Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Ефект затемнення середовища




Доверь свою работу кандидату наук!
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Якщо різниця між енергетичними рівнями атома і дорівнює 2, то такі атоми не можуть поглинати фотони з енергією і середовище буде прозорим для світла з частотою ν. Але при великій інтенсивності падаючого випромінювання стає можливим поглинання одночасно двох фотонів, їх сумарна енергія якраз і буде дорівнювати різниці енергетичних рівнів, і прозорість середовища різко зменшується. Саме це і спостерігали вперше С.І.Вавилов і В.Л.Левшин ще у 1926 році. Вони виявили зменшення коефіцієнта поглинання уранового скла при проходженні світла від яскравої іскри (лазерів тоді ще не було).

Розглянуті нелінійно-оптичні ефекти мають ряд практичних застосувань: лазери регульованої частоти, генератори потужних гармонічних і комбінованих частот, перенесення інфрачервоної спектроскопії у видиму область, збудження гіперзвуку, двофотонне накачування напівпровідникових лазерів, дія на плазму та вакуум.

Це явище називається самоканалізацією (автокаллімацією). Яка ж його суть?

Пучок світла, навіть ідеально сколімірований, після проходження апертури виявляє слабку розбіжність, що виникає внаслідок відхилення світла на апертурі. Ми вже знаємо, що кут розбіжності досягає α=1,22 \D при круглій апертурі діаметром D. Цей вираз справедливий для пучка, що поширюється у вакуумі й, можливо, у повітрі. Якщо пучок світла поширюється в середовищі з коефіцієнтом заломлення n, то швидкість його поширення зменшується в n разів. У стільки ж разів зменшується довжина хвилі. Вираз для розбіжності пучка тоді набуває вигляду

α=1,22 \nD , 6.14

де , як і вище, означає довжину хвилі у вакуумі.

Нехай світло поширюється всередині конуса, що слабко розширюється, і якщо воно має дуже велику потужність (порядку мегаватів на сантиметр), то воно викликає підвищення коефіцієнта заломлення на своєму шляху.

 

Утворення каналу самоканалізації.

 

 


Рис. 6.3

 

Промені, заломлені на апертурі А під кутом а, якщо він менше 90°– , підкоряються повному відбиттю й не виходять за межі канала. n – коефіцієнт заломлення середовища, – коефіцієнт заломлення середовища в каналі, – граничний кут повного відбиття.

Створюється ситуація (рис. 6.3), де світловий конус практично не відрізняється від циліндра, що являє собою діелектричний хвилевід з коефіцієнтом заломлення поміщений у середовище з коефіцієнтом заломлення n. Він має таку властивість, що будь-який промінь, що падає на його стінки під кутом, більшим критичного кута , піддається повному внутрішньому відбиттю й не виходить за межі хвилеводу. Цей кут повинен відповідати умові повного відбиття світла

6.15

Якщо усередині апертури А промінь преломлюється під максимальним кутом α стосовно напрямку осі пучка, то при виконанні умови

6.16

жоден із заломлених променів не вийде за межі хвилевода. Пучок буде мати форму циліндра, і розбіжності не буде.

Коли може бути виконана умова (6.16)? Тоді, коли співвідношення буде достатньо великим, або коли пучок світла буде мати досить більшу потужність Р.

Визначимо Р. Щільність енергії в електричному полі Е виражається відомою з електростатики величиною ½ Е2. Світлова енергія переноситься в середовищі зі швидкістю , рівної (с – швидкість світла у вакуумі, коефіцієнт заломлення середовища). Потік потужності, який проходить через одиницю площі перетину вихідного пучка, досягає

де Е0 – амплітуда напруженості електричного поля. Оскільки площа перетину пучка дорівнює πD2/4, повна потужність пучка світла становить

Цей пучок світла, маючи велику потужність, впливає своїм електричним полем на коефіцієнт заломлення середовища. Припустимо, що

nE=n+n2E2 6.17

де коефіцієнт нелінійності n2 — те ж саме, що й А у вираженні (*). Це означає, що коефіцієнт заломлення величиною n при відсутності поля (точніше, коли поле хвилі досить слабке, щоб можна було зневажити його впливом на величину n) зростає до значення

,

коли поле хвилі дорівнює Е. Якщо змінну величину nE усереднимо у часі, то одержимо значення ефективного коефіцієнта заломлення

6.18

Прийнявши, що канал самоканалізації заповнений середовищем з коефіцієнтом заломлення nеф, одержимо вираз для потужності світлового пучка

6.19

Крім того, для оптичного хвилевода повинна виконуватись умова (6.16): , або , або з умовою співвідношення (6.15) . Так як кут α дуже маленький, що слідує з виразу (6.14), то можливо записати , звідки . Використовуючи вираз (6.18), запишемо .

Для променей, які заломлюються всередині оптичного хвилеводу, використовуємо вираз (6.14) з коефіцієнтом заломлення ; отримаємо

Виразимо Е через Р з рівняння (6.19) і отримаємо

 

6.20

 

 

Така умова самоканалізації, яка повинна бути виконана для того, щоб заломлені хвилі не змогли покинути пучка.

Підраховуючи з одержаних співвідношень величину критичної потужності (для =0,7. 10-4 см), одержимо Ркр ≈7МВт. Таку і навіть більшу потужність можна одержати від рубінового лазера.

Цікавою особливістю умови (6.20) є той факт, що в рівняння не входить діаметр пучка. Звідси випливає, що при перевищенні величини критичної потужності самоканалізація можлива при будь-якому діаметрі пучка. Але цей факт не підтверджено дослідним шляхом. Пучок лазерного світла з потужністю, яка перевищує критичну, фокусується в прозорому середовищі особливим способом: із фокуса виходить вже не розбіжний пучок світла, а лише тонкий світловий канал надзвичайно малого діаметра, порядку декілька десятків довжин хвиль світла.


Рис.6.4 Явище самоканалізації:

1 – рубіновий лазер, який вилучає гігантські імпульси потужністю порядку 10 МВт; 2 – лінза; 3 – прозоре тіло, тверде або рідке; 4 – канал самоканалізації.

 

Всередині цього каналу електричне поле настільки сильне, (порядку 10 В/см), що вздовж нього в твердому середовищі, наприклад, склі, з’являються порушення, які залишаються в матеріалі у вигляді помутнінь, ниток і бульбашок.

 


 

Рис. 6.5. Фотозйомки канала самоканалізації:

а – в циклогіксані; б – у воді; в – видно електричний пробій: у фокусі утворилась шарова плазма блакитного свічення. Цікавий випадок самоканалізації всередині рідини показано на рисунку 6.5 а і б, в цьому досліді автори використовували пучок світла потужністю 20 МВт від рубінового лазера з модульованою добротністю резонатора.

Канал самоканалізації утворюється у вигляді дуже тоненької нитки. Іноді утворюється дві або три нитки. Потужність, яка передавалась по каналу, досягає 0,2 МВт.

Велика кількість фактів, які пов’язані з самоканалізацією, поки ще не з’ясована. Передусім не вияснено, в якій залежності знаходиться діаметр каналу від потужності пучка? Який механізм появи каналу? За яким законом змінюється в каналі і n ?

В даний час відкрито ще декілька явищ, обумовлених взаємодією світлових хвиль великої потужності з речовиною. Наприклад, відкритий новий метод сумісництва коефіцієнтів заломлення, зміщення частот, у тому числі оптичних; двостороннє збудження, розсіяння в аптістоксовий бік; оптичний метод генерації ультразвукових хвиль та інші.

Велику групу нелінійних явищ зручніше пояснювати з квантових позицій. Тому їх зручніше вивчати в розділі «Квантова фізика»







Дата добавления: 2014-11-12; просмотров: 651. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2022 год . (0.024 сек.) русская версия | украинская версия