Синхронизм. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Синхронизм (от греч. synchronismos - одновременность) - условие эфф. обмена энергией при взаимодействии волн, заключающееся в сохранении определённых фазовых соотношений между волнами на протяжении всей области взаимодействия.

В условиях С. интенсивности взаимодействующих волн меняются в первом приближении пропорционально квадрату длины области взаимодействия z²(рис.).

При нарушении С. интенсивности волн осциллируют вдоль оси z с пространственным периодом

, достигая макс. изменения на длине

, называемой длиной когерентного взаимодействия. Макс. изменение интенсивностей волн пропорционально

и при сильном нарушении С. очень мало. Термин «С.» получил широкое распространение при описании взаимодействия эл--магн. волн. Для плоских эл--магн. волн частоты w, распространяющихся в нелинейной среде вдоль оси z, в приближении медленно меняющихся амплитуд интенсивность волны (см. Нелинейная оптика)где k, k_P - волновые векторы собственной эл--магн. волны и волны нелинейной поляризации, sin c(x)= sin x/x. При этом

. Поскольку k = w/v_ф и

, где v_ф, v_фP - фазовые скорости эл--магн. волны и волны нелинейной поляризации соответственно, то условие С. можно записать как v_ф = v_фP. Т. о., условие С. заключается в равенстве фазовых скоростей собственной эл--магн. волны и волны нелинейной поляризации среды на частоте w.

Волна нелинейной поляризации на частоте и возникает, напр., при распространении в среде эл--магн. волн с частотами w₁ и w₂, причём

, и волновыми векторами k₁ и k₂. Условие С. в этом случае принимает вид k₁ + k₂ = k или, в общем случае, k₁ + k₂ = k. Этот процесс наз. генерацией суммарной частоты, частным случаем к-рого является генерация второй гармоники (при w₁ = w₂). Условие С. можно трактовать как сохранение суммасного импульса взаимодействующих волн:

. При нарушении условия С. импульс волн частично передаётся среде, в к-рой они распространяются.

В СВЧ-приборах, напр. лампе бегущей волны (ЛБВ), вместо волны поляризации следует рассматривать волну конвекционных токов, фазовая скорость к-рой совпадает со скоростью потока электронов. В этом случав условие С. заключается в совпадении фазовой скорости эл--магн. волны со скоростью электронного потока. Это рассмотрение соответствует приближению, не учитывающему обратного влияния эл--магн. волны на поток электронов (в нелинейной оптике подобный подход наз. приближением заданного поля). При учёте этого влияния наиб. усиление эл--магн. волны в ЛБВ достигается при нек-ром превышении начальной скорости электронов над фазовой скоростью эл--магн. волны.

При акустооптич. взаимодействиях (см. Акустооптика. Дифракция света на ультразвуке)условие С.:

, где

- волновые векторы падающей, дифрагированной (рассеянной) и акустич. волн соответственно, называют Брэгга - Вулъфа условием.

Для выполнения условия С. в общем случае приходится принимать спец. меры, напр. использовать замедляющие системы в СВЧ-приборах, или двулучепреломляющие кристаллы в нелинейной оптике, подбирать частоту акустич. волны в акустооптич. устройствах.

Спектральная ширина С. определяется как ширина частотного интервала

, в пределах к-рого фазовое рассогласование взаимодействующих волн в области взаимодействия не превышает

где l - длина области взаимодействия. Поскольку

где v_гр - групповая скорость ,то спектральная ширина С. велика в случае равенства групповых скоростей взаимодействующих волн. Это условие т. н. группового синхронизма (в отличие от группового С., условие k_p = k называют фазовым или волновым С.). При выполнении условия группового С. ограниченные в пространстве волновые пакеты распространяются с одинаковой групповой скоростью и их эффективное взаимодействие происходит на большой длине даже при малой длине волновых пакетов (т. е. при широком спектре). Так, в ЛБВ с однородной замедляющей системой дисперсия эл--магн. волн очень мала и групповые скорости взаимодействующих волн практически совпадают, что обусловливает широкую полосу усиления ЛБВ (октава и выше). В лампе обратной волны (ЛОВ), напротив, групповая скорость эл--магн. волны и скорость потока электронов противоположны, поэтому усилители на ЛОВ не могут быть широкополосными и ЛОВ часто используется как узкополосный перестраиваемый регенеративный усилитель.

В нелинейной оптике из-за сильной дисперсии групповой скорости С. наблюдается только в отд. случаях. В акустике, напротив, из-за малой дисперсии условия фазового и группового С. выполняются одновременно для большого числа спектральных компонент, что приводит к накоплению нелинейных эффектов на больших длинах и образованию ударных волн.

При взаимодействии волновых пучков, ограниченных в поперечном сечении, условие группового С. принимает более общий вид, а именно - как равенство векторов групповых скоростей взаимодействующих волн. При отличии направления векторов групповых скоростей ограниченные в пространстве волновые пучки испытывают боковой снос относительно друг друга.

что приводит к уменьшению области эфф. взаимодействия. Это явление обычно характеризуется угл. шириной С.- расходимостью взаимодействия, в пределах к-рой фазовое рассогласование не превышает

. В нелинейной оптике боковой снос взаимодействующих пучков наз. апертурным эффектом и обусловлен отличием направления векторов фазовой и групповой скоростей для необыкновенных волн в анизотропных кристаллах (см. Оптическая анизотропия), Апертурный эффект полностью отсутствует при т. н. 90-градусном С., когда все взаимодействующие пучки распространяются перпендикулярно оптич. оси. При 90-градусном С. угл. ширина С. резко возрастает и ограничена дифракц. расплыванием пучков, так же как спектральная ширина С. при групповом С. ограничена дисперсионным расплыванием волновых пакетов.

Литература по синхронизму

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.