ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНОВОГО ФРОНТА


ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНОВОГО ФРОНТА
ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНОВОГО ФРОНТА

- автоматич. <формирование с помощью разл. физ. механизмов и схемных решений т. н. обращённогопучка, в той или иной мере соответствующего обращённой во времени картинераспространения падающего (входного) пучка. Наиб. развитие и осн. перспективыприложений О. в. ф. связаны с лазерными пучками.
На первый взгляд, создание обращённогово времени движения в равной мере может осуществляться и в механике взаимодействующихчастиц, и в механике сплошной среды, и во всех др. физ. системах, где микроско-пич. <ур-ния движения ковариантны относительно замены знака времени. Однако дляподавляющего большинства физ. систем характерна сильная неустойчивостьповедения конкретных микротраекторий по отношению к малым возмущениям нач. <условий. В результате даже чрезвычайно точное одновременное и мгновенноеизменение знака всех обобщённых импульсов создаст картину обращённого движениялишь на небольшом интервале времени, после чего система станет необратимоэволюционировать в направлении роста энтроиии (см. Обращение времени).
Исключением являются системы с линейныминезатухающими колебаниями, а также волны в линейных недиссипативных средах. <При распространении светового пучка в линейной поглощающей среде (в общемслучае - пространственно неоднородной) сохраняются его энтропия, спектральнаятемп-pa, яркость и т. п. величины, что указывает на отсутствие неустойчивостейи на возможность обращения процесса.
Для монохроматич. световых полей

15009-63.jpg

систему ур-ний Максвелла в непоглощающейнемагн. среде с симметричным веществ. тензором диэлектрич.

проницаемости 15009-64.jpgможно свести к линейному ур-нию

15009-65.jpg

для комплексной амплитуды поля Е(К). Тогда матем. формулировка возможности существования обращённой волнысостоит в том, что любому решению ур-ния (2) можно поставить в соответствиеф-цию E2(R)= CE1*(R), к-рая будетрешением того же ур-ния (2) при любой комплексной константе 15009-66.jpgЗвёздочка означает операцию комплексного сопряжения:

15009-67.jpg

т. е. изменения знака пространственно зависящейфазы 15009-68.jpgполя; поэтому в англоязычной научной литературе для О. в. ф. в оптич. диапазонепринят термин optical phase conjugation - оптич. фазовое сопряжение.

Волновой фронт определяется как поверхностьпостоянной фазы волны,15009-69.jpgПоэтому формы волновых фронтов взаимно обращённых волн совпадают,15009-70.jpgа направления распространения противоположны (рис. 1), откуда и название- О. в. ф.

15009-71.jpg

Рис. 1. Волновые фронты встречных волн- падающей (1 )и обращённой (2)- совпадают.

При прохождении исходной, идеально направленнойкогерентной волны через среду из прозрачного материала с сильными неодиородностямипоказателя преломления направленность прошедшей волны во много раз ухудшается(рис. 2, а). Если на ту же среду с противоположной стороны направить волну, <точно обращённую по отношению к прошедшей через неё (рис. 2, б), то, всилу обратимости законов линейного распространения (см. Обратимоститеорема), обращённая волна в результате преломления на тех же неоднородностяхвыправится на обратном проходе до идеально направленной. Это необычноесвойство обращённой волны лежит в основе большинства приложений О. в. ф.(см. ниже).
15009-72.jpg

Рис. 2. Прохождение через оптически неоднороднуюсреду: а- идеально направленного пучка, б - обращённого к нему.

Наиб. просто обратить плоскую волну. Еслиизвестно направление её распространения п, то для обращения достаточноустановить плоское зеркало строго перпендикулярно п. Однако сферическуюволну плоским зеркалом обратить не удаётся: расходящейся сферич. волнедля обращения должна соответствовать сходящаяся к тому же источнику сферич. <волна. Для обращения волны произвольной структуры необходимо иметь зеркалос профилем, в точности совпадающим с профилем волнового фронта, т. е. длякаждой волны требовалось бы своё особое зеркало, способное менять своюформу (см. Адаптивная оптика).
Методы нелинейной оптики и динамическойголографии позволяют реализовать "зеркало", автоматически подстраивающеесяпод форму любой падающей волны так, чтобы отразить сигнал в форме обращённойволны. Существует ряд методов О. в. ф. с использованием нелинейнооптич. <сред. Один из двух наиб. распространённых методов - О. в. ф. при вынужденномрассеянии (ВР) света назад [1] (чаще всего - Мандельштама- Бриллюэна, ВРМБ).В этом случае в нелинейную среду (жидкость, сжатый газ, кристалл, волоконныйсветовод и т. п.) вводится квазимонохроматич. волна от лазера 15009-73.jpgк-рую предварительно пропускают через искажающий элемент (линзу, неоднороднуюфазовую пластинку и т. п.). Его назначение состоит в том, чтобы сделатьраспределение интенсивности волны EL в среде сильно неоднороднымкак по поперечным ( х, у), так и по продольной (z) координатам (рис.3). Мощность и энергия этой волны должны быть выше порога развития ВРМБ. <Порог определяется условием, чтобы очень слабый затравочный сигнал Is(0),появляющийся в результате спонтанного рассеяния, усилился за счёт ВРМБна длине среды z в очень большое число раз: Is(z)=Is(0)exp(gz) с gz15009-74.jpgG|EL|*15009-75.jpg25. Здесь G - константа, характерная для данной среды.

15009-76.jpg

Рис. 3. Схема обращения волнового фронтапри вынужденном рассеянии.

Инкремент нарастания . (см -1 )для разл. конфигураций рассеянных воли Es(x, у, z )вкаждом сечении z= const определяется интегралом их перекрытия спрофилем интенсивности падающей волны EL (x, у, z):

15009-77.jpg

Наиб. усиление испытывает такая волна Es(x,у), локальные максимумы к-рой всюду в пространстве совпадают с максимумамиволны EL(x, у). В процессе распространения из-за дифракциии интерференции каждое из полей EL (х, y, z Е s (х, у,z) меияет свою поперечную структуру. Если этиизменения достаточно глубоки, то единств. возможность сохранить во всёмобъёме согласованность неоднородностей интенсивности при их встречном распространениисостоит в том, чтобы рассеянное поле Es(x, у, z)exp(ikz )было сопряжённым к возбуждающему полю EL(x, у,z)exp(- ikz). В этих условиях интеграл перекрытия (3) для рассеянной волнывида Es(x, у, z) = A(z)EL*(x, у, z), т. <е. обращённой к падающей, оказывается в 1,5 - 2 раза больше, чем для всехостальных необращённых конфигураций рассеянных волн Es(x,у,z). Из-за огромного общего усиления(egz15009-78.jpg е 2615009-79.jpg2* 1011) даже относительно небольшое отличие инкремента необращённыхконфигураций приводит к практически полной их дискриминации на выходе изсреды. Т. о., при выполнении определ. условий [2] срабатывает дискриминац. <механизм О. в. ф. при ВРМБ и рассеянная назад волна оказывается обращённойкопией падающей волны.

15009-80.jpg

Другой широко распространённый метод О. <в. ф. основан на четырёхволновом смешении (ЧВС). В нелинейнооптич. средуодновременно подаются две точно встречные опорные волны [E1exp(ikz)+ E2 ехр( - ikz)] х 15009-81.jpgи сигнал 15009-82.jpgподлежащий обращению (рис. 4). Интерференционная картина полей Е 1 и Е 3 в нелинейной среде записывается в реальном масштабевремени в виде голограммы с пространственной модуляцией диэлектрическойпроницаемости 15009-83.jpgЭта голограмма тут же считывается с помощью второй опорной волны Е2 ехр(- ikz )и возбуждается четвёртая волна 15009-84.jpgточно обращённая (комплексно-сопряжённая) по отношению к падающему сигналу E3(R). К такому же результату приводит и второй процесс, <идущий одновременно и когерентно с первым: запись голографич. решёток, <пропорциональных E2E3*(R)exp( - ikz), и ихсчитывание первой опорной волной E1exp(ikz).
О. в. ф. при ВРМБ даёт пример самообращенияволнового фронта: ни к среде, ни к падающему пучку не предъявляются требованияна идеальное оптпч. качество, т. е. и среда может быть не идеально однородной, <и пучок может иметь расходимость больше дифракционной, - обращается любойволновой фронт. К тому же процесс ВРМБ практически не селективен к частотевозбуждающего излучения. К недостаткам этого метода О. в. ф. следует отнестипороговый характер самого процесса ВРМБ по мощности или энергии падающегопучка.
Достоинствами метода О. в. ф. при ЧВСявляются отсутствие порога по амплитуде обращаемого сигнала и возможностьполучить коэф. отражения в обращённую волну больше 1, т. е. |Е 4|23|2. Недостаток методa ЧВС - необходимость идеальнооднородной нелинейной среды, а опорные волны Е 1, и Е2 также должны быть идеально обращены друг к другу и обладать высокоймощностью. Последнее требование во многих нелинейных средах ведёт к заметнымискажениям из-за самофокусировки и нарушению взаимообращённости опорныхволн. В ряде случаев мощность опорных волн можно ослабить переходом к резонанснымсредам, а также к средам с медленно накапливающимся откликом (жидкие кристаллы, <фоторефрактнвпые кристаллы и т. п.).
Разработан ещё ряд методов О. в. ф.: трехволновоеО. в. ф. (при подаче опорной волны на частоте, удвоенной по отношению ксигналу); О. в. ф. нелинейно отражающей поверхностью (в т. ч. О. в. ф. <звука); О. в. ф. звука при однородной в пространстве модуляции свойствсреды на удвоенной частоте; О. в. ф. с помощью фотонного эха. Существуеттакже гибридная схема О. в. ф., где в методе ЧВС используется ВРМБ-нелинейность, <а получение второй опорной волны из первой основано на методе О. в. ф. <при ВРМБ [3]. Таким способом можно получить очень большой коэф. отраженияобращённой волны, |E4|215009-85.jpg|E3|2, с хорошим качеством обращения.
Большой интерес представляют ЧВС-схемысамообращения типа представленной на рис. 5. Здесь падающий пучок 1,к-рый требуется обратить, пропускается через нелинейную среду и с помощьюоптич. устройств - зеркал (как на рис. 5), световодов и т. п. - вводитсяв виде пучка 1' в ту же среду под др. углом. Возникающая из флуктуацииволна 2' проходит по тем же устройствам в обратном направлении иснова проходит через среду в виде волны 2. Если волны 1' и 2' взаимно обращены, то автоматически взаимообращёнными будут иволны 1 и 2; именно в этом случае их взаимодействие в нелинейнойсреде будет наиб. эффективным. Большинство экспериментов с такими схемамипроведено с использованием непрерывных лазеров умеренной мощности и фоторефрактивныхкристаллов в качестве нелинейной среды [4].

15009-86.jpg

Рис. 5. Схема самообращения волнового фронтас использованием обратной связи.

Свойство обращённой волны детально воспроизводитьход падающей волны при своём распространении лежит в основе большинствавозможных приложений О. в. ф. [5, 6]. К ним относится прежде всего схемакомпенсации фазовых искажений при двукратном прохождении пучка через усилитель(рис. 6). Идеально направленное излучение маломощного задающего лазерас помощью полупрозрачного зеркала вводится в усилитель. Оптич. неоднородностипоследнего существенно ухудшают направленность усиленного излучения. Прошедшийпучок обращают тем или иным методом и вновь пропускают через усилитель. <В результате обратного прохода обращённая волна восстанавливает исходнуюидеальную направленность и к тому же дополнительно усиливается. Предполагаетсятакже использование О. в. ф. в задачах: самонаведения излучения для доставкиэнергии на мишень малых размеров (в исследованиях по лазерному УТС) и дляоптич. связи; оптпч. обработки информации; компенсации временного расплыванияимпульсов при передаче информации по волоконным световодам; нелинейно-спектроскопич. <исследований твёрдых тел, жидкостей и газов и др.

15009-87.jpg

Рис. 6. Схема компенсации фазовых искаженийусилителя с использованием обращения волнового фронта.

Лит.:1) Зельдович Б. Я. и др.,О связи между волновыми фронтами отраженного и возбуждающего света привынужденном рассеянии Мандельштама - Бриллюэна, "Письма в ЖЭТФ", 1972,т. 15, с. 160; 2) 3ельдович Б. Я., Пилипецкнй Н. Ф., Шкунов В. В., Обращениеволнового фронта, М., 1985; 3) Беспалов В. П., Пасманик Г. А., Нелинейнаяоптика и адаптивные лазерные системы, М., 1985; 4) Сгоnin - Gо1оmb М. идр., Theory and applications of four-wave mixing in photorefractive media,"IEEE J. Quant. Electronics", 1984, v. QE-20, № 1, p. 12; 5) Shkunоv V.V., Zeldоviсh B. Ya., Optical phase conjugation, "Scientific American",1985, v. 253, № 6, p. 54; в рус. пер. - "В мире науки", 1986, № 2, с. 16;6) Рерреr D. М., Applications of optical phase conjugation, "ScientificAmerican", 1986, v. 254, № 1, p. 74; в рус. пер. - "В мире науки", 1986,№ 3, с. 34; 7) Носач О. Ю. и др., Компенсация фазовых искажений в усиливающейсреде с помощью "бриллюоновского" зеркала, "Письма в ЖЭТФ", 1972, т. 16,с. 617.

Б. Я. Зелъдович.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНОВОГО ФРОНТА" в других словарях:

  • Обращение волнового фронта — Обращение волнового фронта  явление формирования обращённого пучка волн (в частности, светового пучка), который в той или иной мере соответствует обращённой во времени картине распространения падающего (входного) пучка. Это явление относится …   Википедия

  • ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНОВОГО ФРОНТА — преобразование одной волны в другую с идентичным распределением амплитуды и фазы и с противоположным направлением распространения. При распространении в неоднородной среде обращенная волна, двигаясь в обратном направлении, в точности повторяет… …   Большой Энциклопедический словарь

  • обращение волнового фронта — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN phase conjugation …   Справочник технического переводчика

  • обращение волнового фронта — преобразование одной волны в другую с идентичным распределением амплитуды и фазы и с противоположным направлением распространения. При распространении в неоднородной среде обращённая волна, двигаясь в обратном направлении, в точности повторяет… …   Энциклопедический словарь

  • ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНОВОГО ФРОНТА — преобразование одной волны в другую с идентичным распределением амплитуды и фазы и с противоположным направлением распространения. При распространении в неоднородной среде обращённая волна, двигаясь в обратном направлении, в точности повторяет… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • Обращение — В Викисловаре есть статья «обращение» Обращение многозначный термин. Содержание …   Википедия

  • Обращения — Обращение (ценных бумаг) Обращение (синтаксис) Обращение (грамматика) Кровообращение Обращение в веру  процесс приобретения или смены вероисповедания Обращение от греха Обращение в естественных науках Обращение интеграла Лапласа Обращение Мёбиуса …   Википедия

  • 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 …   Физическая энциклопедия

  • АДАПТИВНАЯ ОПТИКА — раздел оптики, занимающийся разработкой оптич. систем с динамич. управлением формой волнового фронта для компенсации случайных возмущений и повышения т. о. предела разрешения наблюдат. приборов, степени концентрации излучения на приёмнике или… …   Физическая энциклопедия

  • НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПЛАЗМЕ — возникают в результате взаимодействия волн, полей и частиц, при к рых не выполняется принцип суперпозиции волн и к рые описываются с учётом нелинейных слагаемых в ур ниях кинетики или динамики плазмы и в ур ниях Максвелла. Плазма, в особенности… …   Физическая энциклопедия

Книги

Другие книги по запросу «ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНОВОГО ФРОНТА» >>