НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА

Изменяются ли оптические характеристики среды под действием светового пучка, проходящего сквозь среду? До появления лазеров на этот вопрос давали отрицательный ответ. Действительно, электрическая напряженность поля световой волны от нелазерных источников света не превышает , тогда как внутриатомные поля характеризуются напряженностями порядка . При таком «соотношении сил» световая волна практически не влияет на внутриатомные поля, а следовательно, и на характеристики среды. Поэтому отклик среды (поляризация Р) на внешнее воздействие (на напряженность поля световой волны Е) оказывается линейным: , где — диэлектрическая восприимчивость среды. Отсюда и происходит термин «линейная оптика», используемый сегодня в применении к долазерной оптике.

С появлением лазеров ситуация качественно изменилась. Высокая степень когерентности лазерного излучения позволяет осуществлять необычайно сильную концентрацию световой мощности. Лазеры дают световые поля напряженностью до . Теперь диэлектрическая восприимчивость среды зависит от напряженности поля световой волны; поэтому зависимость P от Е оказывается нелинейной. Так, если , то . Отсюда происходят названия терминов «нелинейная оптика», «нелинейная поляризация» (слагаемое в предыдущем выражении), «нелинейная среда» (среда с нелинейной поляризацией).

Под понятием нелинейная оптика объединяют совокупность оптических явлений, обусловленных нелинейностью отклика среды (ее поляризации) на внешнее воздействие (на поле световой волны). Проще говоря, речь идет об оптических явлениях, обусловленных нелинейной поляризацией среды под действием интенсивного лазерного излучения.

К числу таких явлений относится явление удвоения частоты света (явление генерации второй оптической гармоники): при определенных условиях лазерное излучение частоты v, проходя сквозь нелинейный кристалл, частично превращается во вторую гармонику — в излучение частоты . Возможность такого превращения легко продемонстрировать математически. Подставим выражение для бегущей световой волны Е в упоминавшееся ранее соотношение . В результате получаем:

Видно, что возникает волна нелинейной поляризации на частоте . При определенных условиях эта волна поляризации переизлучит световую волну на той же частоте.

В нелинейных средах происходит не только удвоение частоты света, но и получение более высоких оптических гармоник; происходит также сложение и вычитание частот. Кроме того, возмржна плавная перестройка частоты света (явление параметрической генерации света).

Круг нелинейно-оптических явлений не ограничивается преобразованиями оптических частот. В нелинейной среде можно наблюдать, например, удивительное явление самофокусировки светового пучка: вместо того чтобы расходиться, световой пучок, наоборот, сжимается в тонкую световую нить (как бы самофокусируется). Это явление было предсказано в 1961 г. советским физиком Г. Аскарьяном. Отметим также нелинейно-оптические явления просветления и затемнения среды. В первом случае непрозрачная среда обратимо просветляется при падении на нее интенсивного светового импульса; во втором — наоборот, первоначально прозрачная среда становится непрозрачной при облучении светом. Явление просветления среды наблюдали советские физики С. И. Вавилов и В. Л. Левшин еще в 1925 г. Используя свет от мощной искры, они зафиксировали снижение коэффициента поглощения уранового стекла на 1,5% (при погрешности измерений ). Это был первый в мире нелинейно-оптический эксперимент.

Для объяснения явления просветления среды предположим, что поглощающие свет частицы имеют всего два уровня энергии ( и ). В исходном состоянии все частицы находятся на уровне . Когда на среду начинают падать фотоны с энергией происходит поглощение света средой, при этом частицы совершают переходы с уровня на уровень . Когда на обоих уровнях окажется одинаковое число частиц, среда станет прозрачной (теперь фотон с энергией с одинаковой вероятностью может инициировать как переход , так и обратный переход).

Для объяснения явления затемнения среды предположим, что энергия фотона вдвое меньше энергии . При малых интенсивностях света фотоны могут поглощаться частицами среды только поодиночке; поэтому поглощения света не происходит — среда прозрачна. При увеличении интенсивности света растет вероятность поглощения сразу двух фотонов; при этом частица переходит с уровня на . Возрастание вероятности поглощения света и означает затемнение первоначально прозрачной среды.

В развитии нелинейной оптики и ее практических применений большую роль сыграли работы советских физиков Р. В. Хохлова и С. А. Ахманова. Одно из важнейших практических применений — создание умножителей оптических частот и параметрических генераторов света. Первые позволяют расширить диапазон генерируемого когерентного оптического излучения, продвинуться в область более высоких частот, а вторые — осуществлять плавную перестройку и подстройку частоты когерентного света.