24. Явление автоколлимации и самофокусировки света

Лазерный пучок может настолько изменить показатель преломления среды, в которой он распространяется, что образуется канал или световод, захватывающий этот пучок. Показатель преломления в канале больше, чем в окружающих областях, не затронутых действием излучения. В таких условиях свет может распространяться без дифракционных потерь. Иногда увеличение показателя преломления, вызванное электрическим полем светового пучка, приводит к постепенному уменьшению диаметра пучка, т. е. к его самофокусировке.

В оптике хорошо известен факт искривления световых лучей в сторону увеличения показателя преломления среды. Если интенсивность излучения уменьшается по мере удаления от оси пучка, что присуще почти каждому пучку, то в центре светового канала прирост показателя преломления максимален. Автоколлимация (т. е. распространение светового пучка без изменения его сечения, а значит, и без дифракционных потерь) и самофокусировка представляют собой типичные примеры нелинейных оптических эффектов, в которых показатель преломления среды является функцией интенсивности света.

На возможность самофокусировки электромагнитного излучения в плазме первым обратил внимание Аскарьян [1]. Он рассмотрел также случай взаимодействия мощного сфокусированного светового пучка с

Рис. 24.1. Д-р Г. А. Аскарьян из Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР. Первым обратил внимание на возможность самофокусировки электромагнитного излучения в плазме. Автор многих интересных работ в области квантовой электроники и нелинейной оптики.

веществом и пришел к выводу, что ионизующее и тепловое воздействия излучения могут привести к самофокусировке. В последующих работах обычно предполагалось, что наибольшие изменения показателя преломления среды обусловлены оптической ориентацией молекул (эффект Керра), электрострикцией, нелинейной электронной поляризацией, а также переориентацией и перераспределением молекул (см. гл. 23). По мере уменьшения длительности лазерных импульсов вплоть до оказалось, что во многих случаях оптический эффект Керра и электрострикция вообще невозможны. Несмотря на это, наблюдалась сильно выраженная автоколлимация или самофокусировка. В последние годы вновь возродилась идея Аскарьяна о важной роли плазмы как оптической среды с сильной нелинейностью. Действительно, лазерный пучок может создать в среде состояние ионизации, которое, будучи как бы предварительным состоянием, не проявляется макроскопически в виде светящейся области. Однако изменения показателя преломления в этой области могут быть очень велики (см. также гл. 29).

§ 1. НАБЛЮДЕНИЕ ЭФФЕКТА АВТОКОЛЛИМАЦИИ СВЕТА

Сужение светового пучка до состояния тонкой нити наблюдали: Херчер [2] — в стекле, Хохкорн и Мейер [3], Пилипецкий и Рустамов в жидкостях. Независимо от Аскарьяна этот эффект был предсказан в 1964 г.

Талановым [5], а также Чиао,

Гармайр и Таунсом [6]. Однако лишь в работе последних трех авторов (1966 г.) [7] были приведены результаты измерений параметров автоколлимированных пучков в жидкостях. Поскольку эта работа до настоящего времени считается одной из важнейших работ, посвященных автоколлимации света, мы остановимся на ней подробнее.

Авторы измерили порог эффекта автоколлимации в критическую длину жидкости и изменения ее показателя преломления. Предполагая, что доминирующую роль играет оптический эффект Керра, они выбрали жидкость, молекулы которой характеризуются сильной анизотропной поляризуемостью.

Рис. 24.2. Профессор Р. Чиао, в настоящее время работает в Калифорнийском университете в Беркли. Автор многих работ по автоколлимации, самофокусировке и вынужденному рассеянию Мандельштама — Бриллюэна. В 1960-х годах работал вместе с Гармайр и Таунсом в Кеймбридже (США).

Рис. 24.3. (см. скан) Д-р Э. Гармайр, в настоящее время работает в Калифорнийском технологическом институте. Автор многих работ в области авто коллимации и вынужденного комбинационного рассеяния. На переднем плане — молекулярный лазер на

Световой пучок от рубинового лазера был сужен с помощью диафрагмы до диаметра 0,5 мм. Мощность можно было менять в пределах от 10 до 100 кВт. Диаметр пучка в жидкости измеряли с помощью тонких покровных стекол для микроскопа, установленных под углом 45° к направлению пучка (рис. 24.4). Эти стеклянные пластинки не влияют на распространение светового пучка в жидкости. После прохождения пучком определенного пути в жидкости (так называемого порогового или критического пути) образовывался стационарный световодный канал диаметром 100 мкм. В отсутствие самофокусировки и автоколлимации диаметр пучка возрос бы на выходе из кюветы примерно в два раза в результате естественной дифракции. По светящемуся автоколлимационному каналу распространяется излучение, деполяризованное на 10%; деполяризация является результатом волноводного действия канала. Наблюдалось также стоксово комбинационное рассеяние в виде нескольких нитей диаметром около 10 мкм, находящихся в более широком пучке с диаметром 100 мкм. Измеренный порог появления автоколлимации был равен 25 кВт. Критический путь в жидкости, после прохождения которого пучок создавал себе собственный световод, составлял 12 см. Ранее Келли [8] рассчитал этот путь для светового пучка с

Рис. 24,4. Схема известного эксперимента Чиао, Гармайр и Таунса [7] (вверху) и эволюция диаметра светового пучка в кювете с Снимки, расположенные слева, получены без дополнительной кюветы, которая изображена в верхней части рисунка пунктиром. Снимки справа получены с дополнительной кюветой, длина которой составляла 25 см. а — Контрольный пучок газового лазера; — снимки с постепенным увеличением мощности лазера, — снимок с диафрагмой диаметром мм.

гауссовым профилем и получил следующее выражение:

где — путь самофокусировки, — амплитуда электрического поля световой волны. Предполагается, что показатель преломления изменяется по следующему закону:

где — показатель преломления среды в отсутствие поля, а — коэффициент, характеризующий нелинейность среды. Среду, показатель преломления которой зависит от интенсивности света, будем называть нелинейной. Напомним, что изменения показателя преломления среды, обусловленные оптической ориентацией молекул, а также электрострикцией, пропорциональны (см. гл. 23). Рассчитанный Келли критический путь равен 11 см, что хорошо согласуется с экспериментальными данными [7]. На рис. 24.4 в правой части строки отчетливо видно сужение светового пучка. Автоколлимация произошла в первой кювете, длина которой превышала критическую.

Поскольку в световодном канале показатель преломления свет распространяется в нем медленнее и на выходе из кюветы должна возникнуть разность фаз между сколлимированным потоком и остальной частью исходного пучка. Действительно, Чиао, Гармайр и Таунс обнаружили и измерили эту разность фаз для случая кюветы

Рис. 24.5. Расходимость лазерного светового пучка в кювете с жидкостью: а — на входе в кювету произошел пробой, далее в жидкости пучок характеризуется нормальной расходимостью; б - след узкого канала, возникшего в процессе автоколлимации (отдел квантовой электроники Института физики Университета им. Адама Мицкевича).

длиной 10 см. Затем было рассчитано Таким образом, изменения показателя преломления среды относительно велики.

Примеры нормальной расходимости (а) и автоколлимации (б) светового пучка в жидкости приведены на рис. 24.5. Световой пучок рубинового лазера фокусировался на кювету с жидкостью. При слишком высокой плотности мощности лазера наблюдался пробой в стеклянной стенке кюветы.

Вскоре после экспериментов Чиао и др. Брюер и Лифшиц [9] обнаружили очень тонкие световые нити (smallscale filaments) диаметром в несколько микрометров. Плотность мощности в них достигала а время их жизни не превышало 0,5 не.

Чтобы яснее показать различие между «макроскопической» и «микроскопической» автоколлимацией, напомним еще раз, что световодные каналы характеризовались диаметрами около 100 мкм

(несколько позднее наблюдали также каналы с диаметром мкм), а критическая мощность, необходимая для их образования, составляла лишь 10—20 кВт. Образование в жидкости столь тонких световодных нитей еще раз подтверждает, что механизм изменений показателя преломления сложен, а оптический эффект Керра не играет здесь доминирующей роли. Образование в жидкости нити диаметром 4 мкм потребовало бы изменения показателя преломления на Благодаря высокой световой мощности, в нити возникают вынужденное комбинационное рассеяние и вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна.

Лаллеманд и Бломберген [10] исследовали порог появления вынужденного комбинационного рассеяния в жидкости и показали, что во многих случаях он связан с началом процессов самофокусировки в этой жидкости.

Микронные световые нити были обнаружены Чиао и др. [11], Коробкиным и Серовым [12] и др. В 1968 г. Брюер и Ли [13] наблюдали эффект автоколлимации пикосекундных световых импульсов. Чрезвычайно существенно, что самофокусировка происходит даже в жидкостях с большой вязкостью и твердых телах, в которых поступательные и вращательные движения молекул практически «заморожены». Брюер и Ли полагают, что сильные нелинейные изменения показателя преломления обусловлены главным образом деформациями электронного облака, т. е. электронной поляризацией.