Самодефокусировка света. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Самодефокусировка света - нелинейное расплывание высокоинтенсивного светового пучка, распространяющегося в нелинейной среде, показатель преломления к-рой уменьшается с ростом интенсивности поля:

Здесь А - комплексная амплитуда поля, n₀- линейная часть показателя преломления среды, n_нл - отри-цат. нелинейная добавка к показателю преломления, конкретный вид к-рой зависит от механизма нелинейности среды. Если нелинейная добавка к показателю преломления положительна

, то вместо дефокусировки развивается самофокусировка света.

При падении светового пучка, имеющего, напр., гауссово распределение амплитуды по поперечной координате r шириной а,

нелинейная среда с показателем преломления (1) становится оптически неоднородной. В такой среде лучи испытывают нелинейную рефракцию, отклоняясь в область больших значений показателя преломления, а именно, от оси пучка к периферии. Это и приводит к самодефокусировке света, а слой нелинейной среды играет роль отрицат. (рассеивающей) линзы с фокусным расстоянием F_нл, зависящим от интенсивности (мощности) пучка. В зависимости от соотношения между фокусным расстоянием F_нл и толщиной среды l, к-рую проходит свет, различают два случая - тонкой и толстой линзы.

Рис. 1. Траектории лучей при самодефокусировке в тонкой нелинейной линзе.

Тонкая нелинейная линза. Если

, то рефракция лучей внутри слоя мала (рис. 1), сечение пучка при прохождении среды остаётся неизменным, а меняется лишь волновой фронт. В тонком слое происходит нелинейный набег фазы:

где

- волновое число в вакууме, w - частота. Для гауссова пучка функция

представлена на рис. 2, а. Лучи выходят из слоя под разными углами

(рис. 2, б):

Рис. 2. Изменение параметров пучка после прохождения нелинейной самодефокусирующей среды: а - нелинейный набег фаз; б - угол отклонения пучка; в - распределение интенсивности в зависимости от

Наиб. отклонение испытывают лучи, выходящие из области макс. градиента наведённой поперечной неоднородности показателя преломления, расположенной на

. Под меньшими углами

вдоль каждого направления идут два луча, интерферирующие между собой на большом удалении от нелинейной среды. В зависимости от разности фаз этих лучей

под к--л. данным углом может наблюдаться минимум или максимум амплитуды - возникает характерная кольцевая структура (рис. 2, в, и рис. 4, а). Это явление наз. нелинейными аберрациями.

Первое тёмное кольцо образуется при

, второе - при

и т. д. Второе светлое кольцо (внутри внеш. светлого кольца с угл. расходимостью

) образуется при

, а последующие - при

. Т. о., число дополнит. светлых колец в аберрац. картине дефокусировки равно

Угл. расходимость дефокусированного пучка определяется ф-лой

Тонкую нелинейную линзу удобно характеризовать фокусным расстоянием:

Т. о., с увеличением мощности пучка растёт его интенсивность на оси, растут

, т. е. увеличивается эффект

дефокусировки. Чем больше расходимость пучка, тем больше число аберрац. колец N. Дефокусировка пучка выражается в том, что с ростом мощности пучка амплитуда и интенсивность уменьшаются, а появление каждого нового тёмного кольца сопровождается изменением интенсивности в центре пучка в дальнем поле.

Толстая нелинейная линза. В толстом слое нелинейной среды пучок значительно расплывается уже внутри самого слоя и эффективная (интенсивная) дефокусировка идёт на расстоянии порядка

Для оценки F_нл толстой линзы можно воспользоваться ф-лой (7), заменив толщину слоя l на F_нл, получая в результате выражение

Нелинейная расходимость пучка при внутр. дефокусировке, т. е. в толстом слое, равная

слабее зависит от мощности пучка, чем в тонком слое (6). Заметная дефокусировка наблюдается при

, откуда можно определить порог этого эффекта.

На практике наиб. часто осуществляется тепловая самодефокусировка света, обусловленная появлением n_нл при нагреве среды в результате поглошения доли энергии светового пучка,

где Т₀ - равновесная температура, Т - темп-pa после нагрева, к-рая находится из ур-ння теплопроводности:

где

- уд. теплоёмкость,

- коэф. теплопроводности,

- коэф. поглощения, v - скорость конвективного движения среды (или пучка относительно среды) в направлении, перпендикулярном световому пучку вдоль оси х (рис. 3).

Рис. 3. Самоотклонение светового пучка навстречу поперечному движению нелинейной дефокусирующей среды.

Тепловая линза имеет конечное время релаксации, определяемое теплопроводностью в пучке Короткие импульсы

, для к-рых

, испытывают нестационарную самодефокусировку света, пропорциональную поглощённой энергии, а длинные

импульсы и непрерывное излучение - стационарную,

. Кроме того, резко различаются случаи неподвижной среды (v = 0) и среды с поперечной конвекцией.

При стационарной тепловой дефокусировке в тонком неподвижном слое углы расходимости, фокусное расстояние и число дополнит. светлых колец определяются ф-лами, следующими из (5) и (6):

В толстом слое слабопоглощающей среды параметры дефокуснрованного пучка

Ф-лы (10) и (11) можно получить с помощью теории подобия п размерностей, придав им вид универсальных законов. При переходе от гауссова пучка к др. пучкам изменяются только численные коэффициенты.

Рис. 4. Тепловая самодефокусировка пучка света аргонового лазера мощностью 60 мВт: а - после прохождения ячейки с неподвижным спиртом; б - отклонение пучка навстречу движущейся среде (стрелкой показано направление движения среды).

В движущейся дефокусирующей среде

тепловая дефокусировка проявляется в самоотклонении светового пучка при

навстречу поперечному потоку в более холодную часть среды (рис. 4,б). (В среде с

пучок отклоняется в направлении потока.) Относительный вклад конвекции и термодиффузии в теплопередачу характеризуется числом Пекле:

При малых числах Пекле вклад конвективного теплопереноса незначителен и самодефокусировка света идёт практически так же, как и в неподвижной среде: центр пучка смещается на малый угол, пропорциональный скорости течения:

Если скорость поперечной конвекции становится ооль-шой, то в выносе тепла из области пучка в направлении оси х осн. роль играет конвекция [член

в ур-нии (9)] и распределение темн-ры среды по поперечному сечению пучка становится несимметричным. В результате этого пучок смещается по оси х на угол

v^-1, к-рый сравним или даже больше угла дефокусировки. Поперечное сечение пучка на расстоянии приобретает характерную серповидную форму (рис. 3).

Тепловая самодефокусировка света является одним из осн. эффектов в оптике атмосферы. Она ограничивает предельные возможности передачи большой энергии или мощности на большие расстояния с помощью волновых пучков. В то же время тепловая самодефокусировка света используется в нелинейной спектроскопии, в частности для измерения коэф. поглощения

скорости движения среды v, коэф. теплопроводности

на основе измерения зависимостей угл. расходимости

угла * * самоотклонения от этих параметров

и др. *

Более сложный вид самодефокусировки света приобретает в твёрдых телах из-за появления термоупругих напряжений, наведённого двулучепреломления и т. д.

Литература по самодефокусировке света

Знаете ли Вы, что, как и всякая идолопоклонническая религия, релятивизм ложен в своей основе. Он противоречит фактам. Среди них такие:

1. Электромагнитная волна (в религиозной терминологии релятивизма - "свет") имеет строго постоянную скорость 300 тыс.км/с, абсурдно не отсчитываемую ни от чего. Реально ЭМ-волны имеют разную скорость в веществе (например, ~200 тыс км/с в стекле и ~3 млн. км/с в поверхностных слоях металлов, разную скорость в эфире (см. статью "Температура эфира и красные смещения"), разную скорость для разных частот (см. статью "О скорости ЭМ-волн")

2. В релятивизме "свет" есть мифическое явление само по себе, а не физическая волна, являющаяся волнением определенной физической среды. Релятивистский "свет" - это волнение ничего в ничем. У него нет среды-носителя колебаний.

3. В релятивизме возможны манипуляции со временем (замедление), поэтому там нарушаются основополагающие для любой науки принцип причинности и принцип строгой логичности. В релятивизме при скорости света время останавливается (поэтому в нем абсурдно говорить о частоте фотона). В релятивизме возможны такие насилия над разумом, как утверждение о взаимном превышении возраста близнецов, движущихся с субсветовой скоростью, и прочие издевательства над логикой, присущие любой религии.

4. В гравитационном релятивизме (ОТО) вопреки наблюдаемым фактам утверждается об угловом отклонении ЭМ-волн в пустом пространстве под действием гравитации. Однако астрономам известно, что свет от затменных двойных звезд не подвержен такому отклонению, а те "подтверждающие теорию Эйнштейна факты", которые якобы наблюдались А. Эддингтоном в 1919 году в отношении Солнца, являются фальсификацией. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.