ОБРАЩЁННЫЙ ВОЛНОВОЙ ФРОНТ

ОБРАЩЁННЫЙ ВОЛНОВОЙ ФРОНТ

       

Если направления распространения двух волн прямо противоположны, а пространств. распределения фаз и амплитуд этих волн идентичны, то их волновые фронты наз. обращёнными по отношению друг к другу. Напр., волновой фронт сферич. волны, расходящейся от источника, является обращённым по отношению к фронту сферич. волны, сходящейся к тому же источнику. В более общем случае О. в. ф. по отношению к фронту исходной волны:

?1(x, у, z)=A(x, у, z)Xcos(wt+j(x, у, z)), (1)

где х, у, z — пространств. координаты, t — время, А (х, у, z) — амплитуда колебаний, w — частота, j(х, у, z) — фаза, имеет волна:

?2(х, у, z)=ВА(х, у, z)cos(wt-j(х, у, z)+j0). (2)

Здесь В и j0 — произвольные константы (рис. 1). В комплексном представлении (см. КОМПЛЕКСНАЯ АМПЛИТУДА)

?1=Re(E(x, у, z)еiwt); ?2=Re(const E*(x, y, z)еiwt), (3)

где Е и Е* — комплексно сопряжённые ф-ции. Поэтому волны ?1 и ?2 наз. также с о п р я ж ё н н ы м и, или ф а з о в о-с о п р я ж ё н н ы м и.

Волна с О. в. ф., распространяясь сквозь прозрачную среду, идёт в обратном направлении в точности по пути исходной волны, каким бы сложным он ни был (см. ОБРАТИМОСТИ ТЕОРЕМА). Это св-во обращённой волны создаёт уникальные возможности для решения ряда практически важных задач: компенсации аберраций оптических систем, создания мощных лазерных устройств с предельно высокой направленностью излучения, передачи световой энергии на большие расстояния, оптич. обработки информации, самонаведения излучения на мишень и др.

Направленность излучения, генерируемого в мощных лазерных системах, в основном ограничивается искажениями в оптич. элементах: аберрациями линз, неоднородностями оптич. материалов, воздуха и др., неоднородностями в усиливающей (активной) среде лазеров. Величина неоднородностей, как правило, возрастает по мере увеличения мощности лазеров.

Рис. 1. Амплитудно-фазовое распределение исходной и обращённой волн: тонкая линия — волн. фронт исходной волны, толстая — фронт обращённой волны; длина стрелок пропорц. амплитуде волны в данной точке, а их ориентация показывает направление распространения.

Использование О. в. ф. позволяет получать в системах с оптически неоднородными элементами пучки света с почти плоским волн. фронтом, т. е. с направленностью, ограниченной лишь дифракцией. Для этого слабую световую волну с плоским волн. фронтом (рис. 2, а) пропускают сквозь лазерный усилитель и затем подвергают обращению.

Рис. 2. Фотографии световых пучков (поперечные сечения в фокальной плоскости линзы): а — исходный слабый пучок; б — однократно усиленный пучок; в — обращённый, повторно усиленный пучок (масштаб всех фотографий одинаков).

По мере распространения исходной волны в усилителе её амплитуда растёт, но одновременно накапливаются искажения волн. фронта и соотв. ухудшается направленность (рис. 2, б). Обращённая волна, распространяясь сквозь усилитель в обратном направлении, также усиливается, а её волн. фронт постепенно выправляется, всюду повторяя форму фронта исходной волны.

В результате все аберрации компенсируются, и на выходе системы фронт дважды усиленного пучка становится практически плоским (рис. 2, в).

Рис. 3. Схема лазерной системы с самонаведением излучения на мишень; стрелки указывают направление распространения волн, их длина пропорц. амплитуде.

В нек-рых случаях необходимо концентрировать лазерное излучение на площади с малыми угловыми размерами, напр. на мишени, нагреваемой светом для получения высокотемпературной плазмы (см. ЛАЗЕРНАЯ ПЛАЗМА). При этом положение мишени в пр-ве может меняться неконтролируемым образом. О. в. ф. обеспечивает автофокусировку (самонаведение) излучения на мишень. Мишень подсвечивается широким пучком слабого вспомогат. лазера (рис. 3). В результате она становится источником вторичной световой волны, возникающей за счёт отражения или рассеяния лазерного света. Часть этой волны попадает на линзу, направляющую её в лазерный усилитель. Усиленная волна поступает в устройство, осуществляющее обращение волн. фронта (инвертор). Обращённая волна, распространяясь в обратном направлении, последовательно проходит усилитель и линзу и концентрируется точно на мишени. Самонаводящаяся система может быть многоканальной, и тогда на мишени будет концентрироваться излучение от многих параллельно работающих усилителей.

О. в. ф. можно получить в результате отражения исходной волны от зеркала, поверхность к-рого совпадает с её волн. фронтом. О. в. ф. в этом случае формируется за счёт того, что поверхность зеркала в любой точке перпендикулярна направлению распространения исходной волны, и поэтому отражение меняет его на прямо противоположное, не изменяя амплитудного распределения.

Известны и др. способы обращения: О. в. ф. получают посредством параметрич. усиления света (см. НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА), методами голографии, при вынужденном рассеянии света и т, д. Голографич. способ получения волны с О. в. ф. по отношению к предметной волне состоит в записи голограммы предметной волны с помощью нек-рого опорного пучка и в считывании этой голограммы пучком, обращённым по отношению к опорному. Для обращения нестационарных волн используют динамические голограммы, в которых запись и воспроизведение осуществляется одновременно.

Принципиально по-иному происходит обращение (точнее, самообращение) волн. фронта при вынужденном рассеянии света, в частности при вынужденном Мандельштама — Бриллюэна рассеянии. Необходимым условием обращения в этом случае явл. пространств. неоднородность исходной волны. В нелинейной среде под действием света с пространственно-неоднородной интенсивностью возникает пространственно-неоднородное распределение коэфф. усиления рассеянных световых волн. В спонтанно рассеянном свете присутствуют волны всевозможных конфигураций. Волна с О. в. ф. обладает преимущественным усилением по сравнению с остальными, т. к. только у неё максимумы интенсивности всюду в среде совпадают с максимумами интенсивности возбуждающего света. Этот фактор в сочетании с громадным общим усилением, характерным для вынужденного рассеяния света (=1011), приводит к тому, что обращённая волна резко выделяется на фоне остальных, и в ней концентрируется практически вся энергия рассеянного излучения.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.