Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I
1.1. Краткая история исследований по вынужденному рассеянию оптического излучения 9
1.2. Процесс вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и возможные его практические приложения
1.3. Явление обращения волнового фронта 16
III. ГЛАВА П. Лазерная установка и измерительнбе приборы ... 29
2.1. Создание лазера для исследования процессов вынужденного рассеяния 29
2.2. Измерительные приборы, используемые в эксперименте 43
ІV. ГЛАВА III. Использование явления обращения волнового фронта для компенсации нелинейных искажений светового пучка 51
3.1. Экспериментальное исследование возможности полной компенсации нелинейных искажений светового пучка с помощью обращения его волнового фронта 51
3.1.а. Схема экспериментальной установки и результаты эксперимента 51
3.1.6. Теоретический анализ и обсуждение результатов эксперимента 55
3.2. О влиянии самовоздействия пучков со сложной пространственной структурой на обращение волнового фронта 58
V. ГЛАВА ІV. Баланс энергии и коэффициент преобразования при вынужденном рассеянии света 61
4.1. Постановка задачи
4.2. Схема.экспериментальной установки и результаты эксперимента 69
4.3. Численные решения модельных систем 76
VI. ГЛАВА V. Метод дистанционного измерения температуры прозрачных сред на основе ВРМБ 98
5.1. Постановка задачи 99
5.2. Описание экспериментальной установки 101
5.3. Результаты эксперимента и обсуждение 105
Заключение 119
Литература
- Процесс вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и возможные его практические приложения
- Измерительные приборы, используемые в эксперименте
- Схема экспериментальной установки и результаты эксперимента
- Схема.экспериментальной установки и результаты эксперимента
Процесс вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и возможные его практические приложения
Вынужденное рассеяние Манделыптама-Бриллюэна (ВРМБ) впервые наблюдали Чао, Таунс и Стойчев [ЗО] в кристаллах кварца и сапфира. Вслед за этим ВРМБ наблюдалось также в жидкостях (1964-65 гг.),в сжатых газах (1965-70 гг.), в стеклах (1965-72 гг.), в кристаллических телах (1965-68 гг.) [02].
В теоретическом анализе ВРМБ - это процесс, аналогичный ВКР, в котором вместо оптических фононов выступают акустические фононы. Иначе говоря, если в вынужденном комбинационном рассеянии главную роль играют свойства отдельных молекул, то в вынужденном рассеянии Манделыптама-Бриллюэна определяющую роль играют свойства всей среды - сжатого газа, жидкости или кристалла.
Это различие было отмечено еще в экспериментах Дебая и Сирса, Лукаса и Бикара L УЗ J по дифракции света на ультразвуковой волне в жидкости. Действительно, жидкость, через которую проходит ультразвуковая волна, ведет себя по отношению к свету как объемная дифракционная решетка. Исследование дифракции света на ультразвуке позволяет определить скорость и поглощение акустических волн, cm.
Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна можно объяснить на основании простой качественной схемы 1923 . Адиабатические флуктуации плотности или флуктуации давления можно рассматривать как упругие волны разных частот (спектр)расходящиеся во всех возможных направлениях внутри рассматриваемого объема. С другой стороны, исследование теплоемкости твердых тел привело к концепции тепловых упругих волн Дебая. Согласно Мандельштаму, эйнштейновские волны флуктуации плотности равнозначны дебаевским упругим волнам. В этом случае рассеянный свет возникает из-за дифракции света на дебаевских упругих волнах. Согласно Бриллюэну E$SJ световая волна взаимодействует с упругой волной среды вследствие электрострикции. В случае света малой интенсивности электрострикция так незначительна, что не может изменить внутренних движений среды. Однако гигантские лазерные импульсы способны вызывать электрострикционное давление порядка тысячи атмосфер. Такие давления могут уже существенно изменить характер внутренних движений среды, создавая новые условия для интенсивного рассеянии света. При таком подходе вынужденное рассеяние Манделыптама-Бриллюэна можно считать вызванным нелинейным взаимодействием сильной лазерной волны, рассеянной вследствие электрострикции.
Для получения соотношений, адекватно описывающих выполненные нами эксперименты, обратимся к исходной полной системе уравнений Максвелла для материальной среды, из которой можно получить уравнение для электрического поля световой волны, учитывающее нелинейные свойства самой среды распространения.
В том случае, когда напряженность внешнего электрического поля по порядку величины сравнима с внутренним полем среды, для электрического поля имеем следующее волновое уравнение: VА В - с -рг - U4 где ЗГ"» - Е+ № $Л+ ЯРМ П.НЛ N и у нелинейная электрическая поляризация, которая - ІЗ в случае изотропного тела записывается в виде
Измерительные приборы, используемые в эксперименте
Измерение длительности светового импульса производилось .с помощью коаксиального фотоэлемента типа ФК-І9 и скоростного осциллографа с памятью типа C8-I2. Для измерения энергии излучений использовался измерительный комплекс, который состоит из схемы электронной калориметрии /собранный в специальной головке/ и стандартного частотомера Ф-504І. На рис. 2,9 показана блок-схема электронного калориметра. Принцип работы электронного калориметра заключается в следующем. Световой импульс после преобразования на фотодиоде /использовался фотодиод типа ФД-7Ц/ лос-тупает на электронную схему калориметрии, которая состоит из электрической схемы, разработанной нами специально для проведения экспериментальных исследований. Электрический импульс с фотодиода преобразуется в прямоугольный импульс, длительность которого пропорциональна энергии падающего светового импульса. И далее подается на частотомер Ф-504І, который измеряет фактически длительность преобразованного импульса. Временные диаграммы, представленные на рис. 2. 40 , поясняют работу электрической схемы. Электрический импульс с фотодиода длительностью / 20 мкс /рис. 2ЛО%// положительной полярности поступает на схему потокового повторителя, который служит буферным каскадом между фотодиодом и остальной частью схемы калориметрии. Истоковый повторитель собран на полевом транзисторе КП-ЗОЗБ. Далее электрический импульс поступает на схему треугольного импульса, в который длительность выходного импульса пропорциональна амплитуде входного импульса. Спад импульса практически линеен и независим от амплитуды /рис. 2,40 о /. Треугольный импульс после ограничения /рис. 2r SO ё / амплитудой І в положительной полярности поступает на компаратор, собранный на операционном усилителе серии К І40УД6, который формирует прямоугольный импульс /рис. ./ z/ определенной амплитуды и переменной длительности в зависимости от входного электрического импульса.
Из сравнения эпюр, изображенных сплошной и штриховой линиями, хорошо видна линейная зависимость длительности импульса на выходе от. амплитуды входного импульса. Динамический линейный диапазон с точностью + 1%, полученный нами для данной электронной калориметрии;
Принципиальная электрическая схема электронного калориметра приведена на рис. &.U . Кроме того, для экспериментального исследования влияния нелинейного поглощения на коэффициент преобразования при ВРМБ был использован измерительный комплекс на базе ЭВМ "Yj/lUROnovOs ", состоящий из стандартного крейта "КАМАК", дисковода и дисплея с пультом управления. На рис. с?./ показан общий вид дисплея с пультом управления и крейта "КАМАК". Для измерения амплитуды калиброванных импульсов в цифрах нами использовались четыре ана-логово-цифровых преобразователя /АЦП/ типа 712, которые устанавливались в крейте "КАМАК". Диапазон регистрируемых амплитуд электрических импульсов АЦП от 20мВдо 10,24 в. При этом интегральная и дифференциальная линейность составляет - 0,1$ ± 2% соответственно. Для согласования выхода с фотодиода и входа АЦП использовалась схема буферного каскада типа истокового повторителя. Из всего тракта прохождения электрического сигнала - от светового импульса до выхода информации в цифрах, буферный каскад наиболее сильно влияет на его линейность.
Проверив ряд различных схем согласования, мы остановлись на буферном каскаде типа истокового повторителя, который позволил получить удовлетворительную линейность всего электрического тракта.
Электронные калориметры, используемые в экспериментах, были калиброваны с помощью стандартного калориметра ИКТ-Ш.
Вопрос о взаимном влияний самофокусировки и обращения волнового фронта /ОВФ/ представляется в настоящее время весьма актуальным в связи с непрерывно расширяющейся областью приложений явления № №?-/#!.
Особенно остро этот вопрос стоит в экспериментах по формированию световых пучков в мощных лазерных установках. Кроме того, крайне важный вопрос о степени воспроизведения при использовании для ОВФ в качестве бриллюэновского зеркала (БЗ) конденсированной среды, обладающей в общем случае кубичной нелинейностью, насколько нам известно, до появления нашей публикации/" f J ж работы I 44A, JB литературе не обсуждался, хотя экспериментально наблюдалось EJ Oj, что в определенных условиях самофокусировка сток-совой волны при ВКР препятствует восстановлению изображения. Для того, чтобы отделить в эксперименте влияние самофокусировки на ОВФ от других возможных искажений волнового фронта, мы исследовали в нашей работе/ f взаимосвязь этих явлений в схеме /рис. J. { /, где ОВФ реализуется в жидкости С Ctif с малой нелинейностью /кювета Со/, а нелинейные искажения возникают при прохождении падающей Е+ и отраженной Е_ волн через кювету Ъ% с сильно
Схема экспериментальной установки и результаты эксперимента
Как было отмечено в I главе, в последние годы оптические схемы с использованием ВР зеркал находят различные применения в лазерной оптике и активно исследуются в различных лабораториях /У /# / _7. В связи с этим важную роль приобретает вопрос о величине коэффициента преобразования и пропускания таких ВР зеркал, а также характеристика, которую в дальнейшем мы будем называть балансом энергии и которая указывает какое количество исходной энергии светового пучка накачки выходит из кюветы в виде направленного излучения назад и проходит через кювету вперед. В отсутствие потерь баланс энергии процесса ВРМБ близок к единице. В литературе, вообще говоря, неоднократно отмечались как высокие л/ 95%, так и низкие 30% коэффициенты преобразования при ВР Jtyf _7 и анализировались различные механизмы и причины, обусловливающие насыщение коэффициента преобразования. Во многих практических прикладных схемах лазерной оптики важно получить коэффициенты преобразования при ВР близкие к единице, а в ряде схем /см. гл.З, а также C4f Р J эти требования носят принципиальный характер. С другой стороны, на практике хорошо известно, что есть "хорошие" материалы для ВРМБ зеркал , такие, например, как сероуглерод, четыреххлористый углерод, шестифтористая сера, четыреххлористый талий,легаз / -/#_7, в которых при определенной геометрии оптической схемы ВРМБ зеркала могут быть получены высокие коэффициенты преобразования до 90$ C V60 и "плохие", где для любых уровней накачки и схем фокусировки он существенно ниже (например, ацетон) см. L(HC3 . Поскольку линейное поглощение может быть мало, как в "плохих", так и в "хороших" зеркалах, очевидно, что для объяснения указанных выше свойств необходимо привлекать нелинейные механизмы потерь, в частности, двух и трех фотонное поглощение или другие нелинейные механизмы поглощения, пропорциональные второй или третьей степени интенсивности световой волны. Заметим, что в рассматриваемом случае речь фактически идет не об истинных линейном или v\ -фотонном поглощении, а о некоторой нелинейной экстинкции., включающей кроме собственно поглощения нелинейное рассеяние на микрочастицах \j47- 14&], ВР под большими углами, пробой среды О з] и т.д. Все эти нелинейные механизмы экстинкции приближенно описываются диссипативными членами нелинейной поляризации пропорциональными четным степеням поля.
Для детального анализа энергетических характеристик ВР в различных случаях нами выполнены эксперименты по прецизионному измерению энергетических характеристик пучков при ВР, а также выполнены расчеты (в основном на ЭВМ), создающие достаточно полную картину влияния различных нелинейных механизмов диссипации энергии на процессы; ВР.
Прежде всего, анализируя общее выражение для нелинейной поляризации поля (см. введение) для изотропной среды: отметим, что мнимые части восприимчивостей различных порядков ответственны за изменения амплитуд световых полей как при перекачке энергии из одних волн в другие /ВР), так и за счет непосредственной диссипации энергии в объеме взаимодействия. В некоторых случаях эти два типа процессов можно рассматривать по отдельности, однако в общем случае и, в частности, это будет показано ниже, они в большой мере влияют друг на друга и определяют зависимость баланса энергии и коэффициента преобразования при ВР, как от уровня волны накачки, так и от геометрии оптической схемы возбуждения ВР. Для анализа энергетических характеристик ВРМБ зеркал, в частности, порога ВР в случае нелинейного поглощения можно, вообще говоря, применять "теории возмущений", полагая, например, что основную роль в процессе играет многофотонное поглощение, иди же? наоборот преобразование на основе ВР. Поскольку для большинства таких процессов (по отдельности) общее решение получить достаточно просто, можно анализировать области, где либо ВР, либо поглощение играет исчезающе малую роль C-/f3 Л Вднако, поскольку на практике нас интересует динамика коэффициента преобразования при различных соотношениях указанных параметров, представляется целесообразным провести модельные расчеты,непосредственно учитывающие динамику взаимодействия различных процессов,и таким образом воссоздать общую картину энергетики процессов при ВР и границ применимости различных приближенных формул. В проведенном выше анализе нас в основном интересовали усредненные по сечению пучка энергетические характеристики взаимодействующих волн.
Схема.экспериментальной установки и результаты эксперимента
Оптическая схема экспериментальной установки для исследования энергетических характеристик ВР приведена на рис. п.і , Задающий генератор (см.главу 2) (лазер на неодимовом стекле Д = 1,06 мкм) с пассивной модуляцией добротности работал в режиме одной продольной и одной поперечной (ТЕМ00) моды.
Длительность импульса составляла " 25 нсек. Излучение задающего генератора после прохождения двух каскадов усилителей (каждый каскад - двухпроходный усилитель) преобразовывалось во вторую гармонику ( J1« 0,53 мкм) на кристалле ВДР. Энергия излучения второй гармоники достигала 0,5 Дж при расходимости 5.I0"4 рад, первая гармоника поглощалась в жидком фильтре (TF - насыщенный раствор медного купороса). Временные характеристики излучения регистрировались осциллографом C8-I2. Оптическая схема эксперимента позволяла измерять энергии излучения накачки, до и после кюветы с исследуемым веществом ( йиг и VLLout соответственно) и сигнал ВРМБ ( ut/чз ). Сигналы с измерителей (калиброванные фотодиоды) энергии накачки ( ui„ » (XUbrt и ВРМБ ( $ /16 ) поступали на аналого-цифровые преобразователи блока КАМАК и обрабатывались на ЭВМ (см. главу 2). Через видеоканал ЭВМ на экран телевизора выводились зависимости энергии излучения, прошедшего через среду ( (xiouf ), ВРМБ ( &Мб ) и коэффициента Q-lWLout ІУмь// t равного отношению энергии излучения, выходящего из среды под углами 0,1 рад вперед и назад к энергии излучения, входящего в кювету. Абсолютная калибровка электронного калориметра проводилась стандартным калориметром ИКТ-Ім. Калибровка линейности калориметров проводивсь перед каждой серией экспериментов в соответствующем диапазоне энергии падающего излучения. Систематическая ошибка за счет нелинейности характеристики электронной схемы не превышала 6% и учитывалась при обработке экспериментальных результатов. Кроме того, проводилась проверка сохранения баланса энергии в линейном случае во всем динамическом диапазоне АЦП. Для этого вместо кюветы с исследуемой средой устанавливалось 50% зеркало так, чтобы отраженный свет попадал на калориметр uAf/5 см# Рис ) При этом баланс энергий выполнялся с точностью /v (+3%) во всем динамическом диапазоне АЦП и энергий лазерного излучения, причем разброс отсчетов носил статистический характер (см.рис. Ч-З ).
Баланс энергии в области небольших коэффициентов преобразования при ВРМБ экспериментально исследован нами в ряде жидкостей. Характерные измеренные зависимости приведены на рис. Ч.Ч А.В.С. для дистиллированной и водопроводной воды, а также ацетона соответственно. В четыреххлористом углероде и нитробензоле 4.4Д нелинейное поглощение в области порога ВРМБ не превышает 10% и характерные зависимости аналогичны приведенным
Видно, что в ацетоне и водопроводной воде (рис. Ц.Ч ft,C) баланс световой энергии существенно нарушался (нелинейное поглощение достигало г 40%.
Спектры поглощения ацетона, дистиллированной воды в области длин волн 200-300 нм показаны на рис. Ц.5" .Из рисунка 4-f видно, что в данной области длин волн резонансные линии поглощений для дистиллированной воды отсутствуют, а для ацетона в этом диапазоне сильное поглощение. Таким образом, нарушение баланса световой энергии (рис. /. /5,0 ) в ацетоне может быть обусловлено истинным двухфотонным поглощением. Для водопроводной воды нелинейная экстинкция и нарушение баланса может быть связано как с двухфотонным поглощением, так и с нелинейным рассеянием на примесях /Y47 _/.
При выполнении расчетов по взаимодействию двух встречных волн трудности связаны в основном с постановкой граничных условий. Дело в том, что известным параметром следует, вообще говоря, считать мощность падающей волны накачки rL ft )І% 0 ІІО и начинать расчет с j? = 0. Однако задать мощность волны
is ( /А 0 нельзя, поскольку она неизвестна. Учитывая, что линейное и нелинейное поглощение, а также перекачка волны / в Ps существенно изменяет амплитуду волны гъ , предсказать какая она будет в точке % = I , также не представляется возможным.
