ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Вступительная статья из "Нелинейная оптика " Термин нелинейная оптика прочно вошел в научную литературу в последние 3—4 года, прошедшие после создания лазеров нелинейными оптическими эффектами называют эффекты, характер протекания которых зависит от интенсивности излучения. [c.5] Спектральная компонента поляризации на частоте (Ор образуется за счет комбинации двух полей при учете младшего нелинейного члена в разложении Р = Р(Е) или трех и более полей при учете членов более высокого порядка (в зависимости от соотношения между частотами (2в) содержат либо сами поля Е, либо комплексно сопряженные величины). Нелинейные восприимчивости различных порядков хш. %цы и т. п., как и линейная восприимчивость к, определяются физическими свойствами материальной среды и oдepжaт, вообще говоря, более полную информацию об электронных энергетических уровнях, нежели к. [c.6] Не следует думать, что экспериментальное наблюдение взаимодействий, связанных с кубичными членами и членами более высокого порядка в (5), дело лишь последних лет. Часть указанных членов соответствует эффектам, экспериментальное изучение которых было начато еще в прошлом веке. Действительно, член с Хе после дифференцирования по Е дает Я = —поляризацию, пропорциональную напряженности статического электрического поля — хорошо известный линейный электрооптический эффект, или эффект Поккельса. [c.9] Перечисленные только что эффекты не относятся к нелинейной оптике в смысле данного выше определения они имеют место и в весьма слабых световых полях, где их протекание не зависит от интенсивности света. Их можно назвать параметрическими оптическими эффектами, т. е. эффектами, протекающими в средах, параметры которых заданным образом меняются с помощью внешних сил. Вместе с тем то обстоятельство, что параметрические эффекты определяются теми же физическими свойствами среды, как и оптические эффекты, зависящие от интенсивности световой волны,. [c.10] Важную главу параметрической оптики составляют классические работы по дифракции света на ультразвуке их обзор и библиографию можно найти, например, в книге Борна и Вольфа 5]. В достаточно общей форме вопросы, связанные с распространением электромагнитных волн в средах с переменными параметрами, рассматривались Вриллюэном (см. [6]) этому же вопросу посвящена монография Рытова [7], опубликованная в 1940 г. Наконец, в сравнительно недавнее время вопросы параметрической оптики рассматривались в обзоре Слэтера [8]. [c.11] Фактором, существенно стимулировавшим работы по нелинейной оптике еще на раннем этапе, было интенсивное развитие нелинейной радиофизики в особенности ее теоретического раздела — нелинейной теории колебаний. Действительно, поскольку и радиофизика и оптика имеют дело с колебаниями и волнами одной природы, представляется вполне естественным перенесение идей и методов нелинейной теории колебаний на оптику. Именно под таким углом зрения обсуждались возможности постановки опытов по нелинейным взаимодействиям световых ВОЛН в серии работ Горелика [10—12], выполненных еще в 1947—1950 гг. Один из предлагавшихся опытов — весьма тонкий опыт по смешению оптического дублета (использовались зеемановские компоненты зеленой линии ртути) на фотокатоде — был выполнен Форрестером и сотрудниками в 1955 г. [13]. Следует отметить, что, хотя с современными экспериментальными средствами опыты типа опыта Форрестера доступны любой физической лаборатории, результаты анализа влияния пространственной и временной когерентности пучков на оптическое смешение, проведенного в работах [10—13], Представляют несомненный интерес и для современной нелинейной оптики. [c.12] Одним из первых был зарегистрирован эффект, обратный эффекту Поккельса — оптическое детектирование. В 1962 г. был обнаружен эффект генерации когерентных оптических фононов в поле интенсивной световой волны [16] — эффект, приводящий в комбинации с рассеянием света на этих фононах к так называемому вынужденному комбинационному рассеянию, а в 1963 г. — и эффект генерации акустических фононов и вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна (Таунс с сотрудниками [17]). Наконец, совсем недавно былр экспериментально зарегистрировано вынужденное рассеяние в области крыла линии Релея [18]. Регистрация нелинейных оптических эффектов, связанных с членами в (5), содержащими магнитное поле, до последнего времени вызывала значительные трудности однако в июне 1965 г. появилось сообщение [19] о наблюдении одного из таких эффектов — обратного эффекта Фарадея последнее позволяет надеяться на успешное наблюдение вынужденного рассеяния на спиновых волнах. Таким образом, и в магнитооптике становится возможным наблюдение не только параметрических, но и нелинейных эффектов. [c.13] Следует иметь в виду, что изучение материала книги может потребовать от читателя затраты некоторого труда, поскольку научный уровень книги достаточно высок, а изложение в ряде случаев носит конспективный характер. Определенные трудности могут возникать также в связи с тем, что в этой бурно развивающейся области физики еще не установилась стандартная терминология кроме того, и автор не всегда был последователен в использовании применяемых в книге терминов некоторые разъяснения на этот счет содержатся в редакторских примечаниях. [c.17] При теоретическом рассмотрении все нелинейные оптические процессы естественным образам можно разделить на две группы. Характер протекания процессов первого типа существенно определяется фазовыми соотношениями между взаимодействующими электромагнитными полями, а следовательно, их описание невозможно в терминах населенностей, характеризуемых заданными числами фотонов. К процессам этого типа относятся оптическое умножение и смешение частот, параметрическое усиление и преобразование и т. п. Для процессов второго типа, связанных с реальным изменением состояния материальной системы, фазовые соотношения между электромагнитными полями не играют такой определяющей роли важными примерами последних являются стоксово комбинационное рассеяние и многофотонное поглощение. [c.17] 1 является введением, призванным очертить круг рассматриваемых проблем и сообщить предварительные сведения об экспериментальных основаниях нелинейной оптики. Читателю, впервые знакомящемуся с этой областью, она может показаться чрезмерно конспективной 1в связи с этим наряду с литературой, приводимой автором, можно рекомендовать обзоры [32, 33], а также книгу [34], лредназначенную для менее подготовленных читателей. [c.18] Недавно Терхьюн и его сотрудники [40] наблюдали нелинейные оптические эффекты, связанные не с нелинейными свойствами среды как целого, а с нелинейными свойствами отдельных молекул—так называемое трехфотонное молекулярное рассеяние. Последнее открывает важные перспективы изучения микроструктуры оптических нелинейностей и, несомненно, явится фактором, стимулирующим дальнейшие теоретические исследования. Интересно, что измеренная в работе -[40] нелинейная восприимчивость молекулы ССЦ соответствует восприимчивости типичных пьезоэлектрических ристаллов. Опыты такого рода могут способствовать выяснению вопроса о влиянии межмолекулярного взаимодействия на нелинейную восприимчивость. [c.19] 3 и 4 посвящены -изложению основ теории волн в нелинейных диспергирующих средах и ее приложениям к различным задачам, возникающим в нелинейной оптике. Разумеется, число конкретных задач, решенных к настоящему времени, существенно. превышает количество примеров, р ассмотренных в книге. В частности, более подроб-но, чем в основном тексте и приложении I, исследована задача о генерации третьей гармоники, генерации суммарных и разностных частот, параметрическом усилении при высокочастотной и низкочастотной накачке и т. п. соответствующие ссылки даны в списке дополнительной литературы. Здесь же нам представляется уместным обратить внимание на обстоятельства более принципиального порядка. [c.19] Более детальный анализ показывает, что это предположение обосновано для анизотропной среды ( ор(Маль-пые волны которой имеют -определенные направления поляризаций), но для изотропной среды выполняется лишь в частных случаях, поскольку здесь поляризации нормальных волн произвольны, В общем же случае нелинейного взаимодействия в оптически изотропной среде (например, генер-ации второй гармоники в кристалле типа ОаАз, вынужденном -комбинацианно-м рассея-нии или вынужденном рассеянии Мандельштама — Бриллюэна в жидкостях) уравнения первого порядка являются векторными и описывают одновременно изменение амплитуд и поляризаций -взаимодействующих волн. Более детально этот вопрос рассмотрен в работе [41]. Заметим, кстати, что в теории нелинейных -волновых явлений в диспергирующих средах плодотворным оказывается использование идей, а в ряде случаев и конкретных методов нелинейной теории колебаний (например,. при анализе системы уравнений для связанных волн полезным оказывается метод фазовой плоскости и т. п.). Эта сторона нелинейной оптики подробно обсуждается в работе [41] там же можно найти и -соответствующую библиографию. [c.20] Весьма существенным -для современной нелинейной оптики является распространение теории взаимодей-ст-В1И-Я и самовоздействия волн на реальные пучки, обладающие конечной шириной спектральной линии (модулированные, в частности импульсно-модулированные волны) и конечным поперечным сечением. Задачи такого типа вообще не рассматриваются в настоящей книге. Поэтому представляется целесообразным хотя бы кратко дать их конкретную формулировку. Это удобно сделать на примере стандартной задачи о генерации второй оптической гармоники, рассмотренной в гл. 4 и в приложении I для плоских яемодулирован-ных волн. [c.20] ДЛЯ которой X = Т, может быть названа когерентной длиной. С зависимостью типа (14) приходится сталкиваться и в задаче о генерации второй гармоники в статистически неоднородной среде. Наиболее ярким примером такой ситуации является задача о нелинейном рассеянии В среде с центром инверсии, в которой отдельные молекулы обладают отличным от нуля тензором Хгя (см. [40]) Следует иметь в виду вместе с тем, что термин когерентная длина широко используется в современной нелинейной оптике и для определения пространственных масштабов нелинейного взаимодействия, не связанных со статистическими эффектами, в частности пространственных масштабов, определяемых только дисперсионными свойствами нелинейной среды. [c.23] Интересно, что при больших Ак некогерентный процесс генерации гармоники оказывается более эффективным, нежели когерентный процесс. [c.23] Эффекты, овязанные с конечным сечением световых пучков, активно обсуждаются в последнее время в связи с опытами по генерации гармоник в двоякопрелом-ляющих -кристаллах (при больших длинах предел нарастанию мощности гармоники в пучке конечной апертуры кладет различие направлений волнового и лучевого векторов [21]), а также опытами по вынужденному комбинационному рассеянию (см. [45, 46]). [c.25] Вернуться к основной статье