principy_nelinejnoj_optiki_1989 (769482), страница 61
Текст из файла (страница 61)
Справедливость уравнения (1718), определяющего зависимость г, от Р „, была экспериментально подтверждена в результате измерений пороговой мощности самофокусировки при различных 1 [18]. Рассмотрим теперь, что будет, когда пиковая мощность импульса на входе превышает порог самофокусировки.
В первых экспериментах было обнаружено, что после самофокусировки пучок разбивается на несколько интенсивных тонких нитей [8, 19]. Как уже упоминалось выше, это множество нитей было результатом многомодовой структуры входного пучка. Позднее было показано, что излучение одномодового лазера приводит к появлению единственной нити на оси пучка. Для данной среды эта нить имеет постоянный диаметр в пределах ~20% и протяженность в несколько сантиметров. Интенсивность света в такой нити может достигать десятков гигаватт на квадратный сантиметр.
Пользуясь картиной квазистационарной самофокусировки, можно прийти к выводу, что эта нить соответствует следу движущегося фокуса, оставляемому им на фотографии, полученной с большим временем экспозиции. То, что это действительно так, было доказано путем быстрой фотосъемки с помощью стрик-камеры [20]. Диаметр нити, следовательно, равен диаметру фокального пятна, а интенсивность в нити — интенсивности в фокусе.
Мы можем получить лучшее представление о картине движущихся фокусов, пользуясь графиком, представленным на рис. 17.6. Верхняя У-образная кривая дает положение фокуса в функции времени. Она получена с помощью формулы (17.18) с учетом формы входного импульса РЯ в предположении, что К и Р„, известны [10].
Практически К и Р, можно определить из измерения зависимости х,(Р ) от Р „[18]. Кривую на рис. 17.6, по крайней мере частично, можно получить и экспериментально, если регистрировать положение фокуса в разные моменты времени [21]. Было найдено, что измеренная кривая очень хорошо совпадает с кривой, рассчитанной согласно (17.18). Как видно из рисунка, У-образная кривая имеет следующие особенности: если протяженность среды 1 достаточно велика, то фокус сначала появляется в точке хз внутри среды.
Затем он разбивается на два: один движется назад, затем вперед, достигнув минимального фокусного расстояния хз(Р ), соответствующего пику входного импульса; другой фокус движется вперед со скоростью, большей скорости света. Наклон обеих ветвей кривой приближается к скорости света при г- . Заметим, что движение фокуса со скоростью, превышающей скорость света, не противоречит специальной теории относительности, поскольку точки фокуса в разные моменты времени образуются вследствие самофокусировки различных участков входного импульса, поэтому «движение» фокального пятна не связано с переносом энергии.
Тем не 301 менее в среде появляется сильная поляризация, наведенная движущимся фокусом, которая может иметь скорость, превышающую скорость света. Возникает ситуация, аналогичная той, прн которой наблюдается излучение Черенкова; детально, однако, эта аадача вще не изучена. Необычные черты У-образной кривой движущихся фокусов приводят к ряду интересных следствий (221 Во-первых, Рис. 17.6. На нижнем рисунке показан профиль входного импульса Р(1).
Его пиковая мощность 42.5 иВт, длительность на уронив 1/с равна 1 нс. На верхнем рисунке построена рассчитанная по формуле (17.18) кривая, описывающая положение фокуса зо времени. принято, что (0,852)трга 8 кВт, К = =11,8 см (кВт)пт, что приблиаитсльнс соответствует условиям распространения в Сбг пучка е дпамстрсы на входе 400 мкм. Штрихом проведены прямые с наклоном, соответствующим скорости света; они списывают распространение света вдоль оси а (22) Сх 2 Св З Сс г л с с,ас у фокус относительно большое время находится в точке г,(Р,), поэтому оптический пробой более вероятен в точке хг(Р ). И действительно, в прозрачных жидкостях инициированные лазерным излучением пузырьки наблюдаются именно в атой области.
Восвторых, когда г,(Р „) намного меньше (, световой импульс, дифрагирующий из нити на протяжении нескольких сантиметров в конце кюветы, имеет очень короткую длительность, меньшую 100 пе при наносекундном входном импульсе. В-третьих, высокая лазерная интенсивность (порядка тО ГВт/ем*) в фокальной области легко инициирует другие нелинейные оптические процессы. Одним нз ннх является сильная фазовая самомодуляция, приводящая к спектральному уширению света, дифрагировавшего из области нити, изза большого изменения показателя преломления Ьп, наведенного полем. Детально мы рассмотрим эту проблему в следующем разделе. Важными нелинейными оптическими процессами в самофокусирующихся пучках окааываются ВКР и ВРМБ. Вынужденное рассеяние, в свою очередь, сильно влияет на самофокусировку.
Их взаимное влияние, наиболее интригующее и интересное, обсуждается ниже. Резкий порог ВКР в керровеких жидкостях (в которых основной механизм возникновения Лн — переориентация молекул) был проблемой, которая привлекала большое внимание на заре нелинейной оптики (см. раздел х0.6). Теперь мы внаем, что причиной этого аффекта оказывается самофокуеировка. Очень высокая интенсивность лааерного излучения в фокусе легко возбуждает ВКР нли 302 ВРМБ.
Очевидно, что резкие пороги ВКР и ВРМБ должны примерно совпадать с порогом самофокусировкк. Раввитие же интенсивности ВКР или ВРМБ зависит от характеристик этих двух процессов рассеяния в той или иной среде [22, 23[. ВРМБ характеризуется большой величиной стационарного коэффициента усиления и большим временем установления (порядка 10 нс). В то же время процесс ВКР имеет намного меньшую величину стационарного коэффициента усиления, зато дает практически мгновенный отклик (порядка 5 пс) [23).
Когда интенсивность света возрастает за счет самофокусировки, ВРМБ возникает раньше или позже ВКР в зависимости от свойств конкретной среды. Когда интенсивность лазера значительно превьппает порог само- фокусировки, процессы вынужденной генерации излучения при ВКР или ВРМБ можно представить себе с помощью рис. 17.7 [221. Рис. т7.7. Взаимодействие между падающей волной и волной, возникающей вследствие вынужденного рассеяния назад. Компоненты ВКР и ВРМВ назад, возникающие ва верхней ветви У-обрааной кривой, распространяются вдоль штрихпунктирвых прямых и вааимодевствуют с еще ве сфокусироваашейся частью входного импульса в заштрихованной области етевие [баев У.
77. у' Ргой. Янапь Е1есггов.— 1975. У. 4. Р. й2) Движущийся вдоль У-образной кривой фокус вызывает появление ВКР и ВРМБ в направлении как вперед, так и назад. Излучение в направлении назад, связанное с рассеянием на нижней ветви У-образной кривой, встречается с падающим ивлучением в ваштрихованной области и эффективно при этом усиливается. Поскольку комбинационное рассеяние имеет мгновенный отклик, то оно возникает первым, и его сильный рост вскоре истощает падающее лазерное излучение до уровня, лежащего ниже порога самофокусировки.
Прекращение самофокусировки, в свою очередь, останавливает процесс ВКР. В результате сигнал ВКР назад имеет вид интенсивного субнаносекундного импульса [24], как это видно из рис. 17.8. После постепенного исчезновения сигнала комбинационного рассеяния мощность падающего излучения восстанавливается н вновь достигает порога самофокусировки.
Возникшее к этому моменту ВРМБ в направлении назад может иметь больший нестационарный коэффициент усиления, чем процесс ВКР. Оно нарастает по интенсивности, что вызывает истощение интенсивности падающего лазерного излучения. Вследствие саморегуляции процесс ВРМБ назад поддерживает интенсивность прошедшего лазерного иалучения на уровне, лежащем немного ниже порога самофокусировкн. Это объ- 303 АЫ ясняет результаты, приведенные на рис. 17.8, когда после резкого минимума, связанного с генерацией ВКР, в прошедшем импульсе лазера наблюдается плоская из-за истощения вершина; при этом сумма прошедшей интенсивности и интенсивности ВРМБ назад равна интенсивности падающего излучения. Истощение падающего излучения до уровня, лежащего ниже порога самофокусировкп, одновременно кладет конец движению фокусов и формированию нитей. Вследствие этого часть нижней ветви УР > образнои кривои, отвечающая более поздним моментам времени, никогда не наблюдается.
Процесс ВКР вперед также может возникнуть в области движущегося фокуса. Из рис. х7.7 видно, что его усиление происходит благодаря взаимодействию с дифрагирова иным после фокуса лазерным излучением и должно поэтому быть гораздо меньшим, чем в случае ВКР назад. Это подтверждается экспериментальными наблюдениями [25]. При дальнейшем увеличении мощности лазера или протяженности среды увеличивается длина фокальной области, а также длина взаимодействия падающего лазерного из- р гу С ес М Рве. 17.8. Осциллограммы входиого импульса (а), полного свгвале выиуждеввого рассеявии вазед (о), ямпульса ВКР вазед (в) и прошедшего импульса (в) [24). Р дано в МВг лучения и компоненты ВКР. В результате этого сигнал ВКР вперед постепенно возрастает, и в конце концов он может вызвать практически полное истощение мощности лазерного излучения в фокальной области.
При этом в фокальной области вместо лазерного будет наблюдаться дифрагированное излучение ВКР, а нить, обусловленная движением фокуса по верхней ветви У-образной кривой, окажется прерванной [22]. Картина движущегося фокуса может успешно объяснить и другие аномальные эффекты ВКР и ВРМБ в условиях самофокусировки. Более подробное изложение этого вопроса дано в [22]. Количественное решение задачи можно, в принципе, получить, решая связанные нелинейные волновые уравнения для полей лазера, комбинационной и мандельштам-брпллюзновской компонент.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
