к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Самодефокусировка света

Самодефокусировка света - нелинейное расплывание высокоинтенсивного светового пучка, распространяющегося в нелинейной среде, показатель преломления к-рой уменьшается с ростом интенсивности поля:
8014-23.jpg

Здесь А - комплексная амплитуда поля, n0- линейная часть показателя преломления среды, nнл - отри-цат. нелинейная добавка к показателю преломления, конкретный вид к-рой зависит от механизма нелинейности среды. Если нелинейная добавка к показателю преломления положительна8014-24.jpg , то вместо дефокусировки развивается самофокусировка света.

При падении светового пучка, имеющего, напр., гауссово распределение амплитуды по поперечной координате r шириной а,
8014-25.jpg

нелинейная среда с показателем преломления (1) становится оптически неоднородной. В такой среде лучи испытывают нелинейную рефракцию, отклоняясь в область больших значений показателя преломления, а именно, от оси пучка к периферии. Это и приводит к самодефокусировке света, а слой нелинейной среды играет роль отрицат. (рассеивающей) линзы с фокусным расстоянием Fнл, зависящим от интенсивности (мощности) пучка. В зависимости от соотношения между фокусным расстоянием Fнл и толщиной среды l, к-рую проходит свет, различают два случая - тонкой и толстой линзы.

8014-27.jpg

Рис. 1. Траектории лучей при самодефокусировке в тонкой нелинейной линзе.

Тонкая нелинейная линза. Если8014-26.jpg , то рефракция лучей внутри слоя мала (рис. 1), сечение пучка при прохождении среды остаётся неизменным, а меняется лишь волновой фронт. В тонком слое происходит нелинейный набег фазы:
8014-28.jpg

где8014-29.jpg - волновое число в вакууме, w - частота. Для гауссова пучка функция8014-30.jpg представлена на рис. 2, а. Лучи выходят из слоя под разными углами8014-35.jpg (рис. 2, б):
8014-36.jpg

8014-31.jpg

Рис. 2. Изменение параметров пучка после прохождения нелинейной самодефокусирующей среды: а - нелинейный набег фаз8014-32.jpg; б - угол отклонения пучка8014-33.jpg; в - распределение интенсивности в зависимости от8014-34.jpg

Наиб. отклонение испытывают лучи, выходящие из области макс. градиента наведённой поперечной неоднородности показателя преломления, расположенной на8014-37.jpg. Под меньшими углами8014-38.jpg вдоль каждого направления идут два луча, интерферирующие между собой на большом удалении от нелинейной среды. В зависимости от разности фаз этих лучей8014-39.jpg под к--л. данным углом может наблюдаться минимум или максимум амплитуды - возникает характерная кольцевая структура (рис. 2, в, и рис. 4, а). Это явление наз. нелинейными аберрациями.

Первое тёмное кольцо образуется при8014-40.jpg , второе - при8014-41.jpg и т. д. Второе светлое кольцо (внутри внеш. светлого кольца с угл. расходимостью8014-42.jpg ) образуется при8014-43.jpg, а последующие - при8014-44.jpg . Т. о., число дополнит. светлых колец в аберрац. картине дефокусировки равно
8014-45.jpg

Угл. расходимость дефокусированного пучка определяется ф-лой
8014-46.jpg

где8014-47.jpg - дифракционная расходимость гауссова пучка.

Тонкую нелинейную линзу удобно характеризовать фокусным расстоянием:
8014-48.jpg

где lД = ka2/2 - дифракц. длина пучка или протяжённость зоны Френеля дифракции.

Т. о., с увеличением мощности пучка растёт его интенсивность на оси, растут8014-49.jpg и8014-50.jpg, т. е. увеличивается эффект8014-51.jpg дефокусировки. Чем больше расходимость пучка, тем больше число аберрац. колец N. Дефокусировка пучка выражается в том, что с ростом мощности пучка амплитуда и интенсивность уменьшаются, а появление каждого нового тёмного кольца сопровождается изменением интенсивности в центре пучка в дальнем поле.

Толстая нелинейная линза. В толстом слое нелинейной среды пучок значительно расплывается уже внутри самого слоя и эффективная (интенсивная) дефокусировка идёт на расстоянии порядка8014-52.jpg Для оценки Fнл толстой линзы можно воспользоваться ф-лой (7), заменив толщину слоя l на Fнл, получая в результате выражение
8014-53.jpg

Нелинейная расходимость пучка при внутр. дефокусировке, т. е. в толстом слое, равная8014-54.jpg слабее зависит от мощности пучка, чем в тонком слое (6). Заметная дефокусировка наблюдается при8014-55.jpg , откуда можно определить порог этого эффекта.

На практике наиб. часто осуществляется тепловая самодефокусировка света, обусловленная появлением nнл при нагреве среды в результате поглошения доли энергии светового пучка,8014-56.jpg где Т0 - равновесная температура, Т - темп-pa после нагрева, к-рая находится из ур-ння теплопроводности:
8014-57.jpg

где8014-58.jpg - уд. теплоёмкость,8014-59.jpg - коэф. теплопроводности,8014-60.jpg - коэф. поглощения, v - скорость конвективного движения среды (или пучка относительно среды) в направлении, перпендикулярном световому пучку вдоль оси х (рис. 3).
8014-61.jpg

Рис. 3. Самоотклонение светового пучка навстречу поперечному движению нелинейной дефокусирующей среды.

Тепловая линза имеет конечное время релаксации, определяемое теплопроводностью в пучке Короткие импульсы8014-62.jpg , для к-рых8014-63.jpg8014-64.jpg8014-65.jpg, испытывают нестационарную самодефокусировку света, пропорциональную поглощённой энергии, а длинные8014-66.jpg импульсы и непрерывное излучение - стационарную,8014-67.jpg. Кроме того, резко различаются случаи неподвижной среды (v = 0) и среды с поперечной конвекцией.

При стационарной тепловой дефокусировке в тонком неподвижном слое углы расходимости, фокусное расстояние и число дополнит. светлых колец определяются ф-лами, следующими из (5) и (6):
8014-68.jpg

В толстом слое слабопоглощающей среды параметры дефокуснрованного пучка
8014-69.jpg

Ф-лы (10) и (11) можно получить с помощью теории подобия п размерностей, придав им вид универсальных законов. При переходе от гауссова пучка к др. пучкам изменяются только численные коэффициенты.

8014-74.jpg

Рис. 4. Тепловая самодефокусировка пучка света аргонового лазера мощностью 60 мВт: а - после прохождения ячейки с неподвижным спиртом; б - отклонение пучка навстречу движущейся среде (стрелкой показано направление движения среды).

В движущейся дефокусирующей среде8014-70.jpg тепловая дефокусировка проявляется в самоотклонении светового пучка при8014-71.jpg навстречу поперечному потоку в более холодную часть среды (рис. 4,б). (В среде с8014-72.jpg пучок отклоняется в направлении потока.) Относительный вклад конвекции и термодиффузии в теплопередачу характеризуется числом Пекле:8014-73.jpg При малых числах Пекле вклад конвективного теплопереноса незначителен и самодефокусировка света идёт практически так же, как и в неподвижной среде: центр пучка смещается на малый угол, пропорциональный скорости течения:8014-75.jpg

Если скорость поперечной конвекции становится ооль-шой, то в выносе тепла из области пучка в направлении оси х осн. роль играет конвекция [член8014-76.jpg в ур-нии (9)] и распределение темн-ры среды по поперечному сечению пучка становится несимметричным. В результате этого пучок смещается по оси х на угол8014-77.jpgv-1, к-рый сравним или даже больше угла дефокусировки. Поперечное сечение пучка на расстоянии приобретает характерную серповидную форму (рис. 3).

Тепловая самодефокусировка света является одним из осн. эффектов в оптике атмосферы. Она ограничивает предельные возможности передачи большой энергии или мощности на большие расстояния с помощью волновых пучков. В то же время тепловая самодефокусировка света используется в нелинейной спектроскопии, в частности для измерения коэф. поглощения8014-78.jpg скорости движения среды v, коэф. теплопроводности8014-79.jpg на основе измерения зависимостей угл. расходимости8014-80.jpg угла * * самоотклонения от этих параметров8014-81.jpg и др. *8014-82.jpg*

Более сложный вид самодефокусировки света приобретает в твёрдых телах из-за появления термоупругих напряжений, наведённого двулучепреломления и т. д.

Литература по самодефокусировке света

  1. Akhtаnоv S. А., Кhоkhlоv R. V., Sukhоrukоv А. Р., Self-focusing, self-defocusing and self-modulation of laser beams, в кн.: Laser handbook, v. 2, Amst., 1972, p. 1151;
  2. Виноградова М. Б., Руденко О. В., Сухоруков А. П., Теория волн, 2 изд., М., 1990.

А. П. Сухоруков

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Форум Рыцари теории эфира


Рыцари теории эфира
 10.11.2021 - 12:37: ПЕРСОНАЛИИ - Personalias -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 12:36: СОВЕСТЬ - Conscience -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 12:36: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от д.м.н. Александра Алексеевича Редько - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 12:35: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 12:34: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вадима Глогера, США - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 09:18: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> Волновая генетика Петра Гаряева, 5G-контроль и управление - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 09:18: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 09:16: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНЫ - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 09:15: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Екатерины Коваленко - Карим_Хайдаров.
10.11.2021 - 09:13: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вильгельма Варкентина - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution