Понятие о нелинейных оптических процессах.

Излучение мощных и высоко когерентных лазеров может оказывать существенное воздействие на атомы и молекулы, изменяя свойства среды, т.е. вызывать нелинейные оптические процессы.

Даже относительно слабое лазерное излучение на частоте, попадающей в резонанс с какими-либо колебаниями, может сильно изменить кинетику оптических процессов, сделав, например, поглощение нелинейным или изменив скорость распространения волн в среде. Однако чаще обсуждают «силовые» воздействия, приводящие к нелинейностям. Обсудим некоторые из нелинейных эффектов, не соблюдая хронологическую последовательность их открытия.

Многофотонный фотоэффект. Хорошо известно, что под воздействием света может возникать внешний и внутренний фотоэффект. Каждый материал характеризуется работой выходя, величина которой определяет красную границу фотоэффекта. Однако в сильных световых полях электрон может поглотить не один, а несколько фотонов и вызвать фотоэффект любого типа даже при частотах света, меньших частоты красной границы. Суть эффекта становится более понятной, если записать уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта в виде

. (б.5.1)

Здесь n – число фотонов, поглощенных в акте фотоэффекта. Наблюдались случаи фотоэффекта с n = 4 – 5, причем как для внешнего, так и для внутреннего фотоэффекта.

Лазерная искра и лазерный пробой. Если сфокусировать интенсивный лазерный луч внутрь газообразного, жидкого или твердого образца, то в фокальной области возникает искра, подобная искре электрического разряда (в случае использования импульсного лазера искра имеет характер короткой вспышки, при использовании непрерывного лазера искра горит долго). В отличие от газа и жидкости в твердом диэлектрике фокальная область разрушается, это так называемый лазерный пробой или оптическое разрушение (optical damage). Внутрь металла «загнать» лазерное излучение не удается и в световых полях большой интенсивности происходить очень сильный нагрев металла и его испарение. В указанных процессах появляется как чисто оптическая нелинейность (многофотонное поглощение), так и нелинейные взаимодействия различных статистических подсистем. В частности, «температура» электронной подсистемы может на порядок превышать «температуру» решетки. Кавычки здесь поставлены потому, что строгое определение температуры относится только к равновесным системам.

Самофокусировка. В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Но это утверждение справедливо только для обычных интенсивностей. В некоторых средах воздействие сильного лазерного луча приводит к увеличению коэффициента преломления. Поэтому лазерные пучки, у которых интенсивность увеличивается к центру (это обычные гауссовы лазерные пучки), формируют в однородных средах нестационарное изменение коэффициента преломления, имеющее свойства собирающей линзы. В результате практически параллельный исходный пучок лазерного излучения становится сходящимся, т.е. возникает фокусировка пучка. Если образец, обладающий такими свойствами не слишком толстый, то сходящийся лазерный луч выходит из образца, ведя себя так, как если бы он прошел положительную линзу. Он собирается в фокусе, а затем начинает расходиться. Если же образец толстый, то фокус образовавшейся линзы лежит внутри образца и в окрестностях фокуса напряженность световой волны достигает таких значений, что происходит лазерный пробой. После выключения лазерного луча образовавшаяся линза релаксирует (исчезает), но возникшее в фокусе разрушение остается.

Самодифракция. Это явление, близкое к самофокусировке. Оно наблюдается при специальной организации опыта. Расщепим лазерный луч на два пучка (например, с помощью бипризмы Френеля) и направим эти пучки на образец, взятый в виде плоскопараллельной пластины. В обычных условиях лучи пойдут пластину и создадут на удаленном экране два световых пятна (считается, что пластина толстая и интерференционные явления происходят только внутри пластины; за пластиной пучки расходятся и не накладываются друг на друга). Если же интенсивность света велика и в пластине происходит индуцированное светом изменение коэффициента преломления, то в местах интерференционных максимумов это изменение будет максимально, а в минимумах будет отсутствовать. Поэтому в пластине индуцируется (наводится) пространственная дифракционная решетка, вызывающая отклонение каждого из пучков света. В результате на экране появляется набор дополнительных световых пятен, обусловленных эффектом самодифракции.

Генерация гармоник. В обычной оптике распространение света в среде не связано с изменением его частоты (исключение – процессы комбинационного рассеяния, имеющие резонансный характер, и возникающие в слабых полях). Однако в природе существуют кристаллы, у которых нелинейные добавки к коэффициенту преломления по напряженности поля велики,

(б.5.2)

(слагаемое с отлично от нуля только у сложных кристаллов, не имеющих центра симметрии).

Кристаллы с заметными величинами , называются нелинейными кристаллами с квадратичной нелинейностью (например, это – ниобат лития, или дигидрофосфат калия, сокращенно KDP). При некоторых, жестко определенных условиях падение интенсивного лазерного излучения на такие кристаллы приводит к генерации гармоник падающего излучения: на выходе из кристалла наблюдается не только частота падающего излучения , но и гармоники , и другие. Для появления гармоник требуется выполнение условия пространственного синхронизма. Это, по существу, закон сохранения импульса, который может быть выполнен только при определенной ориентации нелинейного кристалла. Можно сказать, что полный импульс двух падающих фотонов должен равняться импульсу одного родившегося фотона (закон сохранения энергии), т.е. . Аналогичные соотношения должны выполняться и при генерации третьей гармоники. Одновременно вторая и третья гармоники не генерируются. Иногда удается создать гармоники более высоких порядков.

Параметрическая генерация света. В нелинейных кристаллах возможно и другое преобразование частот. Например, в ниобате лития можно (при выполнении условий синхронизма) смешать два частоты, и , и получить суммарные или разностные частоты, . Как правило, в оптике существует «обратимость», в том смысле, что возможен как прямой процесс, так и обратный ему. В нашем случае это означает, что ниобат лития может «смешать» два фотона, дав взамен один, большей энергии. Это и есть суть параметрической генерации. Если одно из трех волн (наиболее высокочастотная) имеет большую интенсивность, чем две другие, то энергия сильной волны будет передаваться слабым волнам, которые будут усиливаться. Такое нелинейное явление называется параметрическим усилением света.

Раньше мы упоминали понятие бифотонного поля, в настоящее время широко используемого в современных оптических исследованиях и различных высокотехнологичных применениях. Получение такого поля – один из примеров down-генерации света (с уменьшением частоты). Именно из-за того, что при таком преобразовании выполняются законы сохранения энергии и импульса (условия временного и пространственного синхронизма), параметры родившихся фотонов жестко связаны и, зная параметры одного из них, можно «точно» указать параметры второго.

В ряду этих же нелинейных процессов стоит и вынужденное комбинационное рассеяние. Его особенность состоит в том, что на исследуемый образец пускают два мощных луча. Один из них «падающий» с начальной частотой, второй «рассеянный» с той частотой, которая должно получиться при данном типе рассеяния. Рассеяние происходит вынужденным, а не спонтанным образом, в результате чего вероятность изучаемого процесса резко возрастает и он становится более доступным для исследования. Это же – механизм активной лазерной спектроскопии.