Рассмотрим различные процессы «превращения» одних фотонов в другие фотоны. Начнем с процесса, представленного на рисунке 2. Микрообъект поглощает фотон с энергией и переходит с уровня 1 на уровень 3. Затем он испускает фотон энергией и переходит с уровня 3 на уровень 2. Таким
образом, исходный (первичный) фотон с энергией «превращается» в конечный (вторичный) фотон с энергией . Роль «посредника» в этом «превращении» играет микрообъект. Впрочем, здесь микрообъект оказался не просто «посредником» — ведь его состояние тоже изменилось: он перешел в итоге с уровня 1 на уровень 2.
Более выпукло роль микрообъекта как «посредника» между фотонами (именно «посредника» и не более) проявляется в процессе, представленном на рисунке 3а. Микрообъект поглощает фотон с энергией и переходит с уровня 1 на уровень 2. Затем он испускает фотон с такой же энергией и возвращается на уровень 1. Итак, состояние микрообъекта в конечном счете не меняется; в то же время первичный фотон «превращается» во вторичный. Этот последний имеет такую же энергию, но, разумеется, может отличаться как направлением импульса, так и поляризацией.
Далее обратимся к процессу, показанному на рисунке 3б (пунктиром изображен виртуальный уровень). В отличие от двух предыдущих процессов мы имеем здесь не два однофотонных перехода, а один двухфотонный переход. Если в процессе, показанном на рисунке 3а, микрообъект в принципе можно обнаружить на уровне 2 (в промежутке между поглощением первичного и испусканием вторичного фотона), то теперь ситуация совершенно иная: принципиально нельзя обнаружить микрообъект на виртуальном уровне; не существует никакого «промежутка» времени между поглощением первичного и испусканием вторичного фотона. Более того, нельзя даже утверждать, что сначала поглощается первичный фотон, а затем испускается вторичный. Процесс поглощения и испускания является в данном случае единым, неделимым во времени процессом; при этом в принципе невозможно обнаружить какого-либо, даже временного изменения состояния микрообъекта.
Таким образом, в рассмотренном двухфотонном процессе микрообъект выступает как весьма своеобразный, можно сказать, весьма «тактичный» посредник, остающийся «в тени».
3.5. Процесс, описывающий генерацию второй гармоники.
Многофотонные процессы, в которых начальное и конечное состояния микрообъекта одинаковы, представляют для нелинейной оптики особый интерес. Выше мы рассмотрели двухфотонный процесс. Далее рассмотрим два трехфотонных процесса.
Первый из них представлен на рисунке 4 (пунктиры изображают виртуальные уровни). Микрообъект участвует в трехфотонном переходе: происходит поглощение двух фотонов с энергиями и испускание одного фотона с энергией 2; состояние микрообъекта не меняется. Поскольку в подобных процессах микрообъект как «посредник» «остается в тени», можно рассматривать как бы непосредственное «превращение» двух фотонов в один (два фотона, сталкиваясь друг с другом, превращаются в новый фотон). При этом выполняются законы сохранения энергии и импульса для фотонов:
(3.1)
(3.1/)
(здесь и — импульсы поглощенных фотонов, а -импульс испущенного фотона).
Рассмотренный процесс называют в нелинейной оптике генерацией второй гармоники. Он описывает «превращение» света с частотой в свет с частотой 2. Более подробно явление генерации второй гармоники будет рассмотрено ниже.
На рисунке 5 представлен трехфотонный процесс при котором поглощается один фотон с энергией и испускаются два фотона — с энергиями и ;состояние микрообъекта не меняется. Этот процесс можно рассматривать в известном смысле как «распад» одного (первичного) фотона на два новых (вторичных) фотона. При этом для фотонов, участвующих в процессе, выполняются законы сохранения энергии и импульса:
(3.2)
(3.2/)
Рассмотренный процесс называют параметрической генерацией света. Он описывает «превращение» световой волны с частотой в две новые световые волны — с частотами и . В принципе любую из этих частот (например частоту ) можно, по желанию, плавно варьировать в пределах от нуля до .
Может возникнуть сомнение, действительно ли процессы, изображенные на рисунках 4 и 5, требуют участия микрообъекта в качестве «посредника». Не взаимодействуют ли в этих процессах фотоны друг с другом непосредственно, без какого-либо «посредника»?
В самом деле, почему бы не считать, что в некоторых процессах фотоны способны взаимодействовать друг с другом непосредственно? (Ведь взаимодействуют же многие другие частицы!) В таком случае можно было бы обойтись без понятия виртуальных уровней. Так, в примере, изображенном на рисунке 5, можно было бы считать, что фотон с энергией сам по себе (без участия микрообъекта) распадается на фотоны с энергиями и , a микрообъект попросту остается на некотором энергетическом уровне, не совершая никаких виртуальных переходов.
Однако с подобными соображениями нельзя согласиться. Как показывает опыт, процессы, изображенные на рисунках 4 и 5 (как и другие процессы), в отсутствие вещества не происходят! Как бы ни оставался микрообъект «в тени», его участие, его «посредничество» оказывается всегда решающим, поскольку оно определяет саму возможность того или иного многофотонного процесса.
IV. Преобразование одной световой волны в другую световую волну
4.1. Некогерентные и когерентные процессы преобразования света в свет
В предыдущем вопросе на примере (элементарных актов взаимодействия фотонов с микрообъектом были рассмотрены различные процессы преобразования света в свет. В одних процессах переходы с поглощением первичных фотонов и переходы с испусканием вторичных фотонов четко разграничены во времени: они сопровождаются изменениями в состоянии микрообъекта (даже если начальное и конечное состояния микрообъекта оказываются одинаковыми). В других процессах переходы с поглощением первичных фотонов и переходы с испусканием вторичных фотонов не разграничиваются во времени и никаких изменений в состоянии микрообъекта обнаружить невозможно; в этих процессах выполняются законы сохранения энергии и импульса для фотонов, как если бы фотоны непосредственно взаимодействовали друг с другом.
Процессы первого типа принято называть некогерентными процессами преобразования света в свет, а процессы второго типа — когерентными процессами. Остановимся подробнее па специфике тех и других процессов.
Некогерентные процессы. В некогерентных процессах первичная световая волна (волна накачки), поглощаясь веществом, приводит к определенным изменениям заселенности уровней частиц вещества. Затем новые квантовые переходы в веществе приводят к высвечиванию вторичной световой волны. Очевидно, что при этом не может быть и речи о каком-либо взаимодействии волны накачки и вторичной световой волны. Ведь сначала волна накачки переводит вещество в возбужденное состояние, а затем уже (спустя какое-то время!) вещество, возвращаясь в исходное состояние, излучает вторичную световую волну.
Примером некогерентного процесса преобразования света в свет может служить процесс генерации лазерного излучения, происходящий при условии оптической накачки. Излучение от лампы-вспышки является волной накачки, а генерируемое в активной среде лазера когерентное излучение — вторичной световой волной. Другим примером может служить широко используемое в лампах дневного света явление фотолюминесценции.
Когерентные процессы. В отличие от некогерентных процессов в когерентных процессах нельзя разделить во времени акты взаимодействия с веществом волны накачки и вторичной волны — оба эти акта должны рассматриваться как единый процесс (напомню, что именно в этом и состоит специфика переходов, идущих через виртуальные уровни). Указанная специфика когерентных процессов проявляется в двух отношениях. Во-первых, невозможно обнаружить каких-либо изменений в состоянии вещества, взаимодействующего со световыми волнами. Во-вторых, можно в известном смысле говорить о непосредственном взаимодействии волны накачки и вторичной волны. Разумеется, взаимодействие волн осуществляется через «посредство» вещества и определяется его параметрами. Однако «участие» вещества, хотя и принципиально необходимо, имеет виртуальный характер, что позволяет говорить о как бы непосредственном взаимодействии световых волн.
Взаимодействие волн требует согласования волны накачки и вторичной волны по частоте, направлению распространения и поляризации. Для этого каждая из взаимодействующих волн, очевидно, должна характеризоваться определенной частотой, определенным направлением распространения и определенной поляризацией. Следовательно, в когерентных процессах должны участвовать световые волны с высокой степенью когерентности. Можно сказать, что все когерентные процессы — это процессы преобразования когерентного света в когерентный свет.
Важность когерентности света в когерентных процессах может быть понята также на основе фотонных представлений. Поскольку для протекания когерентного процесса необходимо выполнение законов сохранения энергии и импульса для фотонов, то, следовательно, и первичные, и вторичные фотоны должны находиться в определенных состояниях — состояниях с определенной энергией и определенным импульсом. Ясно, что, чем больше фотонов находится в требуемых состояниях и чем меньше разброс фотонов по всевозможным иным состояниям, тем эффективнее будет протекать рассматриваемый когерентный процесс. Уменьшение же разброса фотонов по состояниям как раз и означает повышение степени когерентности излучения
Требование согласования параметров волны накачки и вторичной волны выступает в виде так называемого условия волнового синхронизма. На «фотонном языке» это условие выражает закон сохранения импульса для фотонов, участвующих в данном процессе. Условие волнового синхронизма играет важную роль в когерентных процессах — оно является необходимым условием эффективной передачи световой энергии от волны накачки ко вторичной волне.
4.2. Условие волнового синхронизма на примере генерации второй гармоники.
Рассматривая генерацию второй оптической гармоники, будем полагать, что направления волны накачки и вторичной волны совпадают и что, следовательно, все фотонные импульсы направлены в одну и ту же сторону. В этом случае векторное равенство можно заменить скалярным:
(4.1)
где и — импульсы соответственно первичного и вторичного фотонов.
В случае среды в соотношение для импульса фотона надо ввести показатель преломления среды (зависящий от частоты):
(4.2)
Используя (4.2), а также (3.1), перепишем (4.1) в следующем виде:
или после сокращения одинаковых множителей:
(4.3)
Это и есть условие волнового синхронизма для процесса генерации второй гармоники. Согласно условию (2.3) для эффективной передачи световой энергии от волны накачки во вторичную волну (иначе говоря, во вторую гармонику) необходимо равенство показателей преломления для рассматриваемых световых волн.
В общем случае равенство (2.3), разумеется, не выполняется (из-за явления дисперсии света). Поэтому возникает важный в практическом отношении вопрос: каким образом можно обеспечить выполнение условия (2.3)? Удовлетворительный ответ на этот вопрос был найден не сразу. Ответ этот оказался весьма интересным — он основывался на использовании зависимости показателя преломления света от направления в кристалле.
Возьмем одноосный кристалл. На рисунке 6 представлены индикатрисы отрицательного одноосного кристалла, причем изображенные сплошными линиям соответствуют частоте , изображенные пунктиром частоте . В точках А и А1 происходит пересечение индикатрисы обыкновенной волны с частотой и индикатрисы необыкновенной волны с частотой .
Это означает, что если выбрать, например, направление АА (оно составляет некоторый угол с направлением главной оси кристалла), то для световых волн, распространяющихся в данном направлении, будет выполняться условие:
(4.4)
Это есть условие синхронизма для процесса генерации второй гармоники, в котором волна накачки является обыкновенной волной, а вторая гармоники — необыкновенной волной. Направление АА называют направлением синхронизма для рассматриваемого процесса.
Итак, что же надо сделать, чтобы осуществить процесс генерации второй оптической гармоники?
Для этого надо прежде всего взять одноосный кристалл с достаточно высоким значением нелинейной восприимчивости (Это может быть, например, отрицательный одноосный кристалл дигидрофосфата калия КН2Р04.) Кристалл должен быть вырезан в виде, например, прямоугольного параллелепипеда, ось которого совпадает с направлением синхронизма для данной частоты v волны накачки. Для получения волны накачки надо использовать лазер. При этом необходимо, чтобы волна накачки была плоскополяризованной и чтобы ее плоскость поляризации была перпендикулярна к плоскости главного сечения нелинейного кристалла (плоскости, проходящей через главную ось кристалла и ось параллелепипеда). Такая поляризация волны накачки необходима для того, чтобы эта волна сыграла роль обыкновенной волны (плоскость поляризации обыкновенной волны как раз перпендикулярна к плоскости главного сечения).
Если эти условия будут выполнены, то при распространении в нелинейном кристалле волны накачки с частотой возникает дополнительная световая волна — вторая оптическая гармоника. Направление распространения этой волны будет совпадать с направлением волны накачки (впрочем, возможно также и обратное направление), частота будет вдвое больше, а плоскость поляризации будет совпадать с плоскостью главного сечения, что характерно для необыкновенной волны. При использовании нелинейных кристаллов длиной в несколько сантиметров удается перевести во вторую гармонику более 10% световой энергии волны накачки.
4.3. Классическое объяснение явления генерации второй гармоники.
До сих пор мы рассматривали генерацию второй оптической гармоники, опираясь на фотонные представления, т. е. имея в виду трехфотонный процесс, изображенный на рисунке 4. Однако нетрудно дать этому явлению также и чисто классическое объяснение.
Пусть на квадратично-нелинейную среду падает когерентная волна накачки с частотой :
(4.5)
Если бы среда была линейной, то её поляризация изменялась бы во времени точно так же, как волна накачки, т. е. с частотой .
(4.6)
Но в нелинейной среде поляризация содержит, в частности, вторую гармонику - слагаемое — . Изменение поляризации с частотой может приводить, естественно, к переизлучению света на частоте , т.е. к появлению вторичной световой волны с частотой .
Волна поляризации (в частности, вторая гармоника поляризации) распространяется в среде со скоростью волны накачки, т. е. со скоростью . Чтобы передача энергии от волны поляризации к переизлученной световой волне происходила эффективно, необходимо, чтобы скорости обеих волн совпадали. Так как скорость световой волны с частотой равна , то для переизлучения света на частоте должно выполняться условие:
(4.7)
которое, как уже известно, является условием волнового синхронизма.
Таково классическое объяснение нелинейно-оптического явления генерации второй гармоники. Заметим, что при таком объяснении роль среды как «посредника» во взаимодействии первичной и вторичной световых волн выступает весьма наглядно, так как «передача взаимодействия» идёт по «цепочке»: волна накачки — волна поляризации — вторичная световая волна.
Нетрудно представить себе процесс генерации третьей оптической гармоники. На «фотонном языке» это есть определенный четырехфотонный процесс — уничтожаются три фотона энергиями и рождается один фотон с энергией . На языке классических волновых представлений это есть результат переизлучения света, непосредственно вытекающий из факта существования третьей гармоники нелинейной поляризации среды.
Возможны также процессы генерации оптических гармоник более высоких порядков — четвертой гармоники, пятой и т. д.
Нелинейная поляризация среды позволяет осуществлять смешение частот. Пусть поляризация нелинейной среды описывается выражением:
(4.8)
Предположим, что на среду падают две когерентные световые волны с разными частотами: . Если сумму этих волн
(4.9)
подставить в (4.8), то в выражении, которое получится для поляризации среды, будет присутствовать, в частности, слагаемое
(4.10)
Воспользовавшись соотношением:
,
преобразуем (4.8) к следующему виду:
(4.11)
Таким образом мы видим возможность переизлучения света на частотах и . Таким образом, нелинейная поляризация среды позволяет осуществлять сложение и вычитание частот световых волн. В рассматриваемом здесь случае взаимодействие волн с частотами и может приводить, как мы видим, к появлению вторичных световых волн на частотах и .
Выражение (4.8) является наиболее простым выражением для поляризации нелинейной среды — нелинейная поляризация описывается членом, квадратичным по напряженности. В более общем случае в выражении для поляризации могут присутствовать также и члены с и т. д. Учет таких членов приводит к тому, что при подстановке (4.9) в выражение для поляризации появляются слагаемые с частотами: где n и m — целые числа. Это означает, что, кроме сложения и вычитания, возможны и другие варианты смешения частот.
Заключение
Итак, причиной любого нелинейно-оптического явления служит, в конечном счете, какое-то изменение среды, наблюдаемое при прохождении через среду достаточно мощного оптического излучения. Это изменение свойств среды следует рассматривать как определенный отклик среды на световую волну.
Природа «отклика» может быть разной. Обычно различают два типа «откликов»: поляризационный «отклик» и «отклик заселенности уровней».
Поляризационный «отклик» связан с появлением нелинейной поляризации среды под воздействием исходной световой волны. При этом внутри среды происходят процессы переориентации электрических дипольных моментов, возникают также наведенные дипольные моменты. «Инерциальнность» поляризационного отклика характеризуется малым промежутком времени – до 10-13с.
«Отклик заселенности уровней» имеет совсем иную природу. Он связан с изменением заселенностей энергетических уровней частиц среды, происходящим под воздействием световой волны, распространяющейся в среде. «Инерционность» отклика характеризуется временем, превышающим 10-8с.
Каждый из двух типов «окликов» обуславливает свою группу нелинейно-оптических явлений. Изучение природы этих двух типов «откликов» и было задачей этой курсовой работы.
Литература
1. Тарасов Л. В. Оптика, рожденная лазером. М.: ”Просвещение”, 1977
2. Лансберг Г. С. Оптика. М.: ”Просвещение”, 1977
3. Беспалов В. И., Пасманик Г. А. Нелинейная оптика. М.: “Наука”, 1980
4. Фриш С. Э. Современная оптика. М.:”Знание”, 1968
5. Вавилов С. И. Микроструктура света. М.: “Наука”,1950
6. Квантовая электроника. М.: “Советская энциклопедия”, 1969
7. Физический энциклопедический словарь Том 1. М.: “Советская энциклопедия”,1990
