводить к переизлучению световой волны на соответствующей частоте. T. о., в среде с кубической восприимчивостью

возможна генерация световой волны третьей гармоники

. На частоте

исходной световой волны имеются две поляризации, одна из к-рых соответствует комбинации волновых векторов

, а другая-

. С первой поляризацией связано явление самовоздействия света ,а со второй - явление кроссвзаимодействия. Эти явления отсутствуют в квадратичных средах; в их основе лежит кубич. зависимость поляризации среды и, следовательно, показателя преломления среды от интенсивности распространяющихся световых волн. Наличие эффектов самовоздействия и кроссвзаимодействия является характерной особенностью всех четырёхволновых взаимодействий световых волн. Остальные указанные выше комбинации частот относятся к процессам четырёхфотонного смешения. Очень важным свойством обладает вырожденное четырёхволновое взаимодействие волн одинаковой частоты (рис. 2). В случае, когда волны E₁ и Е₂ с противоположными направлениями распространения являются интенсивными (накачками) и на среду падает слабая волна E₃, в нелинейной среде возбуждается волна E₄с амплитудой A₄, комплексно сопряжённой амплитуде слабой волны

. Эта схема четырёхволнового взаимодействия используется для обращения волнового фронта с усилением.

Трёх- и Четырёхволновые взаимодействия световых волн лежат в основе двух направлений современной лазерной оптики: нелинейной спектроскопии и прикладной нелинейной оптики, в к-рой нелинейнооптич. процессы используются для преобразования изображений и частот, обращения волнового фронта, для создания новых источников когерентного оптич. излучения и т. п.

Литература по взаимодействию световых волн

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.