Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Результат интерференции зависит от фазовых соотношений между этими волнами и от геометрических условий эксперимента. Для стоксова излучения условия фазового синхронизма выполняются в любом направлении. Для аитистоксова рассеяния в среде с нормальной дисперсией условия пространственного синхронизма выполняются в направлениях, образующих небольшой угол с возбуждающим пучком, поэтому излучение с частотой го + го, распрос~раняется вдоль конической йоверхности (рис.
12.5), ось которой совпадает с возбуждающим лазерным пучком. !2.5. ВЫНУЖДЕННОЕ РАССЕЯНИЕ МАНДЕЛЪЛТАМА — ВРНЛЛ!ОВНА Если при вынужденном эффекте комбинационного рассеянии основную роль игр.ю свойства молекул, то для вынужденного рассеяния Мандельштама — Бриллюэна (ВРМБ) — свойства всей среды. В конденсированных средах сугцествует тепловое движение, проявляющееся в колебаниях атомов н молекул, Иэ-за сильной связи атомов друг с другом колебание одного из них неизбежно передается соседним атомам. В яелом тепловое движение в твердых телах можно рассматривать как совокупность всевозможных волн, соответствующих различным нормальным колебаниям.
Их спектр простирается от низших звуковых частот до гнперзвуковых (10' — 10" Гц). Фактически эффект рассеяния Мандельппама— Бриллюэна — это рассеяние иа акустических волнах. Распространение упругих волн вызывает модуляцию оптических свойств среды, так как изменение плотности обусловливает соответствующие вариации показателя преломления, Вариации показателя преломления приводят к частичному отражению падающего пучка в направлении л,.
Таким образом, образуется своеобразная дифракцнонная решетка с шагом, равным длине акустической волны (рис. 12.6), Акустическая волна движется, и зто приводит к тому, что отраженный луч испытывает доплеровский сдвиг. Сдвиг частоты рассеянного света определяется по формуле Доплера мн — Й>т — — 2ааере спп Щ, Рвс.
Ш.6, Рвссеввие сеете нв уоау- сов иовие 1о) и еееои сохраиевии имвувьсв (61 ~де ев — скорость распростра нения упругой волны, Максимальная интенсивность рассеянного света наблюдается в направлениях, определяемых условием Брэгга †Вуль. Условие отражения можно предста. вить в следующем виде: 2Х, з!па=по, п=1,2, Э, где Х вЂ” длина световой волны в кристалле; сс — угол рассеяния. Поскольку плотность среды в каждой точке изменяется с часто тай м„интенсивность излучения будет промодулирована во времени с зтай частотой.
Это приведет к тому, что в рассеянном свете появятся дискретные компоненты с частотами со„~- со,. Как известно, изменение частоты накачки зависит от частоты акустической волны, поэтому рассеякные компоненты легче раз. личать прн высоких частотах (гиперзвук около 10св Гц). С квантовой точки зрения процесс рассеяния Мандельштама— Бриллюэна может быть рассмотрен как процесс уничтожения фотона с частотой м, с одновременным рождением фотона с частотой в, н фотона с частотой се,. Поэтому равенство са„— м, = = со, означает закон сохранейяя энергии.
11о закону сохранения импульса йв = Кс+К„ где к, — волновой вектор акустической волны. Так как ге «с, то к, = 1с и последнее соотношение дает равнобедренный треугольник Грис. 12.б, б). Вероятность испускания фонона и появления нового рассеян-' ного фотона не зависит от наличия таких фотонов, т. е„от интенсивности рассеянного света, и с этой точки зрения такое рассеяние следует считать спонтанным процессом. Существует и процесс вынужденного рассеяния фотона с испусканием фонона. Вероятность этого процесса пропорциональна интенсивности рассеянного излучения.
Явление ВРМБ обнаружили экспериментально в 1964 г. Эффект наблюдается лишь тогда, когда мощность лазерного излучения превышает некоторое пороговое значение. При больших напряженностях электрического паля световой волны становится существенным не только влияние создаваемых упругой валкой оптических неоднородностей на распространение света, но и влияние света иа оптические параметры среды.
Такое влияние, в частности, обусловлено явлением электрострикции: в электрическом поле в диэлектрике возникает дополнительное давление, пропорциональное квадрату напряженности электряческого поля. Электрастрикциоиное давление в диэлектрике приводит к его сжатию, т. е. увеличению плот.
296 ности. Изменение плотности вызывает изменение диэлектрической проницаемости и показателя преломления. Б элементарном акте рассеяния Мандельштама — Брнллюэна максимальная мощность, которая может быть передана акустическому полю, равна отношению топ зпоа а с зтпп гаа с Ширина спектральных линий рассеянного света определяется затуханием упругой волны. При увеличении вязкости среды ширина линий увеличивается. Если мощность светового пучка равна 1 МВт, то максимальная мощность, передаваемая акустической волне, не превышает 1 КВт.
!2.6. ОАМОФОКУОИРОНКА И ОАМОКАНАЛИЗАЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ Самофокусировка и самоканализация представляют собой типичные примеры нелинейных оптических эффектов, в которых показатель преломления среды является функцией интенсивности излучения. Сущность этого явления заключается в том, что при распространения в среде мощного потока излучения в результате само- воздействия параметры среды изменяются таким образом, что она приобретает свойства положительной линзы. В результате этого происходят самофокусировка лазерного излучения и за областью схождения пучка возникает светящаяся нить (рис.
12.7). Эффект сужения светового пучка до состояния тонкой нити наблюдается в твердых телах и жидкостях, парах металлов и т. д. рассмотрим условия, при которых излучение может создать в нелинейной среде волиовод и распространяться по нему без дифракциопных потерь. Предположим, что интенсивность одинакова в пределах поперечного сечения пучка излучения, а иа границе распространения существует скачок показателя преломления.
Условие полного внутреннего отражения от границы скачка показателя преломления выполняется для угла гр, (рис. 12.7) при условии соз тр„= п ~п. Предположим, что показатель преломления и изменяется по закону л = по+ лзЕО, (12.4) где и, — показатель преломления среды в отсутствие поля; п,— козффициент, характеризующий нелинейность среды; Е, — амплитуда электрического поля световои волны.
С учетом (!2.4) получим Рнс. Иьт. Распространенне светового пучка а пеааиеяноя срака 297 Благодаря дифракции, которая всегда имеет место прн распространении ограниченного пучка, световой пучок диаметром 2а будет иметь расходимость фп - 1,22 2 ж Х>/(л>2а), ~> а где Х, — длина световой волны в вакууме, Если Ч~„«р„, то пучок излучения при распространения в среде будет расходиться, но несколько медленней, чем в линейной среде. При ~« > <рр вклад нелинейности срЕды настолько велик, что полностью компенсирует дифракционную расходимость; световые лучи отклоняются к оси пучка; происходит самофокусировка.
Условие д, = ~ро является критическим. Оно позволяет найти пороговое значение ноля волны и пороговую мощность, Используя (12.5), находим 'Ро «>п1 «>п1 «>+ «>до "о Здесь использовано разложение соз ~р, в ряд (для малых ч,) и условие относительной малости нелинейной «добавки> к показателю преломления (л>Е, "2: л,). Окончательно имеем Д ).'71 „ (2а)'). Для перехода к пороговой мощности учтем, что Ф' ив ж еЕ'и (2а) ж л,Е"с (2а)' и получим Таким образом, если мощность излучения превышает пороговую (йг > йу„), пучок излучения фокусируется в среде и далее распространяется в виде тонкой световой нити диаметром Л с( 2а, Введем дифракционпую длину в следующем виде: «>«> а Из рис.
12,7 следует, что условие ~р, = «ро (т. е. 1„«ж а/Ч>о) эквивалентно выражению «а > 2 >' «>Е> Величину 1„, можно рассматривать как длину, иа которой излучение самофокусируется. В эквивалентной схеме процесса естественную дифракцию можно представить в виде рассеивающей линзы с фокусным расстоянием („аэ. В качестве примера приведем параметры эффекта самофокусировки в жидком серо- углероде (СБ>); йу„ж 10 кВт; при мощности 90 кВт и диаметре 298 пучка 0,5 мм получали световую нить диаметром 30 мкм на длину ~нл ~ !0 см. Экспериментальные исследования явления самофокусировки говорят о сложности механизма самовоздействия.
Возникающая при самофокусировке световая нить имеет тонкую структуру, распадающуюся на сверхтоикие нити диаметром 2 — 5 мкм. Благодаря высокой световой мощности внутри светового канала возникают вынужденное комбинационное рассеяние и вынужденное рассеяние Мандельштама — бриллюэиа, Эффект самофокусировки излучения открывает принципиальную возможность осуществления значительной концентрации световой энергии. Р л а в а 13 ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В настоящее время, пожалуй, легче перечислить те области науки н техники, где еще не нашчи применение лазеры, Замечательные свойства излучения лазеров позволяют использовать их в промышленности и научных исследованиях, медицине и сельском хозяйстве, телевидении и связи, термоядерном синтезе н оптике и т.
д. В одних случаях — это высокая интенсивность лазерного луча, в других — высокая монохроматичиость и когереитпость, а также возможность получения коротких импульсов большой амплитуды. Большие динамический н спектральный диапазоны являются благоприятными факторами при практическом использовании лазеров. 1ЗЛ, ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРОВ В ПРИБОРАХ Известно, что свойства лазерного излучения позволяют значительно улучшить характеристики существующих и разрабатывать новые приборы, параметры которых не могут быть получены при использовании обычных источников света.
При выборе лазера в качестве источника излучения необходимо учитывать его энергетические, пространственные, частотно-временные и эксплуатационные параметры. В приборах измерения илн контроля параметров материалов, где необходимо сосредоточивать энергию излучения в небольшом телесном угле и узком спектральном интервале, преимущество использования лазеров в качестве источника излучения становится очевидным. Использование лазеров позволяет значительно повысить чувствительность прибора, поскольку вследствие высокой энергетической яркости лазерного излучения улучшаются энергетические соотношения в приемных устройствах. По этой же причине резко расширяется диапазон контроля оптических прозрачностей материалов, так как появляется возможность коптролировать материалы с большой оптической плотностью, что фактически невозможно выполнять при обычных источниках света.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
