Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство
Шрифт:
Но при воздействии на вещество мощного излучения лазера ситуация изменяется. Этого нельзя было предвидеть исходя из многовекового опыта обычной линейной оптики. Конечно, явления, известные ранее, не исчезли. Лазерное излучение, взаимодействуя с атомами, точнее, с электронами атомов, входящих в молекулы вещества, рассеивается в стороны. При этом в рассеянном излучении содержатся не только частоты первоначального лазерного излучения, но и комбинационные частоты. Словом, при применении лазерного источника сохраняются все особенности рассеянного света, изученные Мандельштамом и Ландсбергом, Раманом и Кришнаном.
Новой является только большая интенсивность рассеянного света. Но в этом нет ничего неожиданного, это предвидел Вавилов, изучением этого занимался Хохлов. Ведь интенсивность излучения лазера
При этом излучение лазера, рассеянное атомами, входящими в молекулы, действуя на эти же атомы совместно с первоначальным лазерным излучением, раскачивает их.
Здесь начинается самое интересное: переход от линейной оптики к нелинейной. Линейная оптика говорит, что интенсивность колебаний атомов в молекулах вещества служит постоянным множителем пропорциональности между падающим и рассеянным излучением. Нелинейная оптика замечает: это справедливо только при малых мощностях. При больших мощностях постоянный множитель пропорциональности превращается в переменную величину, зависящую от мощности падающего и рассеянного излучения. Причем этот ранее постоянный множитель растет вместе с мощностью излучения. Так замыкается цепочка. Увеличение мощности рассеянного излучения приводит к дальнейшему увеличению рассеяния. Именно эта особенность отражена в названии «вынужденное рассеяние». Рассеяние мощного лазерного излучения, воздействуя на вещество, создает условия для возникновения все более мощного рассеяния. Пропорциональность, то есть простая линейная зависимость мощности рассеиваемого излучения от мощности падающего излучения, заменяется более сложной нелинейной зависимостью.
Самовоздействие
При взгляде со стороны на луч достаточно мощного лазера, проникающий в прозрачное вещество, видно, что яркость рассеянного излучения возрастает по мере его углубления в вещество. Конечно, такое возрастание не безгранично. Ведь энергия лазерного излучения постепенно расходуется, порождая рассеянное излучение. Поэтому процесс постепенно становится все менее и менее эффективным. Физики говорят — процесс идет с насыщением. Возрастание интенсивности рассеиваемого излучения постепенно замедляется, а затем уступает место ослаблению, по мере того как все более расходуется энергия излучения, исходящего из лазера.
Основываясь на нелинейной оптике, физики использовали вынужденные рассеяния для создания новых оптических приборов, открывших удивительные возможности.
Один из таких приборов назван ВКР-лазером, т. лазером на вынужденном комбинационном рассеянии. Для создания такого лазера оказалось достаточным поместить прозрачную жидкость, газ или твердое тело внутрь оптического резонатора и облучить его достаточно мощным лазером. Резонатор должен быть настроен на частоту одной из компонент комбинационного рассеяния, определяемой разностью частоты, излучаемой лазером, и одной из частот колебаний молекул выбранного прозрачного вещества. Рассеянное излучение, многократно отражаясь от зеркал резонатора, каждый раз способствует увеличению интенсивности рассеяния именно этого же излучения. В результате мощность рассеянного таким образом излучения лавинообразно возрастает, как возрастает мощность излучения обычного лазера, когда в нем начинается процесс генерации излучения. Возникающее вынужденное комбинационное излучение обладает всеми характерными признаками лазерного излучения, его узкой направленностью, его высокой когерентностью, то есть способностью к образованию четких интерференционных полос. Таким образом ВКР-лазеры способны создавать излучение, не отличающееся от излучения обычных лазеров, причем создавать его и на тех частотах, для которых не существует обычных лазеров.
Самовоздействие рассеянного излучения возникает не только в процессе комбинационного рассеяния, но и при рассеянии других типов, например при рассеянии, предсказанном Мандельштамом в 1918 году, а затем независимо изученном Л. Бриллюэном. Это вынужденное рассеяние возникает только при больших лазерных мощностях падающего излучения и не может быть получено при помощи нелазерных источников. Его называют вынужденным излучением Мандельштама — Бриллюэна.
Как и обычное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, оно вызвано хаотическими (тепловыми) процессами в прозрачных веществах. Здесь имеются в виду хаотические движения, в которых каждая молекула участвует как целое. Конечно, и в этом случае свет взаимодействует непосредственно с электронами, входящими в атомы, а атомы (или ионы) входят в состав молекул и колеблются относительно центров масс соответствующих молекул. Эти колебания, как известно, проявляются в процессах Комбинационного рассеяния (свободного и вынужденного).
В рассеянии Мандельштама — Бриллюэна существенны те движения, в которых молекула участвует как единое целое, это движения ее центра масс. Они проявляются в форме местных изменений плотности при случайных возникновениях небольших сжатий и разрежений. Такие сжатия и разрежения могут быть следствием звуковых, сверхзвуковых или даже гиперзвуковых волн, движущихся внутри вещества. Если даже не возбуждать каким-либо регулярным образом звуковые (гиперзвуковые) волны, то тем не менее в веществе постоянно возникают и исчезают случайные флуктуационные волны, проявляющие свое присутствие только в форме местных изменений плотности вещества.
Наряду с такими флуктуациями плотности внутри вещества всегда существуют флуктуации температуры, флуктуации теплоемкости и других величин, средние значения которых характеризуют внутреннее состояние вещества.
Рассеяние, возникающее при больших мощностях лазерного излучения, повышает интенсивность хаотических процессов в веществе, интенсивность флуктуации всех этих величин, что в свою очередь увеличивает рассеяние излучения. При этом тоже возникает самовоздействие, в результате чего любое увеличение рассеяния приводит к его дальнейшему возрастанию.
Отличается ли вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна от вынужденного комбинационного рассеяния?
Да, отличается. Попробуем найти физическую причину наблюдаемого различия. Величина молекул много меньше длины световой волны. Поэтому на расстояниях, соизмеримых с длиной волны, излучение взаимодействует со множеством атомов, входящих в молекулы, находящиеся в различных состояниях внутренних колебаний. В отличие от этого, масштабы тепловых флуктуации, в которых молекулы участвуют как целое, много больше размеров молекул, а их возникновение и рассасывание происходит более медленно. При этом внутримолекулярные колебания не проявляют свои особенности, а возникающие более плавные неоднородности лишь незначительно влияют на длину волны рассеянного излучения. При лазерных мощностях и обратное влияние — самовоздействие — имеет соответственно плавную пространственную структуру. Такое самовоздействие возникает вследствие совместного влияния на вещество двух световых полей, обладающих малым различием длин волн.
Легко представить, что происходит, если рассеяние такого типа претерпевает плоская световая волна, то есть волна, гребни и впадины которой образуют в пространстве систему параллельных поверхностей. При этом рассеиваемые волны тоже имеют структуру множества параллельных плоскостей. Но так как скорости распространения рассеянных волн вследствие различия длин этих волн различны, то первичные волны обгоняют рассеянные волны или отстают от них. В результате сложения с рассеянными волнами первичные волны частично отражаются и поворачивают обратно к возбудившему их источнику. Рассеяние такого типа называют обратным рассеянием. По мере увеличения мощности падающего лазерного излучения вынужденное рассеяние назад становится преобладающим. Волны, возбуждаемые лазером, проникают в вещество лишь на небольшую глубину, а затем поворачивают обратно и выходят из вещества так, как если бы они встретили на пути зеркало.