Самофокусировка

Самофокусировка

Самофокусировка света — один из эффектов самовоздействия света, связанный с концентрацией энергии светового пучка в нелинейной среде. Явление самофокусировки было предсказано советским физиком-теоретиком Г. А. Аскарьяном в 1961 году и впервые наблюдалось Н. Ф. Пилипецким и А. Р. Рустамовым в 1965 году. Основы математически строгого описания теории были заложены В. И. Талановым[1].

В 1988 году за открытие и исследование эффекта самофокусировки Ленинской премией были награждены Г. А. Аскарьян, В. В. Коробкин, А. П. Сухоруков и В. И. Таланов.

Содержание

Общие сведения. Нелинейная рефракция

Эффекты самовоздействия света обусловлены зависимостью свойств среды (показателя преломления) от интенсивности света. Эта зависимость может обеспечиваться разными физическими механизмами — электрострикцией, эффектом Керра (ориентационным и электронным), тепловыми эффектами и т. д.

Особый интерес представляет рассмотрение ограниченных пучков. В этом случае возникает так называемая нелинейная рефракция: в поле ограниченного пучка однородная нелинейная среда становится неоднородной; мощный луч электромагнитного излучения, проходя сквозь вещество, изменяет его свойства, что, в свою очередь, искривляет путь самого луча. Поэтому в зависимости от того, увеличивается или уменьшается показатель преломления в поле пучка (то есть от знака нелинейности), наблюдается концентрация энергии или, наоборот, ее рассеяние.

Рисунок 1. К выводу условия самофокусировки

Рассмотрим световой пучок радиуса ~a, распространяющийся в среде с кубичной (керровской) нелинейностью (рис. 1):

~n=n_0+n_2 |A|^2, или ~\epsilon=\epsilon_0+\epsilon_2 |A|^2,

где ~\epsilon_0={n_0}^2 — линейная часть диэлектрической проницаемости, ~\epsilon_2=2 n_2 \epsilon_0/n_0 — коэффициент нелинейности, ~Aамплитуда световой волны. В общем случае коэффициент нелинейности является комплексным ~\epsilon_2=\epsilon'_2+i\epsilon''_2, то есть имеет место нелинейное поглощение.

Пусть ~\epsilon''_2=0. Самофокусировка наблюдается в том случае, если ~\epsilon'_2>0, так что внутри пучка показатель преломления возрастает, а на его границе возможно полное внутреннее отражение лучей. Его критический угол равен ~\theta_0=\arccos(\frac{n_0}{n_0+n_2 |A|^2}). Лучи, идущие под углом ~\theta>\theta_0, покидают пучок, а те, для которых ~\theta<\theta_0, отклонятся к оси пучка. Расхождение лучей в пучке с плоским фазовым фронтом определяется дифракционным углом ~\theta_d=\frac{0.61 \lambda_0}{n_0 a}, где ~\lambda_0длина волны света в вакууме. В зависимости от соотношения углов ~\theta_0 и ~\theta_d возможны следующие физические ситуации:

  • если ~\theta_0<\theta_d, пучок расплывается, однако медленнее, чем в линейной среде;
  • если ~\theta_0=\theta_d, дифракционное расплывание полностью компенсируется нелинейной рефракцией. Формируется своеобразный диэлектрический волновод, по которому пучок распространяется без расходимости. Этот режим называется самоканализацией пучка. Критическая мощность излучения, при которой возникает этот эффект, может быть оценена как ~P_c=\frac{(1.22)^2 \lambda_0^2 c}{256 n_2}. Явление самоканализации во многом аналогично так называемому солитонному режиму распространения света, при котором дисперсионное расплывание волнового пакета (импульса, то есть ограниченного во времени пучка) точно уравновешивается нелинейным сжатием за счет фазовой самомодуляции. Для наиболее распространенных в практических приложениях гауссовых пучков говорят о квазисолитонном режиме и солитоноподобных пучках в нелинейной среде. Следует отметить, что, в отличие от случая самоканализации, солитон представляет собой устойчивое образование.
  • если ~\theta_0>\theta_d (или ~P>P_c), лучи отклоняются к оси пучка — происходит самофокусировка. Нелинейная среда действует подобно собирающей линзе, фокусное расстояние которой можно оценить, если ввести так называемую дифракционную длину ~R_d=\frac{k_0 a^2}{2} \approx \frac{a}{\theta_d} (~k_0=2 \pi /\lambda_0 — волновое число). Тогда условие ~\theta_0=\theta_d эквивалентно ~R_d=\frac{a}{2} \sqrt{\frac{n_0}{n_2 |A|^2}}=R_{nl}, где ~R_{nl} называется нелинейной длиной, или длиной самофокусировки. В случае большой мощности (~P>>P_c) поведение пучка может быть описано в приближении геометрической оптики, а фокусное расстояние составляет ~z_f \approx R_{nl}.

В случае ~\epsilon'_2<0 (уменьшение показателя преломления в поле пучка) имеет место самодефокусировка света.

Теория образования фокусов. Многофокусная структура самофокусировки

Описание возникновения фокусов может быть дано на основании уравнения параболического типа, следующего из уравнений Максвелла в приближении медленного (по сравнению с периодом колебаний и длиной волны света) изменения амплитуды волны:

~\Delta_\bot E + 2ik(\frac{\partial E}{\partial z}+\frac{1}{v}\frac{\partial E}{\partial t})+k^2\frac{\delta \epsilon}{\epsilon_0} E=0,

где ~Eнапряженность электрического поля волны, ~v=c/n_0, ~\delta \epsilon=\epsilon_2 |E|^2, ~\Delta_\bot=\frac{\partial^2}{\partial x^2}+\frac{\partial^2}{\partial y^2} — поперечный оператор Лапласа. В стационарном случае это уравнение принимает вид нелинейного уравнения Шредингера:

~\Delta_\bot E + 2ik\frac{\partial E}{\partial z}+k^2\frac{\delta \epsilon}{\epsilon_0} E=0.

Приближенные аналитические решения этого уравнения не содержат ряда существенных особенностей, которые могут быть выявлены лишь при численном анализе. Так, аппроксимация численных результатов дает для положения фокуса оценку ~z_f \approx \xi \frac{ka^2}{\sqrt{P/P_c}-1}, где ~\xi — некоторая константа. При этом возрастание интенсивности в области фокуса ограничивается эффектами нелинейного поглощения, связанными с комплексной частью коэффициента нелинейности ~\epsilon''_2 (многофотонное поглощение, перекачка энергии в компоненты вынужденного рассеяния, оптический пробой и т. д.)

Рисунок 2. Многофокусная структура пучка в нелинейной среде

Результаты численных расчетов позволяют также выявить многофокусную структуру процесса самофокусировки. На оси пучка формируется ряд фокусов, отвечающих последовательной фокусировке различных кольцевых зон пучка (см. рис. 2). В каждый фокус втекает (и частично поглощается) мощность порядка критической. Полное число фокусов ограничено первоначальной мощностью пучка, а также величиной поглощения.

При учете нестационарности (короткие импульсы) в системе наблюдаются движущиеся фокусы, а также их раздвоение: один фокус движется в направлении распространения падающего импульса (скорость фокуса может превышать скорость света в среде), а второй сначала движется навстречу пучку, затем останавливается и идет по направлению его распространения. Нестационарность может быть также связана с проявлениями инерционности нелинейности.

Наличие самофокусировки может также приводить к неустойчивости пучка, то есть к экспоненциальному возрастанию малых пространственных флуктуаций интенсивности. В результате пучок разбивается на отдельные нити радиусом ~a_{opt}=\frac{1}{k_0}\sqrt{\frac{n_0}{n_2 |A|^2}} и мощностью ~~P_c.

Примечания

  1. В. И. Таланов О самофокусировке волновых пучков в нелинейных средах // Письма в ЖЭТФ. — 1964. — Т. 2. — № 5. — С. 218.

См. также

Литература



Wikimedia Foundation. 2010.

Нужно написать реферат?
Синонимы:

Полезное


Смотреть что такое "Самофокусировка" в других словарях:

  • самофокусировка — самофокусировка …   Орфографический словарь-справочник

  • Самофокусировка — Самофокусировка. Луч рубинового лазера в нитробензоле, претерпевающий самофокусировку при больших мощностях. Внизу схематический ход лучей. САМОФОКУСИРОВКА, самопроизвольная фокусировка мощного лазерного луча при распространении в какой–либо… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

  • САМОФОКУСИРОВКА — САМОФОКУСИРОВКА, самопроизвольная фокусировка мощного лазерного луча при распространении в какой либо среде вследствие нелинейной зависимости показателя преломления среды от напряженности электрического поля световой волны. В некоторых средах… …   Современная энциклопедия

  • САМОФОКУСИРОВКА — в ускорителях свойство релятивистских электронных пучков, содержащих положит. ионы, образовывать равновесные («самофокусирующиеся») конфигурации. Оно обусловлено ослаблением кулоновского расталкивания в электронном пучке (за счёт сил магн. сжатия …   Физическая энциклопедия

  • самофокусировка — сущ., кол во синонимов: 1 • фокусировка (5) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 …   Словарь синонимов

  • самофокусировка — fokusavimasis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. self focusing vok. Selbstfokussierung, f rus. самофокусировка, f pranc. autofocalisation, f …   Fizikos terminų žodynas

  • самофокусировка — самофокусир овка, и …   Русский орфографический словарь

  • самофокусировка — самофокусиро/вка, и …   Слитно. Раздельно. Через дефис.

  • самофокусировка — и; ж. Спец. Способ автоматической фокусировки. С. камеры …   Энциклопедический словарь

  • самофокусировка — и; ж.; спец. Способ автоматической фокусировки. Самофокусиро/вка камеры …   Словарь многих выражений

Книги

  • Нелинейная оптика, Делоне Николай Борисович. Излагается физика процесса взаимодействия света большой интенсивности с веществом. Обсуждаются новые явления, возникающие при этом: штарковский сдвиг атомных уровней, многофотонные процессы,… Подробнее  Купить за 489 грн (только Украина)
  • Нелинейная оптика, Делоне Николай Борисович. Излагается физика процесса взаимодействия света большой интенсивности с веществом. Обсуждаются новые явления, возникающие при этом: штарковский сдвиг атомных уровней, многофотонные процессы,… Подробнее  Купить за 384 руб


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»