6.3. Нелинейные эффекты в оптике

Распространение в среде световых волн, излучаемых обычными источниками света, описывается линейными дифференциальными уравнениями (линейная оптика), что означает независимость оптических характеристик среды от интенсивности света. Создание лазеров сделало возможным получение световых волн с напряженностью электрического поля, сравнимой по величине с напряженностью микроскопического внутриатомного поля (порядка  В/м). В таких полях показатель преломления и другие оптические характеристики среды обнаруживают зависимость от напряженности поля световой волны. В этом случае нарушается принцип суперпозиции полей, то есть принцип независимого распространения электромагнитных волн в веществе, а соответствующие дифференциальные уравнения становятся нелинейными. Это приводит к существенному изменению характера протекания в среде известных оптических явлений, а также к возникновению совершенно новых, так называемых нелинейных эффектов в оптике. К ним относятся:

• нелинейное поглощение света (самопросветление и самозатемнение среды);
• преобразование частоты (генерация гармоник, параметрическая генерация и вынужденные рассеяния света);
• эффекты самовоздействия света (самофокусировка и самодефокусировка пучков);
• многофотонные процессы.

Нелинейный эффект насыщения поглощения света наблюдался задолго до появления лазеров. В 1923 г. С.И. Вавилов и В.Л. Левшин обнаружили уменьшение коэффициента поглощения света урановым стеклом с ростом интенсивности облучения. Этот первый нелинейно-оптический эффект объясняется тем, что вследствие сильного облучения значительная доля поглощающих частиц среды переходит в возбужденное состояние и уже не может далее поглощать свет.

Нелинейные эффекты преобразования частоты и самовоздействия света возникают вследствие того, что в поляризации среды появляется нелинейная составляющая, которая растет с увеличением интенсивности электромагнитной волны. Наличие такой нелинейной составляющей объясняется ангармонизмом колебаний частиц среды в поле мощной световой волны. Из-за этого ангар монизма отклик среды на гармоническое внешнее электрическое поле становится нелинейным, то есть перестает повторять форму внешнего воздействия. Таким образом, в электрическом поле, переизлученном атомами и молекулами вещества, появляются новые гармонические составляющие — происходит генерация высших оптических гармоник падающего на среду оптического излучения. Наибольшее распространение в практических приложениях имеет процесс генерации второй гармоники в «нелинейных кристаллах» со специально подобранными свойствами. Так, например, невидимое глазом ИК-излучение Nd:YAG-лазера с длиной волны   мкм в кристалле KDP (дигидрофосфата калия) преобразуется в зеленый свет с длиной волны  мкм.

Нелинейная поляризация среды является также причиной зависимости показателя преломления от интенсивности электромагнитной волны. Если показатель преломления увеличивается с ростом интенсивности световой волны, то лучи изгибаются к оси пучка, и при превышении некоторой критической мощности наблюдается явление самофокусировки света — расходящийся световой пучок становится сходящимся. Возможен и противоположный процесс самовоздействия света — самодефокусировка пучка, если показатель преломления уменьшается с ростом интенсивности волны.

При многофотонных процессах нелинейного взаимодействия оптического излучения с веществом в одном элементарном акте происходит одновременное поглощение (или испускание) двух и более фотонов. Вероятность таких процессов увеличивается с ростом интенсивности волны. Многофотонный фотоэффект или фотоионизация сопровождаются поглощением нескольких фотонов, энергия каждого из которых меньше работы выхода или энергии ионизации, соответственно. К нелинейным процессам взаимодействия со средой относится и явление комбинационного рассеяния света.

Можно продолжить перечисление процессов, таких, как нелинейное рассеяние света и т. п., происходящих при взаимодействии мощного лазерного излучения со средой. Таким образом, с появлением лазеров возникла новая область физики — нелинейная оптика.