ПАРАМЕТРИ́ЧЕСКОЕ РАССЕ́ЯНИЕ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
Книжная версия:
Электронная версия:
ПАРАМЕТРИ́ЧЕСКОЕ РАССЕ́ЯНИЕ света, неупругое рассеяние света в нелинейной среде, диэлектрич. проницаемость которой модулируется полем электромагнитной волны. П. р. объясняется спонтанным распадом фотонов падающего света на пáры фотонов с меньшими энергиями в результате взаимодействия электромагнитного поля с веществом. При этом состояние вещества не изменяется, поэтому для взаимодействующих фотонов выполняется закон сохранения энергии: ℏωн=ℏωс+ℏωх, где ωн – частота падающего света (накачки), ωс и ωх – частоты рассеянного света, ℏ – постоянная Планка. В спонтанном П. р., как и в вынужденных параметрич. процессах, падающая волна – накачка (частоты ωн), рассеянные волны – сигнальная (частоты ωс) и холостая (частоты ωх). Вынужденное П. р. лежит в основе действия параметрических генераторов света и параметрич. усилителей света.
Для эффективного П. р. необходимо выполнение условия фазового синхронизма: kн=kс+kх,гдe kн, kс, kх – волновые векторы накачки, сигнала и холостой волны в веществе. П. р. имеет следующие осн. свойства: 1) широкий непрерывный спектр рассеянного излучения, не зависящий от собств. частот атомов и молекул среды; 2) частота рассеянного света зависит от угла рассеяния; 3) рассеянный свет состоит из коррелированных попарно фотонов («бифотонов») и может быть «сжатым», т. е. иметь неодинаковые дисперсии квадратурных амплитуд. П. р. называют также параметрич. люминесценцией или параметрич. преобразованием частоты света вниз.
П. р. можно описать с помощью макроскопич. уравнений Максвелла и понятия нелинейной восприимчивости среды. Если в среде с квадратичной нелинейной восприимчивостью χ(2) распространяются 2 волны с частотами ωн и ωх, то возникает третья – сигнальная волна с разностной частотой ωс.
П. р. можно также трактовать как рассеяние падающего света накачки на квантовых флуктуациях холостого поля среды, напр. на поляритонах – квантах электромагнитного внутрикристаллич. поля. В среде с кубич. нелинейной восприимчивостью χ(3) наблюдается т. н. рассеяние света на свете – рассеяние с участием 2 фотонов накачки (гиперпараметрич. рассеяние).
В спонтанном режиме П. р. коэф. параметрич. преобразования холостых волн в сигнальные линейно зависит от интенсивности накачки.
В квантовой оптике и квантовой связи П. р. является эффективным источником излучения коррелированных пар фотонов. Формально это свойство спонтанного П. р. выражается в необычной статистике фотонов: корреляция чисел фотонов в модах, связанных условием синхронизма, совпадает со ср. числами фотонов в каждой моде (или объёме когерентности): 〈nсnх〉−〈nс〉〈nх〉=〈nс〉=〈nх〉≪1. При этом относительная корреляция 〈nсnх〉/〈nс〉〈nх〉≫1 (эффект группировки фотонов, или «сверхпуассоновской статистики»).
За счёт полной корреляции фотонов в разных модах частотно-углового спектра на основе П. р. создаются «перепутанные» двухкомпонентные оптич. системы высокой размерности. При этом степень перепутывания, связанная с размерностью пространства состояний сигнальной и/или холостой мод, определяется отношением ширин корреляционных функций интенсивности 1-го и 2-го порядков и может принимать значения вплоть до нескольких тысяч. На основе П. р. также приготавливаются элементы поляризационной логики (кутриты и кукварты) и уникальное поляризационное состояние «скалярный свет». Двухфотонный характер поля П. р. можно использовать в фотометрии для абсолютного (безэталонного) измерения эффективности η фотодетекторов (т. н. метод Клышко). Если известно, что фотоны попадают на счётчик фотонов только парами, то вероятность появления на выходе счётчика двойного импульса р2=η2, а вероятность одиночного импульса р1=2η(1−η). Отсюда η определяется относит. числом двойных импульсов: η=(1+p1/2p2)−1. Др. фотометрич. применение П. р. – абсолютное измерение яркости источников излучения. Пространственные особенности П. р. света используются в квантовой обработке изображений.
Эффект П. р. света применяется также в спектроскопии кристаллов для определения линейных и нелинейных параметров пьезокристаллов, их стехиометрич. состава, для обнаружения слабых колебаний кристаллич. решётки, исследования доменной структуры, фазовых переходов и др.
При большой интенсивности накачки коэф. параметрич. преобразования и спектральная яркость малоуглового П. р. зависят от интенсивности накачки экспоненциально (вынужденное П. р., или параметрич. сверхлюминесценция). Это явление используется для генерации мощных перестраиваемых по частоте пикосекундных импульсов света, а также в квантовой оптике и квантовой связи для создания «пучков-близнецов».