Введение к работе
Актуальность тему. Развитие лазерной физики непосредственно
связано с исследованиями взаимодействия интенсивного оптического излучения с резонансними средами, в том числе газовыми. Интерес к резонансным средам обусловлен, во-первых, высокой однородностью и лучевой стойкостью газов, во-вторых, в газах, имеющих узкие атомные літний, возможно значительное увеличение нелинейных свойств вблизи резонанса. Четырехволновое взаимодействие (ЧБВ) является параметрическим процессом взаимодействия четырех волн, которое в пределе слабого насыщения является процессом третьего порядка, описывающимся низшей нелинейностью, разрешенной в центрально-симметричных средах.
К настоящему времени широко изучено ЧВВ в двухуровневых резонансных средах. Двухуровневое приближение, однако, неверно при возбуждении близко расположенных переходов, а также в системах с пространственным вырождением, которое снимается, например, поляризованным излучением. Построить теорию взаимодействия поляризованного излучении с резонансными атомами при произвольном значетш пнтепсптгасти излучения удается только для переходов с нзболь^гл значением момента количества движения. В этом сгасле представляется полезши использование некоторых упрощавших предположения, например, привлечемте для описания среды моделей хаотических линейных или круговых диполей.
В ряде экспериментов используются пары щелочных металлов, при теоретическом описании которых используется трехуровневая модель с дублетным расщеплением (системы V - и Л -типа). В резонансных парах полочных металлов наблядаптся большие сечения взаимодействия, узкие сирины линия" поглощения, благодаря чему при резонансном возбуждении нелинейность-велика даже при малнхг'концентраштях паров. Для этих сред характерны низкие интенсивности насыщения, высокие коэффициенты усиления слабых волн при ЧВВ. При этом в спектральном составе излучения можно наблюдать резонансы ЧВВ, обусловленные интерференцией близко расположенных состояний, причем коэффициент отражения оказывается выше, чем в двухуровневой .системе. Привлечение моделей V - и Л - типа является полезным для спектроскопии
высокого разрешения, для оъяснения экспериментов в системах о пересечением уровней, при снятии вырождения уровней в результате линейного Штарк-эффекта.
Качественно новые особенности проявляются в резонансных средах с неоднородным уширением, которое приводит к значительному снижению эффективности преобразования в слабые волны из-за специфической для подобных сред селекции взаимодействующих частиц по скорости и размытия светоиндуцированных решеток.
В основе параметрического ЧВВ лежит фазовое согласование взаимодействующих волн по направлению распространения в протяженных средах (брэгговская дифракция). Иной подход применим к тонким слоям среды, когда изучается прохождение всего потока излучения в целом с последующим разложением по Фурье ' компонентам прошедшего излучения (дифракция Рамана-Ната). В тонких средах наблюдается коническое излучение и генерация дифракционных волн еысокого порядка, которые не могут быть теоретически объяснены в терминах взаимодействия слабо насыщающего излучения и среды.
Таким образом, многочисленные факторы : насыщение, наличие вырождения уровней, неоднородный характер уширения, частотный и поляризационный состав пучков накачки и сигнала, геометрия взаимодействия значительно изменяют свойства параметрического ЧВВ. Сильное насыщение волнами накачки приводит к дополнительным полосам усиления сигнала, положение которых определяется мощностью накачки. Интерференция близко расположенных почти вырожденных уровней также приводит к появлению дополнительных полос усиления, отсутствующих в двухуровневом приближении. Учет вырождения уровней необходим при рассмотрении взаимодействия поляризованного излучения накачки и сигнала, учета наведенных полем оптических анизотропных свойств среды. Неоднородное уширение перехода накладывает ограничения на угол раствора сигнального пучка - и при вырожденном по частоте ЧВВ уменьшает эффективность процесса. В тонких средах помимо усиления сигнала и генерации дифракционной волны, возникающей как результат брзгговской дифракции на светоиндуцированных решетках, ЧВВ попутных волн сопровождается наблюдаемой экспериментально многопучковой дифракцией Рамана-Ната.
Шль__Ебдты состоит в теоретическом исследовании многоволнового взаимодействия в резонансных трехуровневых средах с дублетным расщеплением, изучении' энергетических, спектральных, угловых и поляризационных характеристик излучения, условий усиления слабых волн при компланарной и некомпланарной геометриях четырехволнового взаимодействия, а также построение теории взаимодействия излучения накачки произвольной интенсивности и зондирующего излучения в трехуровневых средах.
Основные задачи исследования
1. Решение задачи взаимодействия накачки и сигнала с
различными частотами без использования теории возмущения по
накачке в нелинейной трехуровневой среде.
2. Исследование спектральных и энергетических особенностей ЧВВ
в средах с дублетной линией поглощения .
3. Исследование влияния неоднородного уширения на
эффективность обращения волнового фронта при ЧВВ в газовых
средах и объяснение основных механизмов этого влияния.
-
Исследование поляризационных характеристик некомпланарного попутного ЧВВ и получение условий полного поляризационного обращения сигнала.
-
Решение задачи многоволновой дифракции при некомпланарном четырехволновом возбуждении, объяснение механизмов, ответственных за генерацию дифракционных пучков высоких порядков.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА І. В рамках метода квазизнергий и формализма матрицы плотности исследовано воздействие мощного поля на трехуровневую среду с дублетным расщеплением в системах V -типа. Предложен матричный метод решения и впервые получено аналитическое решение системы уравнений для матрицы плотности, определен отклик среды на действие зондирущего сигнала и вычислен коэффициент параметрической связи волн в режиме сильного возбуждения волной накачки. Показано, что спектр зондирующего излучения содержит семь резонансов, положение которых определяется интенсивностью накачки, насыщающей переход, и величиной дублетного зазора. Исследованы
спектральные и энергетические характеристики отраженного излучения при параметрическом ЧВВ в трехуровневых средах.
-
Развита теория ОВФ при невырожденном по частоте ЧВЕ с неоднородным уширением линии с учетом нелинейного поглощения слабого излучения. Вследствие теплового движения частиц и селективного взаимодействия волн с частицами с разными скоростями зависимость коэффициента отражения от углов в между взаимодействующими волнами приводит к значительному ограничению угловой ширины обращаемых пучков.. Показано, что это ограничение становится мало существенным при невырожденном ЧВВ, когда вследствие селективного воздействия волн на группы атомов с определенной проекцией скорости возможно увеличение эффективности обращения с ростом угла 0 .
-
Рассмотрены поляризационные характеристики некомпланарного попутного ЧВВ при помощи моделей хаотически ориентированных линейных и круговых диполей. ' Показано, что в случае ортогонально поляризованных волн накачки независимо от модели резонансной среды поляризационная структура сигнала сохраняется, а поляризация дифракционной волны является обращенной по отношению к сигналу. Среда, моделируемая ансамблем хаотических линейных диполей, является поляризатором излучения, если вектора поляризации волн накачки развернуты относительно друг друга на углы 2я/3 и п/3.
4. Теоретически рассмотрена самодифракция Рамана-Ната,
возбуждаемая при некомшшнарном попятном ЧВВ, определена
зависимость эффективности процесса от фазовых соотношений
возбуждающих волн, объяснены механизмы формирования
дифракционных волн на различных светоиндуцированных решетках.
Научнад_и_ррактическая_ценндстьЛ Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы для нелинейной поляризационной спектроскопии газовых сред, для получения полного пространственно поляризационного обращения излучения, создания управляемого поляризатора излучения, а также для подбора оптимальных условий реализации параметрической генерации и ОВФ при ЧВВ, в разработке спектральных фильтров на основе резонансных газовых сред. Результаты диссертации содержат качественную интерпретацию имеющихся экспериментальных данных в парах
щелочных металлов, а также ряда экспериментов, в которых изучалась многопучковвя генерация.
Пдлджениях_внтосимнв_яа_звшиті[.
-
Спектр зондирующего излучения в среда трехуровневых атомов V - типа, помещенных в шле мощной накачки, содержит семь резопансов на частотах, смещенных относительно частоты накачки на величину обобщенной частота Раби, принимающей два значения. В базисе собственных состояний "одетого" атома возможно эффективное усиление сигнала при двухволновом или ЧВВ в указанных спектральных областях. Резонанси на удвоенной частоте Раби носят дисперсионный характер.
-
Использование невырожденного по частоте ЧВВ в газовых средах с неоднородным угаиренкем позволяет улучшить угловые характеристики отраженного излучения.
-
В случае использования ортогонально линейно поляризованных волн накачки при некокпданэрном ЧВВ поляризационная структура сигнала сохраняется, а поляризация дифракционной волны является "обращенной" по отношении к сигнальной при моделировании среда набором хаотически ориентированных круговых и линейных диполей. Среда, моделируемая ансамблем линейных диполей, при определенных углах мехщу векторами поляризации волн накачки является поляризатором слабого излучения.
-
При четырехЕОЛновом возбуждении в тонком слое нелинейной среды происходит генерация дифракционных волн высоких порядков, причем для определенных фазовых соотношений возбуждающих волн интенсивность дифракционных пучков первого (второго) порядка, образованных в результате дифракции некомнланарных волн в 10 (1(f) раз превышает интенсивность пучков, возникающих в результате дифракции компланарных волн.
СтвуктуЕа_и_объем_ваботн Диссертационная работа состоит из введення, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 107 наименований. Работа изложена на 119 страницах и включает 18 рисунков и таблицу. .
