1.3.2. ВЫНУЖДЕННОЕ НЕУПРУГОЕ РАССЕЯНИЕ

Вышеупомянутые нелинейные эффекты, связанные с восприимчивостью третьего порядка можно назвать упругим рассеянием света в том смысле, что не происходит обмена энергией между электромагнитным полем и диэлектрической средой. Второй класс нелинейных эффектов вызван вынужденным неупругим рассеянием, при котором оптическое поле передает часть своей энергии нелинейной среде. В эту категорию попадают два важных нелинейных эффекта; оба они связаны с возникновением колебательных мод кварца. Это эффекты вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ); они были среди первых нелинейных эффектов, обнаруженных в оптических волокнах [18 -20]. Основное различие между этими эффектами состоит в том, что в ВКР принимают участие оптические фононы, тогда как в ВРМБ - акустические. В простой квантовомеханической модели, применимой и к ВКР, и к ВРМБ, фотон падающего поля (часто называемый накачкой) распадается на фотон меньшей (стоксовой) частоты и фонон, имеющий такие энергию и количество движения, которые соответствуют законам сохранения энергии и количества движения. Конечно, фотон с большей энергией (на так называемой антистоксовой частоте) может возникнуть, если может быть поглощен фонон с надлежащими энергией и количеством движения. Вместе с тем, хотя ВКР и ВРМБ по своей природе очень похожи, различие дисперсионных свойств акустических и оптических фононов приводит к некоторым принципиальным различиям между ними. Основное различие заключается в том, что ВРМБ в волоконных световодах происходят только в обратном направлении, а ВКР преимущественно по направлению распространения.

Полное описание ВКР и ВРМБ в волоконных световодах довольно сложное, но для начального роста стоксовой волны существует простое соотношение. Для ВКР оно дается уравнением

где - интенсивность стоксовой волны, -интенсивность накачки, - коэффициент ВКР-усиления. Такое же уравнение имеет место и для ВРМБ, если заменить на коэффициент ВРМБ-усиления

Величины в кварцевых световодах измерены экспериментально. Спектр ВКР-усиления очень широкий, Максимум усиления при длине волны накачки 1 мкм и находится на стоксовом частотном сдвиге около Наоборот, спектр ВРМБ-усиления очень узкий МГц. Максимум ВРМБ-усиления находится на стоксовом сдвиге и составляет величину около для узкой линии накачки [19]. Эта величина уменьшается в раз в случае, когда накачка имеет широкий спектр; здесь -ширина линии накачки и ширина линии ВРМБ-усиления.

Важная особенность ВКР и ВРМБ в том, что эти эффекты пороговые, т. е. существенное преобразование энергии накачки в энергию стоксовой волны происходит, только когда интенсивность накачки превышает некоторый пороговый уровень. Для ВКР в одномодовом световоде с пороговая интенсивность накачки равна [20]

Обычно и ВКР может наблюдаться при мощности накачки Вт. Подобные вычисления для ВРМБ показывают, что пороговая интенсивность накачки равна

Коэффициент ВРМБ-усиления более чем на 2 порядка величины больше поэтому обычная величина порога мВт. Нелинейные явления ВКР и ВРМБ и их применение к оптической волоконной связи рассматриваются в книге в гл. 8 и 9 соответственно.