«Нелинейная оптика»

раздел физической оптики, охватывающий исследование распространения мощных световых пучков в твёрдых телах, жидкостях и газах и их взаимодействие с веществом. С появлением Лазеров оптика получила в своё распоряжение источники когерентного излучения мощностью до 10⁹—10¹⁰ вт.В таком световом поле возникают совершенно новые оптические эффекты и существенно изменяется характер уже известных явлений. Общая черта всех этих новых явлений — зависимость характера их протекания от интенсивности света. Сильное световое поле изменяет оптические характеристики среды (показатель преломления n, коэффициент поглощения), в связи с чем изменяется характер явления. Сказанное объясняет происхождение термина Н. о.: если оптические характеристики среды становятся функциями напряжённости электрического поля Е световой волны, то поляризация среды нелинейным образом зависит от Е. Н. о. имеет много общего с нелинейной теорией колебаний (см. Нелинейные системы), нелинейной акустикой (См. Нелинейная акустика) и др. Оптику слабых световых пучков, поле которых недостаточно для заметного изменения свойств среды, естественно назвать линейной оптикой.

Историческая справка.В «долазерной» оптике считалось твёрдо установленным, что основными характеристиками световой волны, определяющими характер её взаимодействия с веществом, являются частота или непосредственно связанная с нею длина волны λ и поляризация волны. Для подавляющего большинства оптических эффектов величина напряжённости электрического светового поля Е (или плотность потока излучения I = cnE²/8π, где с — скорость света, n — показатель преломления) фактически не влияла на характер явления. Показатель преломления n,коэффициента поглощения, эффективное сечение рассеяния света фигурировали в справочниках без указания интенсивности света, для которой они были измерены, так как зависимость указанных величин от интенсивности не наблюдалась. Можно указать лишь несколько работ, в которых были сделаны попытки исследовать влияние интенсивности света на оптические явления. В 1923 С. И. Вавилов и В. Л. Лёвшин обнаружили уменьшение поглощения света урановым стеклом с ростом интенсивности света и объяснили это тем, что в сильном электромагнитном поле большая часть атомов (или молекул) находится в возбуждённом состоянии и уже не может поглощать свет. Считая, что это лишь один из множества возможных нелинейных эффектов в оптике, Вавилов впервые ввёл термин «Н. о.». Возможность наблюдения ряда нелинейных оптических эффектов с помощью фотоэлектрических умножителей в 50-х гг. теоретически рассмотрел Г. С. Горелик (СССР); один из них — смещение оптического дублета с выделением разностной частоты, лежащей в диапазоне СВЧ (гетеродинирование света), наблюдали в 1955 А. Форрестер, Р. Гудмундсен и П. Джонсон (США).

Широкие возможности изучения нелинейных оптических явлений открылись после создания лазеров. В 1961 П. Франкен с сотрудниками (США) открыл эффект удвоения частоты света в кристаллах — генерацию 2-й гармоники света. В 1962 наблюдалось утроение частоты — генерация 3-й оптической гармоники. В 1961—1963 в СССР и США были получены фундаментальные результаты в теории нелинейных оптических явлений, заложившие теоретические основы Н. о. В 1962—63 было открыто и объяснено явление вынужденного комбинационного рассеяния света (См. Комбинационное рассеяние света).Это послужило толчком к изучению вынужденного рассеяния др. видов: вынужденного рассеяния Мандельштама — Бриллюэна, вынужденного релеевского рассеяния и т.п. (см. Вынужденное рассеяние света).

В 1965 было обнаружено явление самофокусировки световых пучков. Оказалось, что мощный световой пучок, распространяясь в среде, во многих случаях не только не испытывает обычной, так называемой дифракционной расходимости, а напротив, самопроизвольно сжимается. Явление самофокусировки электромагнитных волн в общей форме было предсказано в 1962 Г. А. Аскарьяном (СССР). Оптические эксперименты были стимулированы теоретическими работами Ч. Таунса с сотрудниками (США, 1964). Большой вклад в понимание природы явления внесли работы А. М. Прохорова с сотрудниками.

В 1965 были созданы параметрические генераторы света, в которых нелинейные оптические эффекты используются для генерирования когерентного оптического излучения, плавно перестраиваемого по частоте в широком диапазоне длин волн. В 1967 началось исследование нелинейных явлений, связанных с распространением в среде сверхкоротких (длительностью до 10^-12 сек)световых импульсов. С 1969 развиваются также методы нелинейной и активной спектроскопии, использующие нелинейные оптические явления для улучшения разрешающей способности и повышения чувствительности спектроскопических методов исследования вещества.

Взаимодействие сильного светового поля со средой. Элементарный процесс, лежащий в основе взаимодействия света со средой, — возбуждение атома или молекулы световым полем и переизлучение света возбуждённой частицей. Математическим описанием этих процессов являются уравнения, связывающие поляризацию P единицы объёма среды с напряжённостью поля Е (материальные уравнения). Линейная оптика базируется на линейных материальных уравнениях, которые для гармонической волны приводят к соотношению:

P = κE, (1)

где κ — Диэлектрическая восприимчивость, зависящая только от свойств среды. На соотношении (1) базируется важнейший принцип линейной оптики — Суперпозиции принцип. Однако теория, основанная на (1), не способна объяснить ни один из перечисленных выше нелинейных эффектов. Согласно (1), переизлученное поле имеет ту же частоту, что и падающее, следовательно, уравнение (1) не описывает возникновения оптических гармоник; из (1) следует независимость показателя преломления среды от интенсивности. Сказанное означает, что материальное уравнение (1) является приближённым: фактически им можно пользоваться лишь в области слабых световых полей.

Суть приближений, лежащих в основе (1), можно понять, обращаясь к классической модели осциллятора, широко используемой в оптике для описания взаимодействия света с веществом. В соответствии с этой моделью, поведение атома или молекулы в световом поле эквивалентно колебаниям осциллятора. Характер отклика такого элементарного атомного осциллятора на световую волну можно установить, сравнивая напряжённость поля световой волны с напряжённостью внутриатомного поля E_a ≅ е/а²≅ 10⁶—10⁹ в/см(е — заряд электрона, а — атомный радиус), определяющего силы связи в атомном осцилляторе. В пучках нелазерных источников Е ≅ 1—10 в/см, т. е. Е <>E_a,и атомный осциллятор можно считать гармоническим (возвращающая сила линейно связана со смещением). Прямым следствием этого является уравнение (1). В пучках мощных лазеров Е Нелинейная оптика 10⁶—10⁷ в/сми атомный осциллятор становится ангармоническим, нелинейным (возвращающая сила — нелинейная функция смещения). Ангармоничность атомного осциллятора приводит к тому, что зависимость между поляризацией P и полем Е становится нелинейной; при (Е/Е_а) Е/Е_а:

P = χE + χE² + ϑE³ + …. (2)

Коэффициенты χ, ϑ и т.д. называются нелинейными восприимчивостями (по порядку величины χ Нелинейная оптика 1/Е_a; ϑ Нелинейная оптика 1/E_a²). Материальное уравнение (2) является основой Н. о. Если на поверхность среды падает монохроматическая световая волна Е= Аcos (ωt — kx), где А — амплитуда, ω — частота, k —Волновое число, х — координата точки вдоль направления распространения волны, t — время, то, согласно (2), поляризация среды наряду с линейным членом P^(л) = χA cos(ωt — kx)(линейная поляризация) содержит еще и нелинейный член второго порядка:

Последнее слагаемое в (3) описывает поляризацию, изменяющуюся с частотой 2ω, т. е. генерацию 2-й гармоники. Генерация 3-й гармоники, а также зависимость показателя преломления от интенсивности описываются членом ϑE³ в (2) и т.д.

Нелинейный отклик атомного осциллятора на сильное световое поле — наиболее универсальная причина нелинейных оптических эффектов. Существуют, однако, и др. причины: например, изменение показателя преломления n может быть вызвано нагревом среды лазерным излучением (См. Лазерное излучение).Изменение температуры ΔT = αE₂(α—коэффициент поглощения света) приводит к тому, что

Во многих случаях существенным оказывается также эффект электрострикции (См. Электрострикция) (сжатие среды в световом поле Е). В сильном световом поле Е лазера электрострикционное давление, пропорциональное E², изменяет плотность среды, что может привести к генерации звуковых волн. С тепловыми эффектами и электрострикцией иногда связана самофокусировка света.

Оптические гармоники. На рис. 1 показано, как интенсивное монохроматическое излучение лазера на неодимовом стекле (λ₁ = 1,06 мкм), проходя через оптически прозрачный кристалл ниобата бария, преобразуется в излучение с длиной волны ровно вдвое меньшей, т. е. во 2-ю гармонику (λ₂ = 0,53 мкм). При некоторых условиях во 2-ю гармонику переходит более 60% энергии падающего излучения. Удвоение частоты наблюдается для излучения др. лазеров видимого и инфракрасного диапазонов. В ряде кристаллов и жидкостей зарегистрировано утроение частоты света — 3-я гармоника. Более сложные эффекты возникают, если в среде распространяются две или несколько интенсивных волн с различающимися частотами, например ω₁ и ω₂. Тогда наряду с гармониками каждой из волн (2ω₁, 2ω₂ и т.п.) возникают волны комбинационных частот (ω₁ + ω₂; ω₁ — ω₂ и т.п.).

Описанное явление, называется генерацией оптических гармоник, имеет много общего с широко известным умножением частоты в нелинейных элементах радиоустройств. Вместе с тем есть и существенное различие: в оптике эти эффекты являются результатом взаимодействия не колебаний, а волн. В сильном световом поле, согласно (2), каждый атомный осциллятор переизлучает не только на частоте падающей волны, но и на её гармониках. Однако так как свет распространяется в среде, размеры L которой существенно превышают длину волны λ (для видимого света λНелинейная оптика 10^-4см), суммарный эффект генерации гармоник на выходе зависит от фазовых соотношений между основной волной и гармониками внутри среды; возникает своеобразная интерференция, способная либо усилить, либо ослабить эффект. Оказалось, что взаимодействие двух волн, различающихся частотами, например ω и 2ω, максимально, а, следовательно, максимальна и перекачка энергии от основной волны к гармоникам, если их фазовые скорости (См. Фазовая скорость) равны (условие фазового синхронизма). К условиям фазового синхронизма можно прийти и из квантовых соображений, они соответствуют закону сохранения импульса при слиянии или распаде фотонов. Для трёх волн условия синхронизма: k₃ = k₁ + k₂, где k₁, k₂ и k₃ — импульсы фотонов (в единицах Планка постоянной (См. Планка постоянная)ħ).

Условия синхронизма основной волны и гармоник в реальной диспергирующей среде на первый взгляд кажутся неосуществимыми. Равенство фазовых скоростей волн на разных частотах имеет место лишь в среде без дисперсии. Однако оказалось, что отсутствие дисперсии можно имитировать, используя взаимодействие волн разной поляризации в анизотропной среде (рис. 1). Этот метод резко повысил эффективность нелинейных волновых взаимодействий. Если в 1961 кпд оптических удвоителей частоты составлял Нелинейная оптика10^-10—10^-12, то в 1963 он достиг значения 0,2—0,3, а к 1973 приблизился к 0,8.

Оптические умножители частоты позволили существенно расширить область применения лазеров. Эффект генерации оптических гармоник широко используется для преобразования излучения длинноволновых лазеров в излучение коротковолновых диапазонов. Промышленность многих стран выпускает оптические умножители частоты на неодимовом стекле или на алюмоиттриевом гранате с примесью неодима (λ = 1,06 мкм), позволяющие получить мощное когерентное излучение на волнах λ = 0,53 мкм(2-я гармоника), λ = 0,35 мкм (3-я гармоника) и λ = 0,26 мкм (4-я гармоника). Для этой цели были подобраны кристаллы, обладающие высокой нелинейностью (большими значениями χ) и позволяющие удовлетворить условиям фазового синхронизма. Иллюстрациями современных возможностей в этой области являются генератор 5-й оптической гармоники (рис. 2) и получение 9-й гармоники излучения неодимового лазера (λ₉ = 1189 Å). В 1972 было экспериментально осуществлено умножение частоты в области вакуумного ультрафиолета; в качестве нелинейной среды здесь использовались некоторые газы и пары металлов.

Самофокусировка света. Самовоздействия. При достаточно большой (но вполне умеренной для современной лазерной техники) мощности светового пучка, превышающей некоторое критическое значение Р_кр, в среде вместо обычной дифракционной расходимости первоначально параллельного пучка наблюдается его самосжатие (рис. 3). Величина Р_кр различна для разных сред; для ряда органических жидкостей Р_кр Нелинейная оптика 10—50 квт, в некоторых кристаллах и оптических стеклах Р_кр не превышает нескольких вт.

Иногда, например, при распространении излучения мощных импульсных лазеров в жидкостях, это самосжатие носит характер «схлопывания» пучка, которое сопровождается настолько быстрым нарастанием светового поля, что это может вызвать световой пробой (см. Лазерное излучение), фазовые переходы и др. изменения состояния вещества. В др. случаях, например при распространении излучения газовых лазеров (См. Газовый лазер) непрерывного действия в стеклах, нарастание поля также заметно, хотя и не является столь быстрым. Самосжатие в некотором смысле похоже на фокусировку пучка обычной линзой. Однако существенные различия наблюдаются за фокальной точкой; самосфокусированный пучок может образовывать квазистационарные нити («волноводное» распространение), последовательность фокальных точек и т.п.

Явление самофокусировки обусловлено тем, что в сильном световом поле изменяется показатель преломления среды (в опыте, изображенном на рис. 3, это происходит за счёт нагрева стекла лазерным излучением). Если знак изменения показателя преломления таков, что в области, занятой пучком, он возрастает, эта область становится оптически более плотной, и периферийные лучи отклоняются к центру пучка. На рис. 2 изображены фазовые фронты и ход лучей в ограниченном пучке, распространяющемся в среде, с показателем преломления: n = n₀ + n₂E², где n₀ — постоянная составляющая, не зависящая от Е, n₂ > 0. Поскольку фазовая скорость света v=c/n=с/(n₀ + n₂E²), то фазовые фронты изгибаются (поле Е на оси больше, чем на периферии) и лучи отклоняются к оси пучка. Такая нелинейная рефракция может быть столь существенной (её «сила» нарастает вместе с концентрацией поля), что практически полностью подавляет дифракционные эффекты.

Обратный эффект — самодефокусировка — возникает, если среда в области, занятой световым пучком, из-за зависимости показателя преломления от интенсивности становится оптически менее плотной (n₂ k= ωn/c = 2π/λ почти не изменяются, называются самовоздействием волн. Наряду с самовоздействием волн, модулированных в пространстве, в Н. о. изучается также самовоздействие волн, модулированных во времени.

Распространение светового импульса в среде с показателем преломления вида n=n₀ + n₂E² сопровождается искажением его формы и фазовой модуляцией (См. Фазовая модуляция). В результате возникает сильное уширение спектра лазерного импульса. Ширина спектра излучения на выходе из среды в сотни и тысячи раз превышает ширину спектра на входе.

Эффекты самовоздействия определяют основные черты поведения мощных световых пучков в большинстве сред, включая и активные среды самих лазеров. В частности, лавинное нарастание напряженности светового поля при самофокусировке вызывает во многих случаях оптический пробой среды (рис. 3).

Интересным вопросом в явлении самофокусировки является поведение светового пучка за фокальной точкой. А. М. Прохоров с сотрудниками обратили внимание на существенную роль движения фокальных точек при самофокусировке. В реальном лазерном импульсе мощность изменяется во времени и соответственно изменяется во времени фокальная длина нелинейной линзы. В результате возникает движущийся фокус. Скорость его движения может достигать 10⁹ см/сек. Учёт быстрого движения фокусов в сочетании с аберрациями нелинейной линзы во многих случаях позволяет построить полную теорию явления самофокусировки.

Самопросветление и нелинейное поглощение. Среды, непрозрачные для слабого излучения, могут стать прозрачными для высокоинтенсивного излучения (просветление), и, наоборот, прозрачные материалы могут «затемняться» по отношению к мощному излучению (нелинейное поглощение). Таковы наиболее важные особенности поглощения света большой интенсивности. Они объясняются зависимостью коэффициента поглощения от интенсивности света.

Если интенсивность резонансного по отношению к поглощающей среде излучения велика, существенная доля частиц среды переходит из основного в возбуждённое состояние и населённости её верхнего и нижнего уровней выравниваются (см. Насыщения эффект). Для получения эффекта насыщения в равновесных условиях необходима затрата некоторой энергии, поэтому просветление среды сопряжено с определёнными потерями энергии светового пучка.

В поле коротких световых импульсов, длительность которых меньше характерных времён релаксации (См. Релаксация) среды, наблюдается эффект просветления др. типа — резонансное самопросветление среды. В этом случае короткий мощный световой импульс проходит через среду, вообще не испытывая поглощения (слабое же квазинепрерывное излучение той же частоты может поглотиться этой средой практически полностью). Результатом взаимодействия такого очень короткого светового импульса со средой оказывается резкое уменьшение групповой скорости (См. Групповая скорость) распространения светового импульса и изменение его формы.

Эффекты нелинейного поглощения связаны с тем, что при взаимодействии интенсивного излучения частоты ω₀ с частицами заметную вероятность имеют процессы одновременного поглощения mквантов частоты ω₁, причём m = ω₀/(₁(см. Многофотонные процессы).

Нелинейная оптика и спектроскопия. Параметрический генератор света. Развитие Н. о. позволило усовершенствовать методы оптической спектроскопии (См. Спектроскопия) и разработать принципиально новые методы нелинейной и активной спектроскопии (см. Спектроскопия лазерная). Важная проблема абсорбционной спектроскопии — создание подходящего источника света, перестраиваемого по частоте. Н. о. даёт радикальное решение проблемы: наряду со сложением фотонов в нелинейной среде возможен обратный процесс — когерентный распад фотона частоты Ω на два фотона частот ω₁ и ω₂, удовлетворяющих условию Ω = ω₁+ ω₂. Процесс идёт эффективно, если одновременно выполнены условия волнового синхронизма:k_л=k₁ + k₂.

На этом принципе основано действие параметрического генератора света (См. Параметрические генераторы света).При фиксированной частоте Ω (частоте накачки (См. Накачка)) частоты ω₁ и ω₂ можно варьировать в широких пределах (сохраняться должна лишь их сумма), изменяя параметры среды, влияющие на выполнение условий синхронизма. С помощью таких генераторов уже сейчас возможно перекрытие длинноволновой части видимого и ближней части инфракрасного диапазонов. Созданы параметрические генераторы света и в далёкой инфракрасной области. Параметрический генератор света — удобный источник света для абсорбционных спектрометров; с его появлением оптики получили перестраиваемый, стабильный, легко управляемый источник когерентного излучения (накладывая на нелинейный кристалл электрическое поле, можно осуществить частотную или амплитудную модуляцию излучения).

Методы Н. о. открывают новые возможности для создания корреляционных спектрографов и спектрографов с пространственным разложением спектра (см. Спектральные приборы, Фурье-спектроскопия). На рис. 4 изображена схема нелинейного спектрографа с пространственным разложением спектра, в котором используется то обстоятельство, что дисперсия направлений синхронизма в нелинейных кристаллах (рис. 1) может быть сильнее, нежели обычная дисперсия вещества. Спектральный анализ в этом случае сопровождается увеличением частоты света (что особенно выгодно при спектральных исследованиях в инфракрасной области) и усилением исследуемого сигнала.

Преобразование сигналов и изображений. Эффект сложения частот, лежащий в основе действия описанного спектрографа, находит и др. применения. Одно из них — регистрация слабых сигналов в инфракрасном диапазоне. Если частота ω_х лежит в инфракрасном диапазоне, а ω_н — в видимом, то в видимый диапазон попадает и суммарная частота Ω, причём коэффициент преобразования может быть >> 1. В видимом же диапазоне регистрация сигнала производится с помощью высокочувствительного фотоэлектронного умножителя (См. Фотоэлектронный умножитель) (ФЭУ). Система из нелинейного кристалла, в котором происходит сложение частот и ФЭУ, является чувствительным приёмником инфракрасного излучения; такие приёмники находят применение в инфракрасной астрономии. С помощью этой схемы можно не только регистрировать сигнал, но и преобразовывать изображение из инфракрасного диапазона в видимый.

Заключение. Методы Н. о. проникают во все традиционные разделы оптики и лежат в основе ряда её новых направлений (нелинейное вращение плоскости поляризации, нелинейное рассеяние, нелинейная дифракция, нелинейная магнитооптика и т.п.). С ростом напряжённости светового поля обнаруживаются всё новые и новые нелинейные процессы. К сожалению, предельное световое поле, которое может быть использовано в эксперименте, определяется не возможностями лазерной техники, а разрушением среды или изменением её оптических свойств под действием света.

На первом этапе развития Н. о. использовался диапазон волн от 1,06 до 0,3 мкм.Переход к лазерам на CO₂ (λ = 10,6 мкм)привёл к открытию нелинейности, связанной с поведением носителей тока в полупроводниках (См. Полупроводники) (в видимом диапазоне она практически не проявляется), и обнаружению новых нелинейных материалов. При помощи мощных источников ультрафиолетового излучения возможны исследование нелинейного поглощения в кристаллах и жидкостях с широкой запрещенной зоной, умножение частоты в вакуумном ультрафиолете, создание ультрафиолетовых лазеров с оптической накачкой. В 1971 впервые наблюдались когерентные нелинейные эффекты в рентгеновской области.

Успехи Н. о. стимулировали соответствующие исследования в физике плазмы (См. Плазма), в акустике (См. Акустика), радиофизике (См. Радиофизика) и вызвали интерес к общей теории нелинейных волн. В связи с Н. о. появились новые направления исследования в физике твёрдого тела (См. Твёрдое тело), связанные с изучением нелинейных материалов и оптической прочности твёрдых тел и жидкостей. Возможно, нелинейными оптическими явлениями в межзвёздной плазме обусловлены и некоторые особенности характеристик квазаров (См. Квазары). Не исключено достижение таких интенсивностей лазерного излучения, при которых станет возможным наблюдение нелинейных оптических явлений в вакууме.

Лит.: Ахманов С. А., Хохлов Р. В., Проблемы нелинейной оптики, М., 1964; Бломберген Н., Нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1966; Климонтович Ю. Л., Квантовые генераторы света n нелинейная оптика, М., 1966; Луговой В. Н., Прохоров А. М., Теория распространения мощного лазерного излучения в нелинейной среде, «Успехи физических наук», 1973, т. 111, с. 203—248; Ахманов С. А., Чиркин А. С., Статистические явления в нелинейной оптике, М., 1971; Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия, М., 1969; Ярив А., Квантовая электроника и нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1973; Laser handbook, v. 1—2, Amst., 1972.

С. А. Ахманов.

Рис. 1. Сечения поверхностей показателей преломления в кристалле KH₂PO₄ (KDP) для частоты излучения неодимового лазера (индекс 1) и его второй гармоники (индекс 2). В плоскости охz сечения для обыкновенных волн (n°) - окружности, для необыкновенных волн (n^e) - эллипсы. Под углом ϑ₀ к оптической оси n₁° = n₂°, а следовательно, равны и фазовые скорости основной обыкновенной волны и второй гармоники необыкновенной волны.

Рис. 2. Изменение хода лучей и самофокусировка света в среде с показателем преломления, зависящим от интенсивности света; стрелками показан ход лучей; пунктир — поверхности постоянной фазы; сплошная линия — распределение интенсивности света.

Рис. 4. Схема нелинейного спектрографа с пространственным разложением спектра. Часто́ты спектральных линий исследуемого источника ω_х складываются в нелинейном кристалле с частотой вспомогательного источника (генератора «накачки») ω_н. На выходе кристалла интенсивное излучение суммарной частоты ω_н + ω_х может наблюдаться только внутри весьма узкого угла, для которого выполняется условие волнового синхронизма.

Схема генератора пятой оптической гармоники. Излучение лазера на неодимовом стекле (λ₁=1,06 мкм), работающим в режиме модулированной добротности, возбуждает цепочку из трёх нелинейных кристаллов KDP, в которых последовательно происходят: удвоение частоты (на выходе кристалла KDP I возникает излучение с λ₂=0,53 мкм), ещё одно удвоение частоты (на выходе KDP II возникает излучение с λ₄=0,26 мкм), сложение частот неодимового лазера и четвёртой гармоники. В результате на выходе кристалла KDP III возникает интенсивное ультрафиолетовое излечение с λ₅=λ₁/5=0,21 мкм. Цвета на рисунке условные, четвёртая и пятая гармоники лежат в ультрафиолетовой области. Ф₁ и Ф₂ — фильтры; В — вращающаяся призма.

Удвоение частоты света в кристалле ниобата натрия Ba₂NaNb₅O₅. Мощный луч лазера на неодимовом стекле с длиной волны λ = 1,06 мкм возбуждает в кристалле излучение удвоенной частоты (вторую гармонику, λ = 0,53 мкм). Зелёный цвет — натуральный цвет излучения второй гармоники; невидимое глазом инфракрасное излучение неодимового лазера регистрируется на специально сенсибилизированной цветной пленке как красное.

Рис. 3. Нитевидные разрушения оптического стекла в поле мощного лазера. Тонкая нить — след самофокусированного светового пучка.

Народное творчество. Керамические поливные свистульки. Тамбовская губерния. 19 в. Исторический музей, Москва.

НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА - раздел оптики, в котором исследуется совокупность оптических явлений, наблюдающихся при взаимодействии интенсивных световых полей с веществом. Сильное световое поле изменяет оптические свойства среды, в частности поляризация среды начинает нелинейно зависеть от напряженности электрического поля световой волны. В нелинейной оптике исследуются и используются многофотонные процессы, преобразование частоты света, вынужденные комбинационное рассеяние света и Мандельштама - Бриллюэна рассеяние, самофокусировка света, обращение волнового фронта и др. На основе нелинейной оптики созданы параметрические генераторы света (с перестраиваемой частотой), оптические модуляторы и др.

nonlinear optics

nonlinear optics

НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА

раздел оптики, охватывающий исследования распространения мощных световых пучков в тв. телах, жидкостях и газах и их вз-ствия с в-вом. Сильное световое поле изменяет оптич. хар-ки среды (показатель преломления, коэфф. поглощения), к-рые становятся ф-циями напряжённости электрич. поля Е световой волны, т. е. поляризация среды нелинейно зависит от Е. Н. о. имеет много общего с нелинейной теорией колебаний (см. НЕЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ), нелинейной акустикой и др.

Историческая справка.

Начало совр. этапа в развитии Н. о. (1961) связано с созданием лазеров, к-рое открыло возможности изучения и использования нелинейных явлений фактически во всех областях физ. и прикладной оптики. С появлением лазеров оптика получила источники когерентного излучения большой мощности. С помощью импульсных лазеров можно получить интенсивности света I=107—109 Вт/см2. Мощные лазерные системы позволяют получить I=1016 Вт/см2. Напряжённости светового поля Е (I пропорц. Е2) в таких пучках сравнимы или даже превышают внутриатомные поля. В таких световых нолях возникают новые оптич. эффекты и существенно изменяется характер уже известных явлений.

Вместе с тем ясные представления о том, что законы линейной оптики (суперпозиции принцип) носят приближённый характер и применимы лишь для не слишком сильных световых полей, существовали и до появления лазеров. Ок. 50 лет назад С. И. Вавиловым были поставлены эксперименты с целью обнаружения нелинейных явлений. В 1923 Вавилов и В. Л. Лёвшин обнаружили уменьшение поглощения света урановым стеклом с ростом интенсивности света и объяснили это тем, что в сильном эл.-магн. поле большая часть атомов (или молекул) находится в возбуждённом состоянии и уже не может поглощать свет. Считая, что это лишь один из множества возможных оптич. нелинейных эффектов, Вавилов впервые ввёл термин «Н. о.». В 50-х гг. Г. С. Горелик теоретически рассмотрел возможность наблюдения ряда нелинейных оптич. эффектов с помощью фотоэлектрич. умножителей. Один из них — смещение оптич. дублета с выделением разностной частоты, лежащей в диапазоне СВЧ (г е т е р о д и н и р о в а н и е с в ет а),— наблюдали в 1955 А. Форрестер, Р. Гудмундсен и П. Джонсон (США). К Н. о. в широком смысле относятся и хорошо известные электро-оптические эффекты (линейный Поккельса эффект и квадратичный Керра эффект). Оказалось, что влияние низкочастотного электрич. поля на показатель преломления среды имеет ту же физ. природу, что и такие нелинейно-оптич. явления, как генерация оптич. гармоник и смешение частот (си. ниже).

В 1961 П. Фрайкен с сотрудниками (США) открыл эффект удвоения частоты света в кристаллах — генерацию 2-й гармоники. В 1962 наблюдалось утроение частоты (генерация 3-й гармоники). В 1961—63 в СССР (Р. В. Хохлов, С. А. Ахманов) и в США (Н. Бломберген) были получены фундаментальные результаты в теории нелинейных оптич. явлений, заложившие теор. основы Н. о. В 1962—63 открыто и объяснено вынужденное комбинационное рассеяние света, что послужило толчком к изучению вынужденного рассеяния др. видов. В 1965 обнаружена самофокусировка света. При этом мощный световой пучок, распространяясь в среде, во многих случаях не испытывает обычной, т. н. дифракционной, расходимости, а, напротив, самопроизвольно сжимается.

В 1965 были созданы параметрические генераторы света, в к-рых нелинейные оптич. эффекты используются для генерирования когерентного оптич. излучения, плавно перестраиваемого по частоте в широком диапазоне длин волн l. В 1967 началось исследование нелинейных явлений, связанных с распространением в среде сверхкоротких (длительностью до 10-12 с) световых импульсов. С 1969 развиваются методы нелинейной и активной спектроскопии (см. ниже).

Наиболее важные разделы совр. Н. о.: волновая Н. о., исследования нелинейной поляризации среды и нелинейная спектроскопия, прикладная Н. <о.

Взаимодействие сильного светового поля со средой.

Элем. процесс, лежащий в основе вз-ствия света со средой,— возбуждение атома или молекулы световым полем и переизлучение света возбуждённой ч-цей. Матем. описанием этих процессов явл. ур-ния, связывающие поляризацию Р ед. объёма среды с напряжённостью поля E (м а т е р и а л ь н ы е у р а в н е н и я). Линейная оптика базируется на приближённом соотношении:

Р=cЕ, (1)

где c — диэлектрическая восприимчивость, зависящая только от св-в среды (см. ДИЭЛЕКТРИКИ). Согласно (1), переизлучённое поле имеет ту же частоту, что и падающее, следовательно, ур-ние (1) не описывает ни возникновения оптич. гармоник, ни др. нелинейные эффекты. Это означает, что соотношением (1) можно пользоваться лишь в области слабых световых полей.

Суть приближений, лежащих в основе (1), можно понять, обращаясь к классич. модели осциллятора, используемой для описания вз-ствия света с в-вом. Поведение атома или молекулы в световом поле эквивалентно колебаниям осциллятора. Характер отклика ат. осциллятора на световую волну можно установить, сравнивая E с напряжённостью внутриатомного поля Ea»e/a2»108 —109 В/см (е — заряд эл-на, a — ат. радиус), определяющего силы связи в ат. осцилляторе. В пучках нелазерных источников Е»1—10 В/см, т. е. Е<-Еа, и ат. осциллятор можно считать гармоническим. Прямым следствием этого явл. (1). В пучках мощных лазеров можно получить Е вплоть до 106 —107 В/см, уже сравнимые с Еа. При этом осциллятор становится ангармоническим, нелинейным, что приводит к нелинейной зависимости между поляризацией среды Р и E. При (E/Ea)<1 P можно представить в виде разложения в ряд но параметру Е/Еа:

P=c(1)E+c(2)E2+c(3)E3+... (2)

Коэфф.c(1), c(2) и т. д. наз. н е л и н е й н ы м и в о с п р и и м ч и в о с т я м и (по порядку величины c(1)= =1/Ea; c(2)=1/E2a. Ур-ние (2) является основой Н. о. Если на поверхность среды падает монохроматич. световая волна Е=Аcos(wt-kx), где А — амплитуда, w — частота, k — волновое число, х — координата точки вдоль направления распространения волны, t — время, то, согласно (2), поляризация среды наряду с линейным членом РЛ =c(1)Acos(wt-kx) содержит ещё и нелинейный член 2-го порядка:

Последнее слагаемое в (3) описывает поляризацию, изменяющуюся с частотой 2w, т. е. генерацию 2-й гармоники. Генерация 3-й гармоники, а также зависимость показателя преломления n от интенсивности описываются членом c(3)E3 в (2) и т. д. (член с c(2) описывает также линейный злектрооптич. эффект, если в (2) представить Е в виде: Е=Е0+Есв, где Е0 — статич. поле, Есв — электрич. поле световой волны, а член с c (3) описывает эффект Керра).

Нелинейный отклик ат. или мол. осциллятора на сильное световое поле — наиболее универсальная причина нелинейных оптич. эффектов. Существуют и др. причины: напр., изменение показателя преломления n может быть вызвано нагревом среды лазерным излучением. Изменение темп-ры DT=aЕ2 (a — коэфф. поглощения света) приводит к изменению n от n0 до n=n0+(дn/дT)DT. Во мн. случаях существенным оказывается также эффект электрострикции (сжатие среды в световом поле Е). В сильном световом поле Е лазера электрострикц. давление, пропорц. Е2, изменяет плотность среды, что может привести к генерации звук. волн. С тепловыми эффектами связана самодефокусировка света.

Рис. 1. Сравнение эксперим. значений кубичной восприимчивости c(3) для разл. кристаллов с теоретическими; т. к. c(3) — тензор 4-го ранга, то сравниваются конкретные компоненты тензора.

Нелинейные восприимчивости c(2), c(3), c(4) и т. д.— новые параметры вещества (рис. 1). Изучение их дисперсии (зависимости от со) — предмет нелинейной спектроскопии. Для атомов методами квантовой механики удаётся рассчитать нелинейные восприимчивости любого порядка. Их дисперсия имеет сложный вид, так как резонансы возникают не только при совпадении частот действующих полей с собственными частотами атома, но и при совпадении с ними тех или иных комбинаций этих частот. В не слишком сильных лазерных полях совпадение результатов теории и эксперимента оказывается хорошим. Для простых молекул вблизи их колебательно-вращат. резонансов дисперсия нелинейной восприимчивости имеет много общего с дисперсией нелинейной восприимчивости атомов вблизи их электронных резонансов. Гораздо сложнее картина для электронных переходов в больших молекулах и конденсированных средах. Несмотря на то, что квантовомеханический расчёт в этих случаях невозможен, была развита феноменологическая теория, позволившая получить количественные результаты, во мн. случаях хорошо согласующиеся с экспериментом (рис. 1), и дать рецепты поиска новых нелинейно-оптич. материалов. В то время как значения c(2) для подавляющего большинства оптич. материалов отличаются между собой не более чем на один порядок, значения c(3) отличаются на три порядка. Это свидетельствует об особой физ. информативности нелинейных св-в в-ва.

Оптические гармоники.

На рис. 1 на вклейке к стр. 528 показано, как интенсивное монохроматич. излучение лазера на неодимовом стекле (l=1,06 мкм), проходя через оптически прозрачный кристалл ниобата бария, преобразуется в излучение с l=0,53 мкм, т. е. во 2-ю гармонику. При нек-рых условиях во 2-ю гармонику переходит более 60% энергии падающего излучения. Более сложные эффекты возникают, если в среде распространяются две или неск. интенсивных волн с разл. частотами, w1 и w2. Тогда наряду с гармониками каждой из волн (2w1, 2w2 и т. д.) возникают волны с комбинац. частотами (w1+ w2, w1-w2 и т. п.).

Рис. 2. Сечения поверхностей показателей преломления в кристалле КН2РО4 для частоты излучения неодимового лазера (индекс 1) и его 2-й гармоники (индекс 2). В плоскости OXZ сечения для обыкновенных волн (n0) — окружности, для необыкновенных волн (nе) — эллипсы. Под углом q0 к оптической оси OZ n01=ne2, а следовательно, равны и фазовые скорости осн. обыкновенной и 2-й гармоники необыкновенной волн.

Генерация оптич. гармоник имеет много общего с умножением частоты в нелинейных элементах радиоустройств, однако в оптике эти эффекты явл. результатом вз-ствия со средой не колебаний, а волн. Т. к. свет распространяется в среде, размеры L к-рой существенно превышают l, суммарный эффект генерации гармоник на выходе зависит от фазовых соотношений между осн. волной и гармониками внутри среды; возникает своеобразная интерференция, способная либо усилить, либо ослабить эффект. Можно ожидать, что вз-ствие двух волн, напр. w и 2w, максимально, а следовательно, максимальна и перекачка энергии от осн. волны w к гармонике 2w, если их фазовые скорости равны (условие фазового синхронизма). С квант. точки зрения, это условие соответствует закону сохранения импульса k при слиянии или распаде фотонов. Для трёх волн условия синхронизма имеют вид: k3=k1+k2, где k1 k2 и k3 — импульсы фотонов (в ед. n).

Равенство фазовых скоростей волн на разных частотах имеет место лишь в среде без дисперсии (см. ДИСПЕРСИЯ ВОЛН). Однако выяснилось, что отсутствие дисперсии можно имитировать, используя вз-ствие волн разной поляризации в анизотропной среде, в частности в кристаллах (рис. 2). В нек-рых кристаллах есть направления, вдоль к-рых фазовая скорость одинакова для основной обыкновенной волны и необыкновенной волны 2-й гармоники (см. КРИСТАЛЛООПТИКА и рис. 2). Этот метод резко повысил эффективность нелинейных волновых взаимодействий. Если в 1961 кпд оптических удвоителей частоты составлял 10-10—10-12, то современные удвоители имеют кпд -0,8.

Оптич. умножители частоты используются для преобразования излучения ДВ лазеров в излучение KB диапазонов. Обычно для этой цели служат процессы генерации 2-й и 3-й гармоник, но в нек-рых случаях интерес представляют и нелинейные явления более высокого порядка. Благодаря нелинейной поляризации n-го порядка P(n)=c(n)ЕN световая волна частоты w возбуждает n-ю гармонику wn=nw, и при достаточно больших n использование умножения частоты позволяет сразу продвинуться достаточно далеко в KB область спектра.

Рис. 3. Энергетич. схема генерации 5-й и 7-й оптич. гармоник в атомах Не; горизонтальными штрихами отмечены положения энергетич. уровней атома Не, заштрихована область сплошного спектра.

Однако нелинейные восприимчивости c(n) быстро уменьшаются с ростом n(c(n)=1/E(n-1)a), и поэтому для получения заметного нелинейного эффекта необходимы достаточно мощные световые пучки. Предел здесь определяется не мощностью лазеров, а конкурирующими нелинейными явлениями в в-ве и прежде всего его оптич. пробоем. Поэтому возможности использования высших нелинейностей в той или иной среде обусловливаются в первую очередь её лучевой прочностью. Т. к. эта величина возрастает по мере сокращения длительности лазерного импульса, то используются сверхкороткие импульсы длительностью 10-11—10-12 с.

В благородных газах или парах металлов предельные плотности мощности для пикосекундных лазерных импульсов значительно выше, чем в конденсиров. средах (1012—1013 Вт/см2). В этих условиях становится эффективной генерация 5-й и даже 7-й гармоник, обусловленная нелинейностями c(5) и c(7) (в газе отличны от нуля только нечетные члены в (2)). Указанные процессы были использованы для получения когерентного излучения в области далёкого вакуумного ультрафиолета. Мощные сверхкороткие лазерные импульсы с l=2661 нм возбуждали газообразный Не; на выходе кюветы с Не было зарегистрировано излучение 5-й (l=53,2 нм) и 7-й (l=38,02 нм) гармоник (рис. 3). Это пока кратчайшая длина волны когерентного излучения.

Самофокусировка света. Самовоздействия.

При мощности светового пучка, превышающей нек-рое критич. значение Ркр в среде, вместо обычной дифракц. расходимости первоначально параллельного пучка может наблюдаться его самосжатие. Величина Pкр различна для разных сред; для ряда органич. жидкостей Pкр=10—50 кВт; в нек-рых кристаллах и оптич. стёклах Ркр не превышает неск. Вт. Иногда, напр. при распространении излучения мощных импульсных лазеров в жидкостях, самосжатие носит характер «схлопывания» пучка, к-рое сопровождается настолько быстрым нарастанием интенсивности светового поля, что это может вызвать световой пробой, фазовые переходы и др. изменения состояния в-ва. В др. случаях, напр. при распространении излучения газовых лазеров непрерывного действия в стёклах, нарастание интенсивности поля также заметно, хотя и не является столь быстрым. Самосжатие в нек-ром смысле похоже на фокусировку пучка обычной линзой. Однако существенные различия наблюдаются за фокальной точкой; самосфокусированный пучок может образовывать квазистацнонарные нити (волноводное распространение), последовательность движущихся фокальных точек и т. п.

Рис. 4. Изменение хода лучей и самофокусировка света в среде с показателем преломления n, зависящим от интенсивности света; стрелками показан ход лучей; пунктир — поверхности постоянной фазы; сплошная линия — распределение интенсивности света.

Явление самофокусировки обусловлено тем, что в сильном световом поле изменяется показатель преломления среды (в опыте, изображённом на рис. 2 на вклейке к стр. 528, это происходит за счёт нагрева стекла лазерным излучением). Если знак изменения n таков, что область, занятая пучком, становится оптически более плотной, то периферийные лучи отклоняются к центру пучка (на рис. 4 изображены фазовые фронты и ход лучей в ограниченном пучке, распространяющемся в среде, с показателем преломления; n=n0+n2Е2, где n0 — постоянная составляющая, не зависящая от Е, а n2>0. Поскольку фазовая скорость света v=c/n=c/(n0+n2E2), а поле Е на оси больше, чем на периферии, то фазовые фронты изгибаются и лучи отклоняются к оси пучка. Такая нелинейная рефракция может быть столь существенной (её величина нарастает вместе с концентрацией поля), что практически полностью подавляет дифракц. расходимость.

В реальном лазерном импульсе мощность изменяется во времени и соответственно изменяется во времени фокальная длина нелинейной линзы. В результате возникает движущийся фокус. Скорость его движения может достигать 109 см/с. Учёт быстрого движения фокусов в сочетании с аберрациями нелинейной линзы во мн. случаях позволяет построить полную теорию явления самофокусировки.

Обратный эффект — с а м о д е ф о к у с и р о в к а возникает, если среда в области, занятой световым пучком, становится оптически менее плотной (n2<0). В этом случае мощный лазерный пучок расходится гораздо быстрее, чем пучок малой интенсивности. Самодефокусировка наблюдается при распространении мощных лазерных пучков в атмосфере. Нелинейные волновые явления типа самофокусировки и самодефокусировки, в к-рых частота почти не изменяется, наз. самовоздействием света (эффекты типа генерации гармоник и смешения волн наз. нелинейными вз-ствиями). Наряду с самовоздействием волн, модулированных в пр-ве, наблюдается также самовоздействие волн, модулированных во времени. Распространение лазерного светового импульса в среде с показателем преломления вида: n= n1+n2E2 сопровождается искажением его формы и фазовой модуляцией.

Рис. 5. Нитевидные разрушения оптич. стекла в поле мощного лазера; тонкая нить — след самофокусиров. светового пучка.

В результате возникает сильное уширение спектра излучения и ширина спектра на выходе из среды в сотни и тысячи раз превышает ширину спектра на входе (самомодуляция). Эффекты самовоздействия определяют осн. черты поведения мощных световых пучков в большинстве сред, включая и активные среды самих лазеров. В частности, лавинное нарастание интенсивности светового поля при самофокусировке вызывает во мн. случаях оптич. пробой среды (рас. 5).

Самопросветление и нелинейное поглощение.

Среды, непрозрачные для слабого излучения, могут стать прозрачными для высокоинтенсивного излучения (просветление), и, наоборот, прозрачные материалы могут «затемняться» по отношению к мощному излучению (нелинейное поглощение). Это объясняется зависимостью коэфф. поглощения от интенсивности света. Если интенсивность резонансного (по отношению к поглощающей среде) излучения велика, существенная доля ч-ц среды переходит из основного в возбуждённое состояние и населённости её верх. и ниж. уровней выравниваются. Наступает т. н. насыщение резонансного перехода (стационарное или квазистационарное), в результате к-рого среда перестаёт поглощать, т. е. становится прозрачной для данного резонансного излучения. Именно этот механизм просветления среды изучался в работах Вавилова (см. выше).

Рис. 6. Схема пикосекундного спектрометра, предназначенного для резонансной спектроскопии первичных стадий процесса фотосинтеза. Сверхкороткие импульсы 2-й гармоники лазера на алюмоиттриевом гранате YAG с примесью Nd (l=0,53 мкм) возбуждают два перестраиваемых параметрич. генератора (ПГС) на кристаллах КДР и LiNbO3. Такие генераторы позволяют получить мощные сверхкороткие импульсы длительностью =1011 с на любой длине волны в диапазоне 0,66—2,7 мкм. При изучении кинетики фотосинтеза генератор на кристалле КДР использовался для селективного возбуждения фотореакц. центров, а другой— для зондирования наведённых изменений поглощения.

Для получения эффекта насыщения в стационарных условиях необходима затрата нек-рой энергии, поэтому просветление среды сопряжено с определёнными потерями энергии светового пучка.

В поле коротких световых импульсов, длительность к-рых меньше характерных времён релаксации среды (для газов =10-7—10-8с, для конденсиров. сред =10-11—10-12 с), наблюдается эффект просветления др. типа, наз. эффектом самоиндуцированной прозрачности. В этом случае короткий мощный световой импульс проходит через среду, вообще «не успев» поглотиться (слабое же квазинепрерывное излучение той же частоты может поглотиться этой средой практически полностью). Результатом вз-ствия такого очень короткого светового импульса со средой оказывается резкое уменьшение групповой скорости распространения светового импульса и изменение его формы. Эффекты нелинейного поглощения связаны с тем, что при вз-ствии интенсивного излучения частоты w0 с ч-цами заметную вероятность имеют многофотонные процессы.

Н. о. и нелинейная спектроскопия.

Практически все осн. нелинейные оптич. явления (генерация гармоник и смешение частот, самофокусировка, самодефокусировка и самомодуляция лазерных пучков, нелинейное поглощение и просветление, самоиндуцированная прозрачность и т. п.) легли в основу спектроскопич. методов, применяемых для исследования газов, жидкостей и тв. тел — методов нелинейной спектроскопии.

Прикладная Н. о.

Круг вопросов, связанных с использованием явлений Н. о. для создания новых источников когерентного оптич. излучения, преобразования частоты, детектирования, преобразования сигналов и изображений. Созданы мощные генераторы на длинах волн l=0,34 мкм (2-я гармоника рубинового лазера) и на 2-й гармонике лазера на стекле с примесью Nd. Пром-сть выпускает оптич. умножители частоты, предназначенные для преобразования частоты лазеров на неодимовом стекле или на алюмоиттриевом гранате с примесью Nd (l=1,06 мкм), позволяющие получить мощное когерентное излучение на волнах l=0,53 мкм (2-я гармоника), l=0,35 мкм (3-я гармоника) и l=0,26 мкм (4-я гармоника). Для этой цели подобраны кристаллы, обладающие высокой нелинейностью (большими значениями c) и удовлетворяющие условиям фазового синхронизма.

Др. важный класс нелинейных оптич. устройств — перестраиваемые по частоте параметрические генераторы света. В основе их действия лежат нелинейные оптич. явления, связанные с нелинейностью, квадратичной по полю. В среде с поляризацией P=c(2)E2 наряду со «слиянием» фотонов (генерацией гармоник и суммарных частот) возможен обратный процесс — когерентный «распад» фотона частоты W на два фотона, частоты к-рых w1 и w2 удовлетворяют условию W=w1+w2. Процесс идёт эффективно, если одновременно выполнены условия волнового синхронизма: kW=k1+k2. На этом принципе основано действие параметрич. генератора света. При фиксированной частоте W (частоте накачки) частоты w1 и w2 можно варьировать в широких пределах (сохраняется лишь их сумма), изменяя параметры среды, влияющие на выполнение условий синхронизма. Параметрич. генератор света — удобный источник перестраиваемых по частоте сверхкоротких световых импульсов. На рис. 6 показана схема пикосекундного спектрометра с двумя параметрич. генераторами света (ПГС), применяемого в биологии. Нелинейные преобразователи частоты используются здесь для изучения процесса трансформации энергии оптич. возбуждения сложными мол. комплексами.

Методы Н. о. открывают новые возможности для создания корреляц. спектрографов и спектрографов с пространств. разложением спектра (см. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ, ФУРЬЕ СПЕКТРОСКОПИЯ). На рис. 7 изображена схема нелинейного спектрографа с пространств. разложением спектра, в котором используется то обстоятельство, что д и с п е р с и я н а п р а в л е н и й с и н х р о н и з м а в нелинейных кристаллах может быть сильнее, нежели обычная дисперсия.

Рис. 7. Схема нелинейного спектрографа с пространств. разложением спектра. Частоты спектр. линий исследуемого источника wx+Dw складываются в нелинейном кристалле с частотой вспомогат. источника (генератора «накачки») wн. На выходе кристалла интенсивное излучение суммарной частоты wн+wх может наблюдаться только внутри весьма узкого угла, для к-рого выполняется условие волнового синхронизма.

Спектральный анализ в этом случае сопровождается увеличением частоты света (что особенно важно при спектр. исследованиях в ИК области) и усилением исследуемого сигнала.

Преобразование сигналов и изображений. Эффект сложения частот, лежащий в основе действия описанного спектрографа, находит также применение при регистрации слабых сигналов в ИК диапазоне. Если частота wх лежит в ИК диапазоне, а wн — в видимом, то в видимый диапазон попадает и суммарная частота wн+wх, причём коэфф. преобразования может быть ->1. В видимом же диапазоне регистрация сигнала производится с помощью высокочувствит. фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Т. о., система из нелинейного кристалла, в к-ром происходит сложение частот, и ФЭУ — чувствительный приёмник ИК излучения, применяемый, напр., в астрономии. Методы Н. о. стали использоваться в адаптивной оптике (см. ОБРАЩЁННЫЙ ВОЛНОВОЙ ФРОНТ).

Заключение. С ростом напряжённости светового поля обнаруживаются всё новые нелинейные процессы. На первом этапе развития Н. о. использовался диапазон l от 1,06 до 0,3 мкм. Переход к ИК-лазерам привёл к открытию нелинейности, связанной с поведением носителей заряда в полупроводниках (в видимом диапазоне она практически не проявляется). При помощи мощных источников УФ излучения стали возможны исследования нелинейного поглощения в диэлектрич. кристаллах с широкой запрещённой зоной и жидкостях, умножение частоты в области вакуумного УФ и мягкого рентгеновского излучения. Уже наблюдались когерентные нелинейные эффекты в рентгеновской области.

Успехи Н. о. стимулировали исследования нелинейных явлений в физике плазмы, акустике, радиофизике и вызвали интерес к общей теории нелинейных волн. В связи с Н. о. появились новые направления исследования в физике тв. тела и жидкостей, связанные с изучением их нелинейных св-в и оптич. прочности.

нелине́йная о́птика

раздел оптики, в котором исследуется совокупность оптических явлений, наблюдающихся при взаимодействии интенсивных световых полей с веществом. Сильное световое поле изменяет оптические свойства среды; в частности, поляризация среды начинает нелинейно зависеть от напряжённости электрического поля световой волны. В нелинейной оптике исследуются и используются многофотонные процессы, преобразование частоты света, вынужденные комбинационное рассеяние света и Мандельштама—Бриллюэна рассеяние, самофокусировка света, обращение волнового фронта и др. На основе нелинейной оптики создают параметрические генераторы света (с перестраиваемой частотой), оптические модуляторы и др.

* * *

НЕЛИНЕ́ЙНАЯ О́ПТИКА, раздел оптики, в котором исследуется совокупность оптических явлений, наблюдающихся при взаимодействии интенсивных световых полей с веществом. Сильное световое поле изменяет оптические свойства среды, в частности поляризация среды начинает нелинейно зависеть от напряженности электрического поля световой волны. В нелинейной оптике исследуются и используются многофотонные процессы, преобразование частоты света, вынужденные комбинационное рассеяние света и Мандельштама — Бриллюэна рассеяние, самофокусировка света, обращение волнового фронта и др. На основе нелинейной оптики созданы параметрические генераторы света (с перестраиваемой частотой), оптические модуляторы и др.

раздел оптики, занимающийся изучением явлений, обусловл. оптич, нелинейностью среды, в к-рой распространяется свет (см. Нелинейная среда). Нелинейные оптич. эффекты среды существенны при очень больших плотностях световой энергии, соответствующих, напр., излучению лазеров. Примеры нелинейных оптич. эффектов: возрастание показателя преломления среды при увеличении интенсивности света, благодаря чему происходит самофокусировка пучков света, испускаемых мощными лазерами; "просветление" нек-рых поглощающих сред, т. е. уменьшение их коэфф. поглощения при увеличении интенсивности света; самомодуляция света в нелинейной среде, т. е. возникновение гармоник с частотами, кратными частоте исходной монохроматич. волны, и суммарных и разностных гармоник при воздействии излучения с разными длинами волн. Группу нелинейных оптич. эффектов, возникающих под действием излучения мощных лазеров, составляют многофотонные процессы. При многофотонном поглощении в одном акте взаимодействия света с атомом, молекулой или др. квантовой системой одновременно поглощаются 2 и более фотона. Поэтому поглощение света системой с уровнями энергии W₁ и W₂>W₁ может происходить не только для частот света, близких к V₁₂ = (W" - - W₁)/h (h - Планка постоянная), но также для частот v₁₂/2 (двухфотонное поглощение), v₁₂/3 (трёх-фотонное поглощение) и т. д. При многофотонном фотоэффекте возможно осуществление эмиссии электронов из в-ва под действием света, частота к-рого значительно меньше красной границы v₀, существующей для обычного однрфотонного фотоэффекта (см. Фотоэффект внешний). К нелинейным оптич. явлениям относятся процессы вынужденного рассеяния света. Н. о. широко используется в квантовой электронике.

nonlinear optics

ottica non lineare

раздел оптики, в к-ром исследуется совокупность оптич. явлений, наблюдающихся при взаимодействии интенсивных световых полей с в-вом. Сильное световое поле изменяет онтич. свойства среды; в частности, поляризация среды начинает нелинейно зависеть от напряжённости электрич. поля световой волны. В Н. о. исследуются и используются многофотопные процессы, преобразование частоты света, вынужденные комбинационное рассеяние света и Мандельштама - Бриллюэна рассеяние, самофокусировка света, обращение волнового фронта и др. На основе Н. о. созд. параметрич. генераторы света (с перестраиваемой частотой), оптич. модуляторы и др.