ОБРАЩЕ́НИЕ ВОЛНОВО́ГО ФРО́НТА

Рис. 1. Амплитудно-фазовое распределение исходной и обращённой волн: тонкая линия – волновой фронт исходной волны, толстая – фронт обращённой волны; длины стрелок пропорциональны локальным амплитудам ...

ОБРАЩЕ́НИЕ ВОЛНОВО́ГО ФРО́НТА (ОВФ), пре­об­ра­зо­ва­ние ис­ход­ной вол­ны в вол­ну с об­ра­щён­ным по от­но­ше­нию к ней фрон­том, т. е. в вол­ну, у ко­то­рой про­стран­ст­вен­ные рас­пре­де­ле­ния фа­зы и ам­пли­ту­ды та­кие же, как у ис­ход­ной, а ло­каль­ные на­прав­ле­ния рас­про­стра­не­ния про­ти­во­по­лож­ны (рис. 1). Яв­ле­ние ОВФ све­та об­на­ру­же­но в 1971 при вы­ну­ж­ден­ном Ман­дель­шта­ма – Брил­лю­эна рас­сея­нии про­стран­ст­вен­но не­од­но­род­ной све­то­вой вол­ны. В не­ли­ней­ной сре­де под дей­ст­ви­ем све­та с не­од­но­род­ной ин­тен­сив­но­стью воз­ни­ка­ет не­од­но­род­ное рас­пре­де­ле­ние ко­эф. уси­ле­ния рас­се­ян­ных све­то­вых волн. В спон­тан­но рас­се­ян­ном све­те при­сут­ст­ву­ют вол­ны все­воз­мож­ных кон­фи­гу­ра­ций. Вол­на с об­ра­щён­ным фрон­том об­ла­да­ет пре­иму­ще­ст­вен­ным уси­ле­ни­ем по срав­не­нию с ос­таль­ны­ми, т. к. толь­ко у неё мак­си­му­мы ин­тен­сив­но­сти в сре­де сов­па­да­ют с мак­си­му­ма­ми ин­тен­сив­но­сти воз­бу­ж­даю­ще­го све­та. Это в со­че­та­нии с ог­ром­ным об­щим уси­ле­ни­ем, ха­рак­тер­ным для вы­нуж­ден­но­го рас­сея­ния све­та (по­ряд­ка 10¹¹), при­во­дит к то­му, что об­ра­щён­ная вол­на рез­ко вы­де­ля­ет­ся на фо­не ос­таль­ных и в ней кон­цен­три­ру­ет­ся прак­ти­че­ски вся энер­гия рас­се­ян­но­го из­лу­че­ния.

ОВФ мож­но по­лу­чить и при па­ра­метрич. уси­ле­нии све­та, ме­то­да­ми го­логра­фии и др. Для об­ра­ще­ния не­ста­цио­нар­ных волн ис­поль­зу­ют ди­на­мич. го­ло­грам­мы, в ко­то­рых за­пись и вос­про­из­ве­де­ние осу­ще­ст­в­ля­ют­ся од­но­вре­мен­но. ОВФ осу­ще­ст­в­ля­ют не толь­ко у элек­тро­маг­нит­ных волн, но и у аку­сти­че­ских.

Вол­на с об­ра­щён­ным фрон­том, рас­про­стра­ня­ясь сквозь про­зрач­ную сре­ду, идёт в об­рат­ном на­прав­ле­нии в точ­но­сти по пу­ти ис­ход­ной вол­ны, ка­ким бы слож­ным он ни был. Это свой­ст­во об­ра­щён­ной вол­ны соз­да­ёт уни­каль­ные воз­мож­но­сти для ре­ше­ния прак­ти­че­ски важ­ных за­дач: ком­пен­са­ции абер­ра­ций оп­тич. сис­тем и возд. трасс, по­строе­ния круп­но­га­ба­рит­ных мно­го­ком­по­нент­ных ас­тро­но­мич. сис­тем, соз­да­ния мощ­ных ла­зер­ных уст­ройств с пре­дель­но вы­со­кой на­прав­лен­но­стью из­лу­че­ния, пе­ре­да­чи све­то­вой энер­гии на боль­шие рас­стоя­ния, са­мо­на­ве­де­ния из­лу­че­ния на ми­шень, оп­тич. об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции (ко­ди­ро­ва­ние, де­ко­ди­ро­ва­ние, по­вы­ше­ние кон­тра­ста сиг­на­ла) и др.

Рис. 2. Фотографии поперечных сечений световых пучков: а – исходный; б – однократно усиленный и искажённый; в – обращённый и восстановленный после прохождения того же пути в обратном...

На­прав­лен­ность из­лу­че­ния, ге­не­ри­руе­мо­го мощ­ны­ми ла­зер­ны­ми сис­те­ма­ми, в осн. ог­ра­ни­чи­ва­ет­ся ис­ка­же­ния­ми в оп­тич. эле­мен­тах: абер­ра­ция­ми линз, не­од­но­род­но­стя­ми оп­тич. ма­те­риа­лов, воз­ду­ха и др., не­од­но­род­но­стя­ми в уси­ли­ваю­щей сре­де ла­зе­ров. Ве­ли­чи­на не­од­но­род­но­стей, как пра­ви­ло, воз­рас­та­ет по ме­ре уве­ли­че­ния мощ­но­сти ла­зе­ров. Ис­поль­зо­ва­ние ОВФ по­зво­ля­ет по­лу­чать в сис­те­мах с оп­ти­че­ски не­од­но­род­ны­ми эле­мен­та­ми пуч­ки све­та с поч­ти пло­ским вол­но­вым фрон­том, т. е. с на­прав­лен­но­стью, ог­ра­ни­чен­ной лишь ди­фрак­ци­ей. Для это­го сла­бую све­то­вую вол­ну с пло­ским вол­но­вым фрон­том (рис. 2,а) про­пус­ка­ют че­рез ла­зер­ный уси­ли­тель. По ме­ре рас­про­стра­не­ния ис­ход­ной вол­ны в уси­ли­те­ле её ам­пли­ту­да рас­тёт, но од­но­вре­мен­но на­ка­п­ли­ва­ют­ся ис­ка­же­ния вол­но­во­го фрон­та и со­от­вет­ст­вен­но ухуд­ша­ет­ся на­прав­лен­ность из­лу­че­ния (рис. 2,б). Уси­лен­ную вол­ну под­вер­гают об­ра­ще­нию. Об­ра­щён­ная вол­на (рис. 2,в), рас­про­стра­ня­ясь сквозь тот же уси­ли­тель в об­рат­ном на­прав­ле­нии, так­же уси­ли­ва­ет­ся, а её вол­но­вой фронт по­сте­пен­но вы­прав­ля­ет­ся, всю­ду по­вто­ряя фор­му фрон­та ис­ход­ной вол­ны. В ре­зуль­та­те все абер­ра­ции ком­пен­си­ру­ют­ся, и на вы­хо­де сис­те­мы фронт два­ж­ды уси­лен­но­го пуч­ка ста­но­вит­ся прак­ти­че­ски пло­ским. 

Рис. 3. Схема лазерной системы для наведения излучения на мишень; стрелки указывают направление распространения волн, их длина пропорциональна амплитуде.

В не­ко­то­рых слу­ча­ях не­об­хо­ди­мо кон­цен­три­ро­вать ла­зер­ное из­лу­че­ние на пло­ща­ди с ма­лы­ми уг­ло­вы­ми раз­ме­ра­ми, напр. на ми­ше­ни, на­гре­вае­мой све­том для по­лу­че­ния вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы. При этом по­ло­же­ние ми­ше­ни в про­стран­ст­ве мо­жет ме­нять­ся не­кон­тро­ли­руе­мым об­ра­зом. Для осу­ще­ст­в­ле­ния на­ве­де­ния с ис­поль­зо­ва­ни­ем ОВФ ми­шень под­све­чи­ва­ют пуч­ком из­лу­че­ния вспо­мо­гат. ла­зе­ра (рис. 3). Часть рас­се­ян­но­го на ми­ше­ни из­лу­че­ния, прой­дя сквозь лин­зу, по­па­да­ет в ла­зер­-уси­ли­тель. Уси­лен­ная вол­на по­сту­па­ет в уст­рой­ст­во, осу­ще­ст­в­ляю­щее ОВФ (ин­вер­тор). Об­ра­щён­ная вол­на, рас­про­стра­ня­ясь в об­рат­ном на­прав­ле­нии, по­сле­до­ва­тель­но про­хо­дит уси­ли­тель и лин­зу и кон­цен­три­ру­ет­ся точ­но на ми­ше­ни. Сис­те­ма мо­жет быть мно­го­ка­наль­ной, то­гда на ми­ше­ни бу­дет кон­цен­три­ро­вать­ся из­лу­че­ние от мно­гих уси­ли­те­лей.