Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 191
Текст из файла (страница 191)
41.12. Центр круга освещен красным светом, ый ый ый Рис. 41.12. Схема опыта по наблюдению параметрической люминесценции. Преломление на грани кристалла не принято во внимание а по мере удаления от оси длглна волньг уменыпается и окраска постепенно переходит в желтую и зеленую. Измерение варглацигл длглн волн вдоль радиуса круга показывает, что частота света как функция угла между осью и направлением распространения точно совпадает с теми значениями, которые диктуготся векторным условием синфазности гсг + 1с~ = Ц. Поскольку именно в этих направлениях должно происходить синфазное сложение вторичных волн, рождающглхся пргл распаде фотона йгоз, указанное совпадение служит убедительным доказательством параметрического происхождения выходящего из кристалла света. Частота другой слабой волны находится в инфракрасной областгг спектра, и она в данной установке, естественно, не регистрируется.
Описанное явление, обнаруженное в 1967 г., называется параметрической лгоминесигенцией или спонтанным трехфотонным параметрическим расселнием света. В рамках квантовых представлений параметрическое усиление есть стимулированный аналог параметрической люминесценции— присутствие волн 1, 2 увеличивает вероятность распада фотона Ага в тем большей степени, чем больше интенсивность этих волн. Другими словами, параметрическое усиление и параметрическая люминесценция находятся в такой же связи, как вынужденное и спонтанное испускание фотона возбужденньгми квантовыми системами.
Следует подчеркнуть, что существование спонтанного аналога у вынужденного радиационного процесса отнюдь не специфично для рассмотренных выше процессов, но представляет собой общий тезис квантовой теории излучения. Параметрическое усиленгле служглт физическогл основой для создания параметрических генераторов света. Принципиальная схема такого генератора показана на рис.
41.13. В резонатор, образованный плоскими зеркалами Л1г и Мг, помещается нелинейньпл кристалл К, вырезанный таким образом, .что для волн, распространяющихся перпендикулярно зеркалам, выполняются векторные условия синфазности 1с1„+Ц = Ц, либо 1сг~+1с~ = Ц. Для возбуждения параметрической генерации применяется излучение второй 1или третьей) гармоники 776 лАзкгы, нклинкйнАя ОптгикА рубинового или неодимового лазера, проходящее в направлении синфазности через зеркало М1. Зеркала М1, М2 имеют высокие коэффициенты отражения для волн м~, м~, и вместе с тем зеркало М1 должно М~ А~2 Рис.
41.13. Схема параметрического генератора света быть прозра ~ным для возбуждающего излучения. При достаточно высоком уровне возбуждения параметрическое усиление превысит потери из-за неполного отражения от зеркал, поглощения в кристалле и других причин, и возникнет когерентное излучение с частотами м1, м2. Пороговые мощности возбужданпцего излучения равны примерно нескольким МВт/см~.
Изменение ориентации кристалла (или его температуры, или наложение на кристалл постоянного электрического поля) приводит к смещению частот, для которых выполняется условие синфазности в направлении максимальной добротности, перпендикулярном зеркалам, и в результате частоты генерируемого излучения м1, м2 изменятся. Таким образом, параметрические генераторы света позволяют получать мощное когерентное излучение с плавной перестройкой его частоты. В описанных выше параметрических явлениях люминесценции, усиления и генерации света принимали участие фотоны трех частот м1, м2, ыа. Известны и более сложные многофотонные параметрические процессы (четырех-, пяти-, шестифотонные и т.д.).
й 239. Вынужденное комбинационное рассеяние света В ~ 162 было выяснено, что в спектре рассеянного света существуют линии, отличающиеся по частоте от падаюгцего излучения на величины, равные частотам м, внутримолекулярных колебаний. В случае сравнительно небольших освещенностей, характерных для источников некогерентного излучения, интенсивность комбинационного рассеяния чрезвычайно мала: поток света, рассеянного в 1 см, составляет 10 ~ — 10 7 часть возбуждающего потока даже для самых сильных линий (Ли = ы;Д2яс) = 992 см ' для бензола и 1345 см 1 для нитробензола).
Если же возбуждение осуществляется при освещенностях порядка 10 — 10 Вт,'см", что вполне достижимо с помощью мощных импульсных лазеров, доля рассеянного потока сильно увеличивается и достигает десятков процентов. Такое увеличение интенсивности касается не всех, но только наиболее интенсивных линий комбинационного рассеяния. Помимо линий первого порядка с частотами ы ~м;, появляются и линии более высоких порядков (частоты ы ~ 2м;, м ~ Зм;). ГЛ. ХЬЬ НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА 777 Наконец, рассеяние приобретает отчетливо выраженный направленный характер. Схема опыта показана на рис. 41.14. Пучок лазерного излучения проходит через рассеивающее вещество К и отфильтровывается светофильтром С, так что на экране .ЕЕ наблюдается только рассеянный свет с измененной частотой.
Распределение освещенности экрана схематллчески изображено в правой части рисунка. Вблизлл осевой точ- Возб Рис. 41.14. Схема опыта по наблюдению за ВКР ки, соответствующей направлению возбуждающего пучка, сосредоточено стоксово излучение (ы — пм;, и = 1, 2,...).
Антистоксовы компоненты (ы+ пм;) располагаются в виде концентрллческих колец, радиус которых увеллл плвается с ростом смещения частоты. Антистоксовы компоненты наблюдаются только по ходу возбуждающего пучка, тогда как стоксовы компоненты распространяются и в противоположном направлении. Отмеченные особенности комбинационного рассеяния при высоких уровнях возбуждения имеют место и в жидкостях, и в кристаллах. В случае газов отличие состоит лишь в угловом распределении, — антистоксово рассеяние происходит практически в направлении лазерного пучка, т.е. кольца не наблюдаются. Следует подчеркнуть, что при могцном возбуждении комбинационное рассеянлле сопровождается, как правило, другими нелинейными явлениями, — самофокусировкой, вынужденным рассеянллем Мандельштама — Бриллн)эна, искажением спектра световых импульсов лл др.
Поэтому результаты наблюдений сильно зависят от экспериментальных условий (от длительности импульса возбуждения, степени и места его фокусировки, от распределения освещенности в сечении пучка и т.п.), и обрисованная выше картина охватывает лишь главные черты явления. Основной опытный факт — увеличение доли рассеянного света на несколько порядков величины — получает объяснение, если принять во внимание общее положение квантовой теории излучения о существовании стимулированного аналога у любого радиационного процесса').
Комбинационное рассеяние, наблюдаемое при малых интенсивностях возбуждения, представляет собой спонтанное испускание фотона Ьы„(ь', = м — ы,) прлл исчезновении фотона йы возбуждаю- ) Это утверждение уже упоминалось в связи с параметрической люминесценцией и параметрическим усилением (см. 8 238). 778 ЛАЗВРЫ, НЕЛИНИйНАЯ ОН7ГИКА щего света. Поток Ф, спонтанного комбинационного рассеяния, отнесенный к единице об"ьема и суммированный по всем направлениям, пропорционален освегценности Х' вещества, создаваемой возбуждающим излучением Ф, =СХ,.
(239.1) где С вЂ” коэффициент пропорциональности, характеризующий рассеиваннцую способность вещества и имеющий размерность см ', так з 2 как (Ф„1 = Вт,'см, Я = Вт/см . Согласно эксперимен1зльным данным для наиболее интенсивных линий комбинационного рассеяния С=10 е — 10 7см '. Стимулированный аналог спонтанного комбинационного рассеяния, называемый вынужденным комбинационным рассеянием (или, сокращенно, ВКР), также заключается в исчезновении фотона йы и испускании фотона Йы„но вероятность этого процесса пропорциональна плотности потока и возбуждающего (Х) и рассеянного (Х,) излучения. Благодаря э т о м у п р о ц е с с у, рассеянное излучение с частотой м, усиливается в рассеивающей среде по экспоненциальному закону, подобно усилению света в среде с инверсной заселенностью уровней в результате эйнштейновского вынужденного испускания (см.
~ 223). Как и в последнем случае, ВКР удобно характеризовать коэффициентом усиления а, рассеянного света на единице длины. Рассуждая по аналогии со случаем вынужденного испускания, коэффициент усиления можно выразить через спектральную плотность спонтанного комбинационного рассеяния света. Несложные вычисления приводят к следующему выражению (см.
упражнение 260): Я8 =— 3 Л,'СХ (239.2) 4~г ГЬы, ' где Л, и à — длина волны и спектральная ширина линии комбинационного рассеяния. В случае рассеяния излучения рубинового лазера в бензоле (Л = 694 нм, Л, = 750 нм, Г = 0,25. 10' с 1, С = 10 " см Х = 10в ВтХ'см ) оценка значения коэффициента усиления дает а, = = 20 см 1.
Это означает„что при указанных условиях комбинационное рассеяние на длине И = 1 см усиливается в ехр (ск,д) = ехр (20) = 108 ~ раз, т.е. может стать сравнимым по интенсивности с возбуждающим излучением. Таким образом, в результате вынужденного испускания фотонов Хы, интенсивность рассеянного излучения может возрасти на много порядков величины, что объясняет аномально большую интенсивность рассеянного света. Подчеркнем, что значения интенсивности возбуждающего излучения, необходимые для отчетливого проявления усиления, достижимы лишь с мощными квантовыми генераторами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
