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, что cогласно релятивистской мифологии "гравитационное линзирование - это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника." (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО - воздействия гравитации на свет)
При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО - это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд - 10¹¹ раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов.
Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.