§ 44. Нелинейная оптика

В световой волне, получаемой с помощью обычных (нелазерных) источников света, напряженность электрического поля Е пренебрежимо мала по сравнению с напряженностью внутреннего микроскопического поля, действующего на электроны в веществе.

По этой причине оптические свойства среды (в частности, показатель преломления) и характер подавляющего большинства оптических явлений не зависят от интенсивности света. В таком случае распространение световых волн описывается линейными дифференциальными уравнениями. Поэтому долазерную оптику можно назвать линейной. Отметим, что принцип суперпозиции световых волн (выражаемый в геометрической оптике законом независимости световых лучей) справедлив только в области линейной оптики. Правда, и до создания лазеров были известны нелинейные явления в оптике. К их числу относится, например, комбинационное рассеяние света. При комбинационном рассеянии наблюдается преобразование частоты монохроматической световой волны, что является признаком нелинейности процесса. Однако в подавляющем большинстве случаев оптические процессы были линейными.

После создания лазеров положение в оптике существенно изменилось. Квантовые генераторы позволяют получить световые волны с напряженностью поля почти такой же величины, как и напряженность микроскопического поля в атомах. При таких полях показатель преломления зависит от напряженности Е. В этом случае нарушается принцип суперпозиции, различные волны, распространяющиеся в среде, оказывают влияние друг на друга, и возникает ряд нелинейных оптических явлений. Опишем вкратце некоторые из них.

Нелинейное отражение света. При больших интенсивностях в отраженном свете появляется излучение на второй гармонике падающего излучения, т. е. кроме отраженного луча, имеющего частоту равную частоте падающего света, наблюдается отраженный луч частоты Этот луч не подчиняется обычному закону отражения, вследствие чего направление отраженного луча частоты не совпадает с направлением отраженного луча частоты (0.

Самофокусировка света. При обычных интенсивностях первоначально параллельный ограниченный пучок света претерпевает при своем распространении в вакууме или в какой-либо среде так называемое дифракционное расплывание, в результате чего возникает дифракционная расходимость пучка. Оказывается, что при распространении световых пучков в жидкостях и некоторых кристаллах с увеличением мощности пучка расходимость его уменьшается. При некоторой мощности, называемой критической, пучок распространяется, не испытывая расходимости. Наконец, при мощности, большей критической, пучок сжимается — происходит самофокусирование пучка в среде. Это явление обусловлено тем, что с ростом напряженности Е увеличивается показатель преломления.

Поэтому среда в области, занимаемой пучком, становится оптически более плотной, что приводит к изгибанию лучей к оси пучка, т. е. к сжатию пучка.

Оптические гармоники. При рассеянии лазерного пучка в жидкостях и кристаллах, кроме света с частотой падающего излучения со, наблюдается рассеянный свет с частотами, кратными первоначальной частоте (т. е. с частотами и т. д.). Эти компоненты рассеянного света называются оптическими гармониками. Интенсивность оптических гармоник может быть весьма значительной, в некоторых кристаллах излучение гармоник может составлять до 50 % мощности рассеянного излучения.

Многофотонные процессы. При обычных интенсивностях в элементарном акте взаимодействия света с веществом поглощается только один фотон, энергия которого совпадает с разностью энергетических уровней атома или молекулы. При больших интенсивностях в элементарном акте взаимодействия могут поглощаться два или более фотона. В этом случае может происходить поглощение света не только частоты но также и частот и т. д. Такое поглощение называется многофотонным (в частности, двухфотонным, трехфотонным и т. д.).

В одном элементарном акте взаимодействия света с веществом могут поглощаться два фотона неодинаковой частоты. Это происходит в случае, когда световое поле создается двумя независимыми монохроматическими источниками. Если сумма частот этих источников удовлетворяет условию: наблюдается заметное поглощение излучения обеих частот. Для этого не обязательно, чтобы оба излучения были большой мощности. Достаточно, чтобы была велика их суммарная интенсивность. Поэтому можно наблюдать многофотонное поглощение при наложении света от лазера и нелазерного источника со сплошным спектром.

К числу многофотонных процессов относится также многофотонный фотоэффект (многофотонная ионизация атомов). В то время как обычный (однофотонный) фотоэффект наблюдается при частотах, при которых энергия фотона больше энергии ионизации атома, многофотонный фотоэффект может происходить при частотах, в раз меньших ( — число фотонов, участвующих в элементарном акте взаимодействия). Удалось надежно зарегистрировать семифотонную ионизацию инертных газов.

Мы привели далеко не полный перечень уже обнаруженных нелинейных явлений. Однако он достаточен для того, чтобы составить представление о том, как бурно развивается новая область оптики — нелинейная оптика.