ВЗАИМОДЕ́ЙСТВИЕ СВЕТОВЫ́Х ВОЛН
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ВЗАИМОДЕ́ЙСТВИЕ СВЕТОВЫ́Х ВОЛН в нелинейной среде, связано с энергообменом между световыми волнами разных частот и разных направлений распространения и приводит к ряду нелинейно-оптич. явлений, напр. к генерации гармоник (см. Нелинейная оптика). В общем случае В. с. в. может происходить с участием индуцированных светом возбуждений в среде (оптич. и акустич. фононов, магнонов и т. п.). Такие нелинейные взаимодействия называются вынужденным рассеянием света.
В сильных лазерных полях поляризация среды $P$ нелинейно зависит от напряжённости электрич. поля $E: P=χ^{(1)}E+χ^{(2)}E^2+χ^{(3)}E^3+ …, где χ^{(1)}$ – линейная диэлектрическая восприимчивость среды, $χ^{(2)} и χ^{(3)}$ – квадратичная и кубичная восприимчивости (см. Нелинейные восприимчивости). Для сред с квадратичной нелинейностью характерны трёхволновые (трёхчастотные, трёхфотонные) В. с. в., для сред с кубичной нелинейностью – четырёхволновые (четырёхчастотные, четырёхфотонные) взаимодействия.
При распространении в среде с $χ^{(2)}≠ 0$ интенсивных плоских световых волн $E_1=A_1cos(ω_1t-𝑘_1z) и E_2=A_2cos(ω_2t-𝑘_2z)$, где $t$ – время, $ω_1, ω_2$ – частоты, $𝑘_1, 𝑘_2$ – волновые числа, $A_1, A_2$ – амплитуды волн, $z$ – направление распространения, создаются нелинейные поляризации на комбинационных частотах. Возникают поляризации на удвоенных частотах $2ω_1$ и $2ω_2$ и на суммарной $ω_3=ω_1+ω_2$ и разностной $Ω=ω_1-ω_2$ частотах, которые при определённых условиях приводят к переизлучению волны на соответствующей частоте. Так, для возникновения поля на суммарной частоте $ω_3$ (с волновым числом $𝑘_3$) необходимо, чтобы выполнялось условие фазового синхронизма: $Δ𝑘=𝑘=𝑘_3-𝑘_1-𝑘_2=0$. В этом случае амплитуды световых волн, излучаемых разл. диполями в разных точках среды, складываются в одинаковой фазе и происходит накопление нелинейного эффекта по мере увеличения размеров области В. с. в. Кроме того, возникает постоянная поляризация среды $P_0=0,5χ^{(2)}(A_1^2 + A_2^2)$, используемая при оптич. детектировании (см. Детектирование света).
Синхронное В. с. в. $(Δ𝑘=0)$ в нелинейно-оптич. кристаллах реализуется обычно для волн с разными поляризациями. При наличии пространственной модуляции нелинейной восприимчивости с периодом $Λ$ (в кристаллах с регулярной доменной структурой, в фотонных кристаллах) возможны т. н. квазисинхронные взаимодействия, при которых $Δ𝑘=(2π/Λ)m$, где $m$ – порядок квазисинхронизма.
С поляризацией на разностной частоте $Ω=ω_1-ω_2$ связаны процессы генерации разностной частоты и усиления волны частоты ω2. Если на входе нелинейной среды одна из световых волн, напр. частоты $ω_1$, является более интенсивной, то она модулирует в пространстве и во времени диэлектрич. проницаемость среды, что приводит к параметрич. нарастанию волн на частотах $ω_2$ и $Ω$ (см. Параметрический генератор света). В случае вырожденного параметрич. В. с. в. частота усиливаемой волны является субгармоникой по отношению к частоте накачки: $Ω=ω_2=ω_1/2$. Трёхчастотные В. с. в. можно трактовать как когерентные процессы распада или слияния фотонов соответствующих частот. В параметрич. невырожденном взаимодействии фотоны накачки частоты ω1 распадаются на фотоны с частотами $ω_2$ и $Ω$. При этом на генерируемых частотах формируется свет с неклассическими, сугубо квантовыми свойствами: поля в сжатом состоянии или фотонные перепутанные состояния. Источники такого света представляют интерес для прецизионных измерений, обработки и передачи информации, квантовых вычислений (см. Квантовая оптика).
Для четырёхволнового взаимодействия характерно большое разнообразие нелинейных эффектов; некоторые из них имеют много общих черт с трёхволновыми взаимодействиями. В общем случае между частотами $ω_n$ и волновыми векторами $𝑘_n$ световых волн, взаимодействующих в средах с кубичной нелинейностью, имеют место соотношения: $ω_4=ω_1±ω_2±ω_3,\: 𝑘_4=±𝑘_1±𝑘_2±𝑘_3$. При этом в случае падающих на нелинейную среду двух интенсивных волн с частотами $ω_1$ и $ω_2$ кубическая поляризация $P^{(3)}=χ^{(3)}E^3$ имеет компоненты на частотах $3ω_1,\: 2ω_1-ω_1,\: ω_1+ω_2-ω_2,\: 2ω_1+ω_2,\: ω_1+2ω_2$ и т. д. Т. о., в среде с кубичной восприимчивостью возможна генерация третьей гармоники световой волны $3ω_1$. На частоте ω1 исходной световой волны имеются две поляризации, одна из которых соответствует комбинации волновых векторов $𝑘_1+𝑘_1-𝑘_1$, а другая – $𝑘_1+𝑘_2-𝑘_2$. С первой поляризацией связано явление самовоздействия света, а со второй – кроссвзаимодействие, т. е. перекрёстное взаимодействие волн с векторами $𝑘_1$ и $𝑘_2$. Таких эффектов нет в квадратичных средах, они характерны только для четырёхволновых В. с. в. и основаны на зависимости показателя преломления среды от интенсивности распространяющихся световых волн. Др. указанные выше комбинации частот относятся к процессам четырёхфотонного смешения. Очень важным свойством обладает четырёхволновое взаимодействие волн с одинаковыми частотами. Если противоположно направленные волны $E_1$ и $Е_2$ являются интенсивными (накачками) и на нелинейную среду падает слабая волна $E_3$, то в среде возбуждается волна $E_4$ с амплитудой, комплексно-сопряжённой амплитуде слабой волны. При таком взаимодействии происходит перекачка энергии от волн $E_1$ и $E_2$ в волну $E_4$. Эта схема четырёхволнового взаимодействия используется для обращения волнового фронта с усилением. Трёх- и четырёхволновые В. с. в. составляют основу нелинейной спектроскопии, квантовой оптики, прикладной нелинейной оптики.