Взаимодействие световых волн. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Взаимодействие световых волн - связано с энергообменом в нелинейной среде световых волн разных частот и разных направлений распространения и приводит к ряду нелинейнооптич. явлений, в частности К генерации гармоник (см. Нелинейная оптика ).В общем случае эти взаимодействия могут происходить с участием индуцированных светом возбуждений в среде (оптич. и акустич. фононов, магнонов и т. п.). Такие нелинейные взаимодействия принято наз. вынужденным рассеянием света. В узком смысле под взаимодействие световых волн понимают нелинейное взаимодействие эл--магн. волн оптич. диапазона.

В сильных лазерных полях поляризация среды P является нелинейной функцией напряжённости электрич. поля E световой волны и может быть представлена в виде

где

- линейная диэлектрич. восприимчивость среды,

- квадратичная и кубичная восприимчивости (для простоты не учитываем тензорный характер восприимчивости и её временную и пространственную дисперсию; см. Нелинейные восприимчивости ).Для сред с квадратичной нелинейностью

характерны трёхволновые (трёхчастотные, трёхфотонные) взаимодействие световых волн, с кубичной нелинейностью

-четырёхволновые (четырёхчастотные, четырёхфотонные) взаимодействия и т. д. T. о., нелинейная восприимчивость среды порядка п обусловливает (n+1)-волновые взаимодействия.

Трёхволновые взаимодействия. При распространении в среде с квадратичной нелинейностью плоских световых волн:

(k_n - волновое число, z - направление распространения) создаётся нелинейная поляризация вида:

P₀ - постоянная поляризация среды, возникающая под действием поля интенсивных световых волн и используемая при оптич. детектировании (см. Детектирование света). Поляризация (4а) на удвоенной частоте и поляризация (4б) на суммарной (разностной) частоте при определ. условиях могут приводить к переизлучению волны на соответствующих частотах. Так, для возбуждения поля на суммарной частоте

(рис. 1, а)необходимо, чтобы выполнялось условие волнового синхронизма вида

. В этом случае амплитуды световых волн, излучаемых разл. диполями в разных точках среды, складываются и в результате происходит пространственное накопление нелинейного эффекта по мере увеличения длины взаимодействия световых волн.

Рис. 1. Трёхволновые процессы генерации: суммарной частоты (а), второй гармоники (б), разностной частоты

и параметрического усиления частоты

(в).

Процесс генерации второй гармоники световой волны (рис. 1, б), связанный с поляризацией

, относится к случаю вырожденного трёхчастотного взаимодействия (частоты возбуждающих волн равны). Но по числу волн этот процесс может быть невырожден. С нелинейной поляризацией

связаны процесс генерации разностной частоты

(рис. 1, в) и процесс усиления волны частоты

. Если на входе нелинейной среды одна из световых волн, напр. частоты

, является более интенсивной, то процесс взаимодействия световых волн принято наз. параметрическим. При этом интенсивная волна (волна накачки) частоты

модулирует в пространстве и во времени диэлектрич. проницаемость среды, приводя к параметрич. нарастанию на частотах

, к-рое можно интерпретировать как результат работы, производимой нестационарной средой (подробнее см. Параметрический генератор света ). Параметрическое взаимодействие световых волн наз. вырожденным, если частота усиливаемой волны является субгармоникой по отношению к частоте накачки:

. Следует отметить различие в процессах возбуждения второй гармоники и субгармоники. Вторая гармоника может нарастать с нулевой амплитуды на входе нелинейной среды, для усиления же волны субгармоники обязательно необходимо ненулевое значение её амплитуды. Трёхчастотные взаимодействия световых волн можно трактовать как когерентные процессы распада или слияния фотонов соответствующих частот. Напр., процесс параметрической люминесценции наглядно трактуется как распад фотонов накачки частоты

, происходящий под воздействием тепловых фотонов среды частот

Четырёхволновые взаимодействия. Для нецентросимметричных нелинейных сред в разложении поляризации (1) квадратичный член отсутствует, поэтому в таких средах существенна кубичная восприимчивость и в них возможны лишь четырёхволновые взаимодействия световых волн. Участие во взаимодействии четырёх волн приводит к большому разнообразию нелинейных эффектов; нек-рые из них имеют много общих свойств с трёхволновыми взаимодействиями.

В общем случае между частотами

и волновыми векторами

световых волн, взаимодействующих в средах с кубичной нелинейностью, имеют место соотношения

Подстановка (2) в выражение для кубич. поляризации

показывает, что Р⁽³⁾ имеет компоненты на частотах

и т. д. Как уже отмечалось, каждая поляризация может приводить к переизлучению световой волны на соответствующей частоте. T. о., в среде с кубической восприимчивостью

возможна генерация световой волны третьей гармоники

. На частоте

исходной световой волны имеются две поляризации, одна из к-рых соответствует комбинации волновых векторов

, а другая-

. С первой поляризацией связано явление самовоздействия света ,а со второй - явление кроссвзаимодействия. Эти явления отсутствуют в квадратичных средах; в их основе лежит кубич. зависимость поляризации среды и, следовательно, показателя преломления среды от интенсивности распространяющихся световых волн. Наличие эффектов самовоздействия и кроссвзаимодействия является характерной особенностью всех четырёхволновых взаимодействий световых волн. Остальные указанные выше комбинации частот относятся к процессам четырёхфотонного смешения. Очень важным свойством обладает вырожденное четырёхволновое взаимодействие волн одинаковой частоты (рис. 2). В случае, когда волны E₁ и Е₂ с противоположными направлениями распространения являются интенсивными (накачками) и на среду падает слабая волна E₃, в нелинейной среде возбуждается волна E₄с амплитудой A₄, комплексно сопряжённой амплитуде слабой волны

. Эта схема четырёхволнового взаимодействия используется для обращения волнового фронта с усилением.

Трёх- и Четырёхволновые взаимодействия световых волн лежат в основе двух направлений современной лазерной оптики: нелинейной спектроскопии и прикладной нелинейной оптики, в к-рой нелинейнооптич. процессы используются для преобразования изображений и частот, обращения волнового фронта, для создания новых источников когерентного оптич. излучения и т. п.

Литература по взаимодействию световых волн

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.