Среди множества новых технических и научных возможностей, открывшихся после разработки лазеров, ключевое место занимают направления исследований, которые возникли в самой оптике. Одним из важных этапов является изучение зависимости свойств оптических эффектов в разных средах от интенсивности световых лучей. Эти эксперименты привели к появлению интересной области физики – нелинейная оптика.
Нелинейная оптика — обширный раздел оптики, рассматривающий и описывающий совокупность оптических процессов, которые наблюдаются при взаимосвязи световых полей с веществом, оснащенным нелинейной реакцией вектора поляризации.
К нелинейной оптике в настоящее время относят целый ряд физических явлений:
- генерация второй гармоники – представляет собой поляризацию света с удвоенной частотой и уменьшенной вдвое волновой длиной;
- сложение всех световых частот — генерация света с частотой, которую возможно приравнять к сумме параметров двух других отраженных волн;
- генерация третьей гармоники — преломление света с утроенной частотой в виде комбинации двух предыдущих процессов;
- параметрическое усиление светового вектора — усиление входного пучка света при наличии более высокочастотной волны накачки, с одновременным формированием холостой волны;
- генерация разностной частоты – излучение света с частотой, равной разности величин двух других световых волн;
- параметрическая осцилляция — генерация и преломление холостой и сигнальной волны с применением усилителя в резонаторе;
- спонтанное рассеяние света — уменьшение световой частоты при ее прохождении через оптический нелинейный кристалл.
На практике для внедрения указанных процессов часто применяют выходной пучок лазерного поглощения, который устанавливает нелинейный оптический кристалл, ориентированный строго определённым образом. Такие элементы имеют все необходимые свойства, удовлетворяющие условию синхронизма благодаря своей симметрии, а также являются достаточно прозрачными и устойчивыми к лазерному излучению высокой интенсивности.
История развития нелинейной оптики
Начало современного периода в становлении нелинейной оптики непосредственно связано с разработкой лазеров, открывшие уникальную возможность изучения и применения нелинейных явлений практически во всех областях прикладной оптики и физики. С возникновением лазеров оптика получила необходимые источники когерентного поглощения большой мощности. С помощью импульсных лазеров можно получить точные коэффициенты интенсивности света. Вместе с тем четкие представления о том, что законы линейной оптики носят весьма приближенный характер и рентабельны только для слабых световых полей, существовали и до появления лазерных приборов. Около 50 лет назад исследователи провели эксперименты с целью обнаружения новых, нелинейных явлений.
В результате можно выделить такие основные годы в развитии нелинейной оптики:
- В 1923 году было обнаружено уменьшение поглощения светового луча урановым стеклом с увеличением интенсивности света. Такой эффект объясняется тем, в сильном электромагнитном поле большая часть атомов расположена в возбужденном состоянии и уже не способна поглощать свет.
- В 1961 году американские ученые открыли эффект удвоения частоты светового вектора в кристаллах – генерацию 2-й гармоники. В 1962 году наблюдалось внезапное утроение частоты преломления света. Уже через год было объяснено комбинационное и вынужденное рассеяние света, что послужило хорошим толчком к исследованию рассеяния других видов.
- В 1965 году была найдена самофокусировка световых лучей. При этом мощный пучок света, распространяясь в определенной среде, во многих случаях не создает дифракционную расходимость, а только самопроизвольно сжимается. В это же время создаются параметрические генераторы света, в которых оптические нелинейные эффекты широко применяются для генерирования когерентного излучения, частично перестраиваемого в постоянном диапазоне длин волн.
В 1967 году начались проведения многочисленных исследований нелинейных явлений, напрямую связанных с распространением в пространстве сверхкоротких лучей.
Причины нелинейных оптических эффектов
Нелинейный эффект молекулярного или атомного осциллятора на сильное световое поле – наиболее распространенная причина нелинейных оптических эффектов. Существуют и другие физические причины: например, внезапное изменение показателя светового преломления может быть вызвано нагревом среды мощным лазерным излучением. Во многих случаях значимым оказывается также явление электрострикции (сжатие пространства в световом поле).
Такие процессы изменяют плотность среды, что может привести к спонтанной генерации звуковой волны. С тепловыми эффектами непосредственно связана дефокусировка светового луча. Стоит отметить, что для атомов посредством методов квантовой механики возможно рассчитать нелинейные приближенные восприимчивости любого порядка. Их дисперсия обладает сложным видом, так как все резонансы появляются при частичном совпадении с определенной комбинаций активно движущихся элементов. В слабых лазерных полях тождество результатов эксперимента и теории оказывается хорошим.
Была развита и процветает феноменологическая гипотеза, позволившая ученым получить количественные результаты, во многих случаях идеально согласующиеся с экспериментом, и дать правильные направления на пути поиска новых нелинейно-оптических материалов. Это говорит о достаточно высокой физической информативности нелинейных свойств любого вещества.
Основные причины, которые вызывают возникновение нелинейных эффектов, связаны с большой интенсивности излучения многофотонных процессов, которые в элементарном акте поглощают несколько элементов, что и приводит к изменению исходных свойств вещества.
Роль интенсивности света в нелинейной оптике
В подавляющем числе оптических нелинейных эффектов амплитуда световой волны не влияет на общий характер данного явления. Таким образом, количественные и качественные результаты научных экспериментов, которые проводятся с лазерными источниками света, не зависят от интенсивности световых лучей. Такие оптические свойства среды, как коэффициент преломления, показатель поглощения и рассеяния, были представлены в физических справочниках без указания на то, при каких конкретно интенсивностях света они измерялись.
Разумеется, для исследователя, выполнявшего тот или иной опыт, интенсивность источника света крайне важна, так как она объясняет необходимые требования к чувствительности используемой специальной аппаратуры. Многочисленные исследования в области физической оптики, которые проводились с помощью мощных лазеров, в итоге показали, что если сформулировать общий закон, имеющий отношение к зависимости оптических процессов от интенсивности света, то эта теория должна быть диаметрально противоположной.
Опыты и эксперименты со световыми пучками, мощность которых достигает примерно 108—1010 Вт/см, продемонстрировали, что существует достаточно сильная количественная и качественная зависимость характера оптических нелинейных эффектов от интенсивности излучения света. При этом следует отметить, что речь идет о весьма «грубых» явлениях, которые способны радикально менять поведение световых пучков.
