СИНХРОНИЗМ

СИНХРОНИЗМ

(от греч. synchronismos - одновременность) - условиеэфф. обмена энергией при взаимодействии волн, заключающееся в сохраненииопределённых фазовых соотношений между волнами на протяжении всей областивзаимодействия.

В условиях С. интенсивности взаимодействующих волн меняются в первомприближении пропорционально квадрату длины области взаимодействия z² (рис.).

При нарушении С. интенсивности волн осциллируют вдоль оси z с пространственнымпериодом ,достигая макс. изменения на длине ,называемой длиной когерентного взаимодействия. Макс. изменение интенсивностейволн пропорционально и при сильном нарушении С. очень мало. Термин «С.» получил широкое распространениепри описании взаимодействия эл.-магн. волн. Для плоских эл.-магн. волнчастоты w, распространяющихся в нелинейной среде вдоль оси z, вприближении медленно меняющихся амплитуд интенсивность волны (см. Нелинейнаяоптика )где k, k_P - волновые векторы собственнойэл.-магн. волны и волны нелинейной поляризации, sin c(x)= sin x/x.При этом . Поскольку k = w/v _ф и ,где v _ф, v _фP - фазовые скорости эл.-магн. волныи волны нелинейной поляризации соответственно, то условие С. можно записатькак v _ф = v _фP. Т. о., условие С. заключаетсяв равенстве фазовых скоростей собственной эл.-магн. волны и волны нелинейнойполяризации среды на частоте w.

Волна нелинейной поляризации на частоте и возникает, напр., при распространениив среде эл.-магн. волн с частотами w₁ и w₂,причём , и волновыми векторами k₁ и k₂. УсловиеС. в этом случае принимает вид k₁+ k₂= k или, в общем случае, k₁ + k₂ = k.Этот процесс наз. генерацией суммарной частоты, частным случаем к-рогоявляется генерация второй гармоники (при w₁ = w₂).Условие С. можно трактовать как сохранение суммасного импульса взаимодействующихволн:. При нарушении условия С. импульс волн частично передаётся среде, в к-ройони распространяются.

В СВЧ-приборах, напр. лампе бегущей волны (ЛБВ), вместо волныполяризации следует рассматривать волну конвекционных токов, фазовая скоростьк-рой совпадает со скоростью потока электронов. В этом случав условие С. <заключается в совпадении фазовой скорости эл.-магн. волны со скоростьюэлектронного потока. Это рассмотрение соответствует приближению, не учитывающемуобратного влияния эл.-магн. волны на поток электронов (в нелинейной оптикеподобный подход наз. приближением заданного поля). При учёте этого влияниянаиб. усиление эл.-магн. волны в ЛБВ достигается при нек-ром превышенииначальной скорости электронов над фазовой скоростью эл.-магн. волны.

При акустооптич. взаимодействиях (см. Акустооптика. Дифракция светана ультразвуке )условие С.:, где - волновые векторы падающей, дифрагированной (рассеянной) и акустич. волнсоответственно, называют Брэгга - Вулъфа условием.

Для выполнения условия С. в общем случае приходится принимать спец. <меры, напр. использовать замедляющие системы в СВЧ-приборах, или двулучепреломляющиекристаллы в нелинейной оптике, подбирать частоту акустич. волны в акустооптич. <устройствах.

Спектральная ширина С. определяется как ширина частотного интервала , в пределах к-рого фазовое рассогласование взаимодействующих волн в областивзаимодействия не превышает

где l - длина области взаимодействия. Поскольку где v _гр - групповая скорость, то спектральная ширинаС. велика в случае равенства групповых скоростей взаимодействующих волн. <Это условие т. н. группового синхронизма (в отличие от групповогоС., условие k_p = k называют фазовым или волновым С.).При выполнении условия группового С. ограниченные в пространстве волновыепакеты распространяются с одинаковой групповой скоростью и их эффективноевзаимодействие происходит на большой длине даже при малой длине волновыхпакетов (т. е. при широком спектре). Так, в ЛБВ с однородной замедляющейсистемой дисперсия эл.-магн. волн очень мала и групповые скорости взаимодействующихволн практически совпадают, что обусловливает широкую полосу усиления ЛБВ(октава и выше). В лампе обратной волны (ЛОВ), напротив, групповаяскорость эл.-магн. волны и скорость потока электронов противоположны, поэтомуусилители на ЛОВ не могут быть широкополосными и ЛОВ часто используетсякак узкополосный перестраиваемый регенеративный усилитель.

В нелинейной оптике из-за сильной дисперсии групповой скорости С. наблюдаетсятолько в отд. случаях. В акустике, напротив, из-за малой дисперсии условияфазового и группового С. выполняются одновременно для большого числа спектральныхкомпонент, что приводит к накоплению нелинейных эффектов на больших длинахи образованию ударных волн.

При взаимодействии волновых пучков, ограниченных в поперечном сечении, <условие группового С. принимает более общий вид, а именно - как равенствовекторов групповых скоростей взаимодействующих волн. При отличии направлениявекторов групповых скоростей ограниченные в пространстве волновые пучкииспытывают боковой снос относительно друг друга.

что приводит к уменьшению области эфф. взаимодействия. Это явление обычнохарактеризуется угл. шириной С.- расходимостью взаимодействия, в пределахк-рой фазовое рассогласование не превышает .В нелинейной оптике боковой снос взаимодействующих пучков наз. апертурнымэффектом и обусловлен отличием направления векторов фазовой и групповойскоростей для необыкновенных волн в анизотропных кристаллах (см. Оптическаяанизотропия), Апертурный эффект полностью отсутствует при т. н. 90-градусномС., когда все взаимодействующие пучки распространяются перпендикулярнооптич. оси. При 90-градусном С. угл. ширина С. резко возрастает и ограниченадифракц. расплыванием пучков, так же как спектральная ширина С. при групповомС. ограничена дисперсионным расплыванием волновых пакетов.

Лит.: Цернике Ф., Мидвинтер Д ж., Прикладная нелинейная оптика, <пер. с англ., М., 1976; Виноградова М. Б., Р у д е н к о О. В., СухоруковА. П., Теория волн, 2 изд., М., 1990; А х м а н о в С. А., Д ь я к о вЮ. Е., Ч и р к и н А. С., Введение в статистическую радиофизику и оптику, <М., 1981; Дмитриев В. Г., Тарасов Л. В., Прикладная нелинейная оптика, <М., 1982. С. М. Копылов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.