Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Первые экспериментальные исследования и основные начала теории ВКР 24
ГЛАВА II. Экспериментальные установки и методики измерений 43
I. Экспериментальная установка для исследования ВР "вперёд" и "назад" 43
2. Источники излучения для возбуждения вынужденных рассеяний света 46
3. Особенности воздействия мощных лазерных импульсов на фотоэмульсию и фотографическая методика исследований 55
4. Действие мощных лазерных импульсов света населективные светофильтры 64
5. Фотоэлектрические приёмники излучения и методика энергетических и временных измерений 67
6. Методика изучения углового распределения ВР света 73
7. Методика исследования спектрального распреде ления ВКР света 76
8. Методика исследования самофокусировки света в рассеивающих средах 81
9. Установка для измерения степени деполяризации ВР света 87
10. Методика исследования ВР света при высоких и низких температурах рассеивающего вещества 89
II. Объекты исследования 95
ГЛАВА III. Исследования параметров вкр света "вперёд" и "назад" в режиме сверхсветимости . 97
І. Параметры ВКР "вперёд" и""назад" вблизи порога 97
2. Энергетические характеристики ВР сверхкорот ких импульсов света 105
3. Энергетические характеристики вынужденного рассеяния света при возбуждении импульсами
длительности 10 с . . III
4. Параметры ВКР "вперёд" и "назад" выше порога 124
ВЫВОда 135
ГЛАВА ІV. Динамическая голография, восстановление /обращение/ волнового фронта света при вр г 137
1. Запись динамической голограммы и восстановление волнового фронта света при возбуждении ВР импульсами длительности порядка 10 с 141
2. Дифракционная эффективность динамических голограмм при ВР света 149
3. Восстановление изображения при MP "вперёд" и "назад" 154
4. Обращение волнового фронта света при ВКР 165
5. Физические механизмы, приводящие к регистрации интерференционного поля и восстановлению волнового фронта накачки при ВКР света 173
ВЫВОДЫ 176
ГЛАВА V. Преобразование волновых фронтов пні вшщценных рассеяниях 178
I. Восстановление волнового фронта света при возбузкдении ВР сверхкороткими /25.10 с/ импульсами света 179
2. Влияние геометрии возбуждения на явление восстановления (обращения) волнового фронта света при БР в наносекундной области 186
3 Энергетические пределы эффекта восстановления (обращения) волнового фронта при ВР света... 192
4 Фильтрация частот в пространственном спектре объекта с помощью ВКР света 200
5. Восстановление волнового фронта света в системе ВКР - краситель 205
Выводы 211
ГЛАВА VI. Светоиндувдрованные динамические фокальные структуры при вкр света 213
I. Физические, основы самофокусировки 213
2. Основные результаты экспериментальных исследований самофокусировки 220
: 3. Самофокусировка света в средах с большим коэффициентом усиления ВКР и разными постоянными Керра 227
4. Динамика развития самофокусировки ВКР света... 237 5. Энргетические характеристики самофокусировки ВКР света 246
ГЛАВА VII. Эффекты, сопровождающие самофокусировку ВКР ... 249
1. Самофокусировка компонент высшего порядка ВКР.., 249
2. Теория самофокусировки ВКР света 258
3. Угловое распределение интенсивности компонент вцсшего порядка при наличии в пучках ВКР много фокусной структуры 269
4. Спектральные уширения ВКР света из фокальных областей 278
5. Характерные особенности взаимодействия ла зерного излучения с активными в ВКР и само
фокусировке средами 284
б. Восстановление /обращение/ волнового фронта света и самофокусировка при ВНР 290
7. Физические механизмы самовоздействия световых пучков в средах, активных в ВНР 294
ВЫВОДЫ 307
ГЛАВА VIII Влияние тешератуш активной срвды на внр света и связанные с вкр другие нелинейные эффекты 309
I. Температурная, зависимость интенсивности и ширины линий КР света в конденсированных средах.. 309 2. Влияние температуры среды на спектральное распределение ВКР света 318
3. Температурная зависимость интенсивности и
коэффициента преобразования ВКР света 333
Выводы 337
Заключение 338
Выводы 353
Литература
- Действие мощных лазерных импульсов света населективные светофильтры
- Энергетические характеристики ВР сверхкорот ких импульсов света
- Дифракционная эффективность динамических голограмм при ВР света
- Влияние геометрии возбуждения на явление восстановления (обращения) волнового фронта света при БР в наносекундной области
Введение к работе
Открытие комбинационного рассеяния света, осуществлённое практически одновременно Г.С.Ландсбергом и Л.И.Мандельштамом и Раманом Л, 2 /, инициировало поток экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению физической природы этого явления, а также возможности его практического использования для изучения химического состава и строения веществ / 3-7 /.
Получение мощных коротких световых импульсов с помощью лазеров с модулированной добротностью позволило наблюдать стимулированный аналог обычного комбинационного рассеяния - вынужденное комбинационное рассеяние света /ВКР/ / 8 /, а также стимулированные аналоги других видов рассеяния - вынужденное рассеяние Ман-делынтама-Бриллюэна /ВРМВ/, вынужденное рассеяние крыла линии Релея /ВРКР/.
В Советском Союзе исследования ВКР были впервые начаты профессором Сущинским М.М. и Зубовым В.А. /д /. В открытии и исследовании явлений ВРМВ и ВРКР очень важную роль сыграли работы члена-корреспондента АН СССР Фабелинского И.Л. и Старуно-ва B.C. / 10 /.
Изучению явления ВКР света было посвящено большое количество теоретических / б, 14-21 / и экспериментальных работ /8,11-13, 22-34 /. Теория ВКР как явления нелинейной оптики была развита в работах Бломбергена Н. /14 /, Лугового В.Н. /15 /, Апанасевича П.А. /16 / и др. Однако физика ВКР оставалась недостаточно изученной, а результаты экспериментальных работ по ряду вопросов не соответствовали выводам теоретических исследований. Например, уже первые эксперименты обнаружили, что индикатриса ВКР вопреки теории асимметрична, коэффициент усиления ВКР для ряда веществ больше вычис- ленного, угловое распределение компонент высшего порядка не описывается известными соотношениями волновых векторов возбуждающей волны и волны ВКР, насыщение усиления ВКР наступает при интенсив-ностях накачки, значительно меньших ожидаемых /26-34 Л
ВКР обладает как чертами обычного КР, так и рядом свойств, характерных для источников лазерного излучения. Так, например, ВКР возникает на частотах наиболее интенсивных линий спектра КР, а ширина контура первой стоксовой компоненты ВКР /ширина контура усиления/ связана с шириной линии обычного КР. В то же время первая сток-совая компонента ВКР обладает направленностью, высокой яркостью и когерентностью, подобно излучению лазерных источников света. Исследование проявления при ВКР закономерностей, известных при КР, представлялось весьма важным для прояснения физического механизма вынужденного процесса рассеяния и влияния на него внешних факторов, в частности, межмолекулярных взаимодействий. Закономерности изменения ширины линий обычного КР как результата влияния на рассеянную волну Броуновского поворотного движения молекул были сформулированы И.И.Собельманом /35 /.
Для изучения физической природы явления ВКР света были необходимы систематические экспериментальные исследования параметров ВКР света /интегральной интенсивности, длительности импульса, расходимости, яркости светового потока, спектральной ширины линии/, распространяющего попутно - "вперёд" и навстречу - "назад" возбуждающему излучению в веществах с существенно отличными оптическими характеристиками, при разных условиях возбуждения и температурах рассеивающего вещества.
Свойство ВКР преобразовывать лазерное излучение в излучение с другой длиной волны с высоким коэффициентом преобразования по мощности открыло широкие перспективы для его использования в различных областях науки и техники. На основе ВКР были созданы лазеры с перестраиваемой частотой излучения / 36,37 /, которые получили "применение для решения ряда задач квантовой электроники, молекулярной спектроскопии, нелинейной оптики, химии инициированных реакций и др. Для решения многих практических задач были необходимы большие интенсивности излучения, в связи с этим использовалось ВКР при значительном превышении порога возбуждения. В этих условиях одновременно с ВКР в диэлектриках развиваются другие нелинейные эффекты, одним из главных среди них является самофокусировка света.
Возможность самофокусировки лазерного излучения при прохождении через диэлектрик впервые была теоретически показана Аскарьяном Г.А. /38 /. Теория самофокусировки света была развита в работах Таланова В.И. /39 /, Чиао П. и др. /40 /, Келли П. /41 /, Ахманова С.А., Сухорукова А.П., Хохлова Р.В. /42 /, Лугового В.Н. и академика Прохорова A.M. A3 /. Среди экспериментальных работ в области изучения самофокусировки света следует особо отметить работы Коробкина В.В. с сотрудниками, выполненные по разработанной ими методике с высоким временным разрешением / 44 /.
Основное внимание исследователей, изучавших явление самофокусировки света, было направлено на эволюцию пучка лазерного излучения при прохождении через нелинейные среды. При этом роль вынужденных рассеяний /ВКР, ВРМБ - вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна/, в которые иногда преобразовывалось до 80% возбуждающего излучения, оставалась неясной. Обычно ВКР рассматривалось как явление, приводящее к разрушению областей самофокусировки в пучке лазерного света. Считалось, что самофокусировка возбуждающего лазерного излучения является причиной аномалий в развитии ВКР. Полагали, что в веществах с малыми постоянными Керра и электрострикции самофокусировка не имеет места, и ВКР подчиняется теоретическим закономерностям. К началу 70-х годов казалось, что представления о явлении самофокусировки света в диэлектриках окончательно сложились, хотя целый ряд важных положений не был доказан экспериментально и вызывал сомнение. Продолжала оставаться неясной и практически не была изучена экспериментально роль рассеянии в процессе самофокусировки света. В этой связи одной из задач нашей работы были систематические исследования развития самофокусировки света в средах с разной вероятностью ВКР и различными величинами постоянных Керра.
Фундаментальные исследования явления ВКР "вперёд" и "назад" в средах с различными оптическими характеристиками при разных условиях возбуждения, начатые нами в 1966 году, привели к обнаружению принципиально новых явлений, ранее неизвестных при молекулярных рассеяниях света. Главные из них следующие. При достижении определённой толщины слоя рассеивающего вещества и плотности мощности накачки направленность, яркость и распределение амплитуды в дальнем поле ВКР "назад" становились близки к аналогичным параметрам пучка накачки, падающего на среду. Нелинейная среда как-бы отражала лазерное излучение со смещением частоты, равным наиболее интенсивному молекулярному колебанию. Эффект наблюдался при возбуждении ВКР как од-номодовым, так и многомодовыми лазерами.
Восстановление при ВКР как для направления "вперёд", так и для направления "назад", ВРМБ /вынужденное рассеяние Мандель-штама-Бриллюэна/, ВРКР /вынужденное рассеяние крыла линии
Релея/ изображения объекта-транспаранта, освещенного импуль- , сами света,накачки наносекундной и пикосекундной длительности при различной геометрии возбуждения. Восстановление /обращение/ волнового фронта света при ВКР с соответствующей сдвигу частот трансформацией фронта. Образование в пучке ВКР самостоятельной структуры, самофокусировки ВКР, возникающей, как правило, значительно раньше самофокусировки пучка накачки.
Главное содержание настоящей работы составили детальные исследования новых обнаруженных нами явлений с целью установить их физическую природу и найти области их практических приложений. Для физической интерпретации новых явлений потребовалось провести ряд исследований, касающихся природы самого явления ВКР /свойств ВКР вблизи и выше порога, энергетических характеристик ВКР при возбуждении нано- и пикосекундными импульсами, природы насыщения ВКР и др./, а также исследовать зависимость обнаруженных в работе эффектов восстановления от геометрических и энергетических условий возбуждения ВР, от длительности импульсов накачки, в средах с разной способностью к самофокусировке.
В результате этих исследований нами было показано, что физическую основу экспериментально обнаруженных новых эффектов при ВР составляет процесс образования в объёме нелинейной среды светоиндуцированных структур в виде локальных изменений показателя преломления и усиления ВР, которые, в свою очередь, приводят к изменению амплитуд и фаз распространяющихся световых волн. Самофокусировка,света трактовалась как эффект возрастания интенсивности света.вследствие полного внутреннего отражения в областях среды, показатель преломления в которых - II - увеличен под действием этого же светового поля. Как показали наши эксперименты, в средах с большой величиной коэффициента усиления на определённой стадии развития ВКР оказывается, что изменение показателя преломления невелико, а сжатие пучка ВКР происходит вследствие его преимущественного усиления при распространении в объёме, ограниченном пучком накачки с интенсивностью, спадающей от центра к краям. В средах с большой вероятностью комбинационного рассеяния значительное истощение накачки из-за преобразования в ВКР и уменьшение диаметра пучка ВКР вследствие усиления создают благоприятные условия для самофокусировки ВКР света, которая, как правило, происходит раньше самофокусировки лазерного излучения. В результате в пучке ВКР света возникает самостоятельная фокальная структура по отношению к пучку лазерного излучения.
Восстановление изображения в активной в ВР среде происходит в результате мгновенной регистрации /в течение импульса накачки/ интерференционной картины поля накачки после дифрак- , ции на объекте-транспаранте, т.е. информации об амплитудно-фазовом распределении :поля накачки. При усилении и дифракции ВР на светоиндуцированной структуре информация об амплитудно- , фазовом распределении поля накачки передаётся пучку ЕР, возникающему в этом же объёме активной среды.
В определённых условиях возбуждения волновой фронт ВКР, распространяющийся навстречу накачке, с некоторой степенью приближения можно, рассматривать как "обращенный", хотя на деле имеет место трансформация фронта рассеянной волны по отношению к падающей в соответствии со сдвигом частот.
Как известно, "обращение" волнового фронта света, в - 12 -принципе может осуществляться методами статической /45 / и динамической голографии /46 /.
В 1971 году Зельдовичем Б.Я., Поповичевым В.И., Рагульским В.В., Файзулловым Ф.С. в лаборатории квантовой радиофизики ФИАН было открыто явление обращения волнового фронта света при ВРМБ /47 /. Главным направлением этих работ, возглавляемых академиком Н.Г.Басовым, было получение волны, возможно наиболее точно обращенной к волновому фронту возбуждающего излучения /48 /. Это открытие в настоящее время нашло важное практическое применение в разработке фокусирующей оптики для сверхмощных световых потоков. Важный вклад в решение указанной проблемы был сделан работами И.Г.Зубарева с сотрудниками /49 /. Понимание природы обращения волнового фронта света при ВРМБ значительно углубилось благодаря работам Беспалова В.И., Пасманика Г.А. / 50, 51 /, а также работам Бельдюгина Н.Н. и соавторов / 52 /^Сидоровича В.Г./53Л
Обнаруженное нами явление восстановления /обращения/ волнового фронта света при ВКР* тесно связано с обращением волнового фронта при ВРМБ. На общность явлений обращения волнового фронта при ВРМБ и ВКР впервые было указано нами в /54 /. Основным сдержанием нашей работы в части, касающейся эффекта восстановления /обращения/ волнового фронта света при ВКР, явилось изучение изображений объектов, восстановленных при ВКР света и других видах рассеяния, и зависимость их положения, увеличения и контраста от частоты света и условий возбуждения с целью разработки физических основ ме- К/При ВРМБ свет распространяется преимущественно навстречу возбуждающему излучению /"назад"/, поэтому восстановление волнового фронта при ВРМБ проявляется только в виде обращения фронта. При ВКР свет распространяется как "вперёд", так и "назад", поэтому восстановление волнового фронта при ВКР происходит в двух направлениях. В связи с этим для ВКР правильнее использовать более общий термин - восстановление волнового фронта света, частным случаем которого является обращение. - ІЗ -тодов управления сложными волновыми фронтами световых полей в реальном времени. Наиболее важным результатом этого раздела нашей работы оказалось экспериментальное установление связи явлений нелинейной оптики - вынужденных рассеяний света с голографией.
Нами экспериментально показано, что в случае "обращения" волнового фронта света изображение, восстановленное в пучке ВРМБ, а также его Фурье-спектр совпадает с объектом и Фурье-спектром объекта в пучке накачки. При "обращении" волнового фронта света изображение и Фурье-спектр в пучке БКР трансформированы в соответствии с законами голографии.
Именно при БКР, благодаря возможности широко варьировать частоту рассеянного света, удалось экспериментально показать существование тесной связи явлений ВР, которые ранее рассматривались только как явления нелинейной оптики, с другой важной областью современной оптики - голографией.
Голография представляет собой бурно развивающуюся в настоящее время область оптики, по определению Ю.Н.Денисюка "обобщающую исследование единого явления природы - способность материализованной объёмной картины волн интенсивности / в общем случае бегущей/ воспроизводить объектное волновое поле со всеми его параметрами - амплитудой, фазой, состоянием поляризации, спектральным составом и даже изменением поля во времени" /55 /.
В конце 60-х годов на стыке классической голографии и нелинейной оптики возникло новое направление исследований -динамическая голография. Динамическая голография включает исследование законов преобразования сложных волновых полей в реальном времени на основе нелинейного взаимодействия излучения с веществом. Основополагающие работы, обеспечившие ведущее положение нашей страны в этой области науки, и последующее успешное развитие этого направления принадлежит коллективам учёных Института физики АН БССР /46,56-60/ Государственного оптического института им. С.И.Вавилова /45,61 /, Института физики АН УССР / 62-66 /, Казанского физико-технического института филиала АН СССР /67 /и при вынужденных рассеяниях света - сотрудникам ФИАН СССР - автору настоящей работы совместно с учениками Бреховских Г.Л. и Кудрявцевой А.Д.
Отличительной особенностью восстановления волнового фронта света при ЕР является одновременное осуществление регистрации в светочувствительной среде амплитудно-фазового распределения поля накачки и формирование восстанавливающей это распределение волны ЕР света.
С теоретической точки зрения и для практических приложений изучение распространения излучения с высокой плотностью мощности в диэлектриках с большой;вероятностью вынужденных рассеяний представляет одну из центральных задач современной нелинейной оптики и квантовой электроники.
Изучение свойств наведённых светоиндуцированных структур с одновременным преобразованием записывающих их пучков важно для выяснения физических процессов, протекающих в средах под действием мощного лазерного излучения, определения их времён релаксации.
Указанные исследования важны для разработки методов и создания схем преобразования световых пучков для решения задачи о компенсации фазовых искажений световых пучков в неоднородных средах, в том числе в лазерных активных элементах, коррекции пространственной структуры световых пучков, оптической обработки информации в реальном времени.
Запись динамических, голограмм одновременно с преобразованием записывающих её пучков открывает принпипиально новые возможности для управления сложными световыми полями в реальном времени.
Закономерности, обнаруженные, нами при ВР света,, в основе которых лежит свойство среды менять под действием мощного излучения показатель преломления и усиление, швидшому,, носят, универсальный характер и справедливы для любых сред с нелинейным откликом на поле.
Диссертация состоит из введения,, восьми, глав,, заключения,, выводов и библиографии. :
В главе, I изложены, основные, результаты первых, эксперимент , < тальных исследований, ВКР, света и начала теории. ВКР, связанные, с , рядом экспериментальных, задач,. решённых, в диссертации.
Во второй главе описаны экспериментальные установки,, -. мето-* . дики измерений и ряд новых, эффектов,, обнаруженных, нами при, воз- , действии мощных лазерных импульсов на фотоэмульсию, и селективные светофильтры /68-71/.
Среди них наиболее интересные:, обращение, контраста, при из- , менении последовательности, воздействия на галоидно-серебряную фотоэмульсию короткого, мощного лазерного, импульса и более, сла-; , бого длинного импульса, подсветки,;, усиление импульса, ВКР при: од-, , новременном прохождении, через, селективный рветофильтр* с коротг , ким импульсом, /25.10 с/ накачки.,,,
В главе, Ш приведены, экспериментальные, исследования пара^= , метрові ВКР, распространяющегося, попутно ,и навстречу, возбуждаю-, , щему излучению, выполненные, с целью, выяснения физики процесса , , ВКР и природы наблюдавшихся, ранее, аномалий: /72-8l/« Измерялись, . при ВКР "вперёд" и "назад" интегральная интенсивность!,. яркость, » светового потока,! длительность импульса, распределение интен- . сивности по. спектру, расходимость и распределение интенсивное-, ти в дальнем поле.
Описаны измерения зависимости от энергии накачки, энергии.
ВКР при возбуждении импульсами длительности, 25.10 *с и импуль- сами длительности .-v 10 с. Измерения выполнены' вблизи порога и выше порога ВКР. Приводятся результаты, показывающие, что свой-, , ства ВКР вблизи порога объясняются его развитием путём усиления флюктуационных выбросов спонтанного шума КР.
Приведены результаты, показывающие, что характер^ экспери-, , ментальных энергетических кривых /наклон, уровень полного, насы-, , щения/ ВР "назад" при возбуждении импульсом длительности*10 с не согласуется, с существующими, теоретическими; представлениями;, <, описывающими, нарастание интенсивности ВКР и ЕРМБ с помощью, сисг5, темы, связанных, нелинейных, дифференциальных, уравнений для интен-. сивностей стоксовой и лазерной волн..
Предлагается новая интерпретация явления насыщения при ВКР света.,
Показано, что модуляция интенсивности в пучке, накачки, пе-, , редаётся. щгчку, ВР только в том случае,! если, существует; слой ере-, j ды, в котором нет насыщения ВР света. Исключение, представляет, . . только, случай, когда глубина модуляции, пучка, накачки, равна . , единице.
Дано описание, обнаруженного, нами нового,; явления, при ВКР,, возбуждённом импульсом длительности <У 10, с рдномодовогр. ла-, : зера. Показано,, что» при. определённых, условиях; возбуждения яркость, расходимость» і распределение*интенсивности; ВКР "назад".; в дальнем поле приближаются., к аналогичным, параметрам, лазерного.. излучения., ( падающего, на среду /75-77/.
Действие мощных лазерных импульсов света населективные светофильтры
В фотографии известны несколько способов, приводящих к обращению контраста /124/. Обнаруженное нами обращение контраста не связано с известным эффектом соляризации, имеющим место при переэкспонировании фотоэмульсии. Наблюдаемое явление, повидимому, родственно явлению, обнаруженному Клайденом при фотографировании вспышки молнии. Кратковременная вспышка молнии фотографировалась одновременно с длительной фоновой засветкой, создающей более низкую освещённость. При этом изображение разряда оказалось обращенным - плотность почернения изображения была меньше окружающего фона. Время вспышки молнии 1(Г3 - Ю 4 с.
Нами наблюдался эффект обращения контраста при воздейст _ о вии на фотоэмульсию лазерного импульса с длительностью « I0 с и засветки 10 с, точно так же импульса длительности 25.10 с и засветки несколько секунд.
Не исключено, что в случае предшествующего мощного лазерного импульса причиной обращения контраста так же как в случае эффекта Клайдена может быть образование глубинных центров скрытого изображения, десенсебилизирующих поверхностный, слой фотоэмульсии.
Наши эксперименты показали, что для наблюдения обращения контраста необходимо выполнение следующих условий: I/ лазерный импульс предшествует импульсу фоновой засветки, 2/ выполняется вполне определённое соотношение освещён-ностей от лазерного импульса и фоновой засветки /Е и EJ, 3/ экспозиция фоновой засветки должна достигнуть определённого значения.
Если интенсивность засветки лазерным излучением мала, то вместо десенсибилизации может происходить сенсибилизация фотоэмульсии к последующим слабым сигналам. На рис. 10/4/ кривая почернений соответствует случаю, когда на предварительно засвеченную слабым лазерным излучением фотопластинку экспонировалась фоновая засветка.
В схеме /рис. 12/ при большой интенсивности лазерного сигнала= 10 втД/г рассеяние на неоднородностях на пути пучка создавало дополнительную слабую засветку участков фотоэмульсии, закрытых непрозрачными частями транспаранта. Чувствительность фотоэмульсии в этих частях повышалась, что приводило к обращению контраста при экспозиции . значительно меньшей по сравнению с указанной ранее.
Таким образом, наши исследования показали, что совокупное воздействие на фотоэмульсию различных по интенсивности импульсов света, возникающих одновременно при использовании лазерных источников, достаточно сложно. В связи с этим количественные измерения проводились главным образом фотоэлектрическим методом. При использовании фотографической методики мы стремились учесть указанные особенности. При регистрации лазерных импульсов и импульсов ВР света устранялись последующие интенсивные фоновые засветки путём введения в пучок светофильтров и оптической задержки. При количественных измерениях марки почернения и изучаемые сигналы регистрировались в эквивалентных условиях. Для получения марок почернений использовался изучаемый импульс света. В этом случае устраняются ошибки, связанные с разной чувствительностью фотоэмульсии к излучению с сильно отличающейся мощностью; ошибки, связанные с различной спектральной чувствительностью фотоматериала и с нарушением закона взаимозаместимости /125/.
Импульс ВР света и марки почернения, освещенные импульсом БР, фотографировались на одну фотопластинку. Для регистрации марок почернения использовался ослабитель, состоящий из семи ступенек, пропускаемость которых менялась в пределах от 2% до 100$. Ослабитель устанавливался на щели спектрографа. Для получения равномерного освещения ослабителя перед щелью спектрографа помещалась матовая пластинка и рассеивающая линза. Равномерность освещения проверялась путём фотометрирования интенсивности в плоскости изображения щели. Фотопластинки проявлялись метолгидрохиноновым проявителем ДК-50. Распределение почернений на фотопластинке фотометрировалось на двухлучевом регистрирующем микрофотометре ЩЮ-45І. Почернения переводились в интенсивности с помощью марок почернений.
Энергетические характеристики ВР сверхкорот ких импульсов света
ВКР и BFKP возбуждалось гигантским импульсом второй , гармоники )П- лазера с самосинхронизацией мод. Длительность одиночного импульса лазерного излучения составляла 25 псек при максимальной мощности.800 Мвт, с расходимостью излучения 5.10 рад. В качестве рассеивающих сред использовались бензол, толуол, сероуглерод. Измерения были выполнены в слоях рассеивающего вещеатва толщиной 5 мм, 25 мм,и.80 мм. Длина возбуждающего импульса в пространстве составляла 7 мм. Принципиальная схема установки и методика измерений описаны в 1,5 гл. // . При достаточно высокой стабильности энергии импульса возбуждающего излучения /колебания энергии от вспышки к вспышке составляли не более №/ флуктуации энергии ВКР и ВРКР во всех исследуемых веществах были очень велики /более ста процентов/. На рис.29 приведены результаты измерений энергии ВРКР "назад" в слое сероуглерода толщиной 5 мм при увеличении энергии импульса накачки. В случае, когда толщина рассеивающего слоя примерно равнялась длине возбуждающего импульса в пространстве, статистические картины распределения интенсивности ВКР "вперёд" и "назад" при разных энергиях возбуждения были примерно аналогичны.
Конфигурация возбуждающего излучения /параллельный или сфокусированный пучок/ существенно не влияла на результаты эксперимента. Измерения расходимости ВРКР и ВКР "назад" показали, что она примерно на два порядка превосходила расходимость лазерного излучения, падающего на рассеивающую среду.
На рис.30 приведено распределение интенсивности в поперечном сечении пучка ВКР "назад" в слое бензола толщиной 5 мм на расстоянии rsj 50 см от кюветы и сечении пучка возбуждающего лазерного излучения на входе в кювету. Как видно из рисунка, ВКР "назад" выходит из кюветы широким пучком, в сечении которого наблюдается совокупность хаотически расположенных максимумов интенсивности. Положение этих максимумов и соотношение их интенсивнос-тей менялось от вспышки к вспышке. Аналогичные результаты были получены при BFKP и ВКР в сероуглероде и толуоле.
Приведённые результаты показывают, что в режиме сверхсвети-мости при длительности возбуждающего импульса 25.10 с отчётливо проявляются статистические шумовые свойства ВР. Наиболее высокий порог ВКР "назад", как показывает опыт, имеет место в сероуглероде и более низкий - в бензоле и толуоле.
В слоях рассеивающего вещества толщиной 25 мм и 80 мм, значительно больших длины возбуждающего импульса света в пространстве, при ВКР, распространяющемся коллинеарно накачке, отдельные усиленные флуктуационные выбросы усреднялись по объёму. В результате на выходе из кюветы флуктуации интенсивности ВКР "вперёд", значительные при толщине слоя 5 мм, т.е. порядка протяжённости возбуждающего импульса, становятся много меньше при толщинах слоя 25 мм и 80 мм /см. рис. 31 /.
Как видно из рис.31 , увеличение энергии возбуждающего импульса приводит в этом случае к заметному росту энергии ВКР "вперёд". При достижении определённого уровня энергии накачки энергия ВКР насыщается. Порог ВКР "вперёд" в слое вещества толщиной 5 мм значительно выше порога ВКР в слое толщиной 80 мм.
В таблице: I - толщина рассеивающего слоя, - минимальная энергия накачки, при которой возбуждается ВКР или ВНСР.
Неэквивалентные условия усиления при распространении ВР навстречу и параллельно накачке приводят к определённым отличиям характеристик ВР "вперёд" и "назад".
Так, например, в исследуемом диапазоне энергий импульса накачки при ВР "назад", в отличие от ВР "вперёд", значительные флуктуации интенсивности сохранялись и в слоях толщиной25 и 80 мм, не наблюдалось насыщение энергии ВР "назад".
Характер энергетической зависимости ВКР "вперёд" по мере увеличения толщины рассеивающего слоя приближался к энергетической зависимости ВКР при возбуждении импульсами наносекунднои длительности.
Дифракционная эффективность динамических голограмм при ВР света
Эксперимент показывает, что воздействие на вещество, активное в ВР, интенсивного интерференционного поля,лазерного излучения приводит к восстановлению этого поля в пучках возбуждённого им ВР /ВКР, ВРМБ/ света. Обнаруженное явление при молекулярном,рассеянии света отлично от известных в динамической голографии явлений, приводящих к записи и восстановлению амплитудных и фазовых характеристик излучения. Однако, имеются важные общие черты. При ВР наиболее полное восстановление амплитудно-фазовой структуры возбуждающего излучения происходит в слое среды, в котором формируется усиливающая ВР динамическая голограмма. В связи с этим при трактовке явления1мы используем, как и в более ранних работах, связанных с записью динамических голограмм / 151,152 /, некоторые идеи, развитые в традиционной голографии. По аналогии с статической голографией за дифракционную эффективность усиливающей ВР динамической голограммы примем величину: интенсивность первой стоксовой компоненты ВКР, падающей на динамическую усиливающую голограмму /кювету П/, 7? - интенсивность усиленной Стоксовой волны „а выходе ди намической голограммы, CTJ - интенсивность дифрагированных пучков.
В эксперименте с двумя кюветами, описанном в I настоящей главы, 7_j и J j измерялись с помощью калориметров, J -Id " Для энергии ВРМБ, приходящаяся на компоненты высшего порядка дифракции, оценивалась следующим образом.
Фотографировалось распределение интенсивности в Фурье спектре изображения,восстановленного при ВРМБ в ацетоне после кюветы П /см. рис. 49/. Фотопластинка фотометрировалась и почернения переводились в интенсивности. Затем строилось распределение интенсивности в Фурье спектре восстановленного изображения. Соотношение энергий нулевой и высших угловых гармоник определялось путём измерения и сравнения соответствующих площадей под кривой распределения интенсивности Фурье спектра.
При толщине слоя 5 см и 10 см ацетона в кювете П, выполняющей роль объёмной усиливающей голограммы, дифракционная эффективнасть составляла соответственно 50 - 10% и 160 t 20%. Сравнение дифракционной эффективности голограмм с отрицательным поглощением и обычно используемых абсорбционных голограмм ( в б %) и фазовых {.q = 32 %) показывает значительное преимущество первых.
Если падающее на вещество излучение мало изменяет/7- коэффициент преломления вещества, но приводит к существенному изменению 2 - коэффициента усиления, то самодифракция света возникает на амплитудной усиливающей решётке, связанной с модуляцией коэффициента усиления. Амплитудное пропускание такой усиливающей голограммы
Кривая, полученная в результате фотометрирования Фурье-спектра объекта, восстановленного при БРМБ "назад" в ацетоне. усиления,zit - толщина слоя голограммы. Вследствие экспоненциальной зависимости Т от толщины слоя пропускаемость Т усиливающей голограммы должна быстро расти по мере увеличения её толщины.
Интенсивность дифрагированных в первый порядок волн / пропорциональна квадрату первой производной по интенсивности амплитудного пропускания, также должна расти по мере увеличения толщины рассеивающего слоя. В качестве примера на рисунке50. приведена кривая зависимости /- интенсивности дифрагированных волн в слое вещества 2 см с коэффициентом усиления О = - 2 " = 1,5.10 см/Мвт при плотности мощности накачки 100 Мвт/см .
Из рисунка видно, что при толщине голограммы 20 мм наиболее эффективная дифракция происходит в слое толщиной 2 мм на выходе из объёма. К увеличению интенсивности дифракции вблизи выходного окна динамической усиливающей голограммы приводит с одной стороны увеличение глубины модуляции, с другой -экспоненциальный рост интенсивности считывающей волны по мере распространения света в толще голограммы. Довольно чёткая локализация изображения, восстановленного при ВКР, свойственная восстановлению с помощью тонких голограмм при сильном смещении частот записывающей волны и считывающей волны, может быть связана в значительной мере с указанным выше эффектом, характерным для усиливающих голограмм.
Влияние геометрии возбуждения на явление восстановления (обращения) волнового фронта света при БР в наносекундной области
Эффект восстановления волнового фронта света при ВКР "назад" в рассмотренных выше условиях возбуждения эквивалентен эффекту обращения волнового фронта света. Т.е. волновой фронт ВКР "назад" с точностью до постоянного множителя является комплексно сопряжённым волновому фронту возбуждающего лазерного излучения, падающего на кювету с.: рассеивающим веществом. Обращение волнового фронта света при ВКР наблюдалось в нелинейных средах, в которых оптические неоднородности искажали фазовые и амплитудные соотношения волновых фронтов падающего и рассеянного света, о чём свидетельствовали значительное увеличение расходимости лазерного излучения, прошедшего через вещество без смещения частоты заметно большая, чем у возбуждающего пучка света, расходимость ВКР "вперёд". Однако при достижении определённой толщины рассеивающего слоя и плотности мощности накачки происходило восстановление расходимости, распределения интенсивности и яркости светового потока ВКР "назад" до значений, соизмеримых с параметрами возбуждающего лазерного пучка света. При этом яркость светового потока ВКР "назад" была в 25 раз больше яркости светового потока ВКР "вперёд". При использовании для возбуждения одно-модового лазера при ВКР "назад" возникала практически плоская волна. Таким образом, рассеивающее вещество как бы отражает "назад" лазерное излучение со смещением по частоте, отвечающим наиболее интенсивному молекулярному колебанию среды. Но отражение не имеет зеркального характера и дело не только в сдвиге частоты "отражённого" пучка света. Различен ход лучей /см. рис. 53/. Когда на кювету с веществом направляется лазерное излучение, сфокусированное линзой, то "назад" лазер возбуждает ВКР так, что возбуждающий падающий луч и рассеянный практически совпадают, различаясь направлением, а в случае зеркала каждому падающему лучу, отклоняющемуся от нормали на угол d , соответствует отражённый луч, отличающийся от падающего на 2 oL, Различие хода лучей иллюстрирует следующий эксперимент. В пучок возбуждающего излучения помещался плоский не симметричный транспарант на расстоянии больше двойного фокуса от линзы, фокусирующей излучение в рассеивающее вещество. На рисунках54 а, б, в приведены обычное изображение освещенного транспаранта, полученное с помощью линзы /а/, отражение от плоского зеркала /заднего стеклянного окна кюветы/ /б/ и отражение от ВКР-зеркала /в/. Как видно из рисунков, в случае отражения лазерного излучения от ВКР, а также ВРМБ-зеркала получается неперевёрнутое действительное изображение объекта в плоскости, несколько смещённой относительно самого объекта для ВКР, и в плоскости, расположенной на таком же расстоянии, что и объект от кюветы с.рассеивающим веществом, дляіВРМБ /в/. Смещение фотопластинки относительно ЭТИХ ПЛОСКОСг тей приводило к ухудшению изображения.
В случае отражения от плоского заднего окна кюветы /обычного зеркала/ получалось перевёрнутое на % мнимое изображение объекта. На фотопластинке регистрировалось распределение амплитуды, соответствующее мнимому перевёрнутому изображению объекта /б/. Отличие ориентации отражений от ВР "зеркала" и плоского окна кюветы могут быть использованы для практических приложений. Так,можно различать ВР света "назад" и.отра жения от окон кюветы, либо граней кристалла, что особенно важно при малом смещении частоты ВР относительно накачки.
Описанный выше эксперимент иллюстрирует ориентацию изображения при ВР "назад" в плоскости, перпендикулярной оптической оси системы, или направлению распространения возбуждающего излучения. Ориентацию изображения вдоль оптической оси проясняет экспримент с двумя транспарантами-сеточками(р с55), расположенными на разном расстоянии от кюветы и перекрывающими разные части пучка лазерного излучения. По мере смещения фотопластинки в направлении от кюветы фокусируется последовательно изображение первой сеточки в пучке ВКР, затем в пучке ВРМБ. При дальнейшем смещении фотопластинки в том. же направлении фокусируется изображение второй сеточки в пучке ВКР, затем в пучке ВРМБ. Положение и увеличение восстановленных изображений описывались выражениями ( 30 у, приведёнными в предыдущем параграфе.
При ВКР "вперёд" восстановленное изображение, как показали эксперименты, ориентировано так же, как действительное изображение транспаранта в пучке накачки, построенное линзой, фокусирующей лазерное излучение в активное вещество.
Восстановление изображения, идентичного объекту, свидетельствует о восстановлении амплитудно-фазовых характеристик пучка накачки в пучке ВКР и ВРМБ. Совпадение ориентации изображения с ориентацией объекта свидетельствует об обращении волнового фронта лазерного излучения при ВКР "назад" и ВРШ, о воспроизведении волнового фронта лазерного излучения при ВКР "вперёд".
