Изобретение лазера и открытие нелинейно-оптических эффектов

Николай Басов	Александр Прохоров	Чарльз Таунс

Само изобретение лазера и мазера советскими учеными Николаем Геннадьевичем Басовым (1922–2001), Александром Михайловичем Прохоровым (1916–2002) и американским физиком Чарльзом Хардом Таунсом (род. 1915), за которое все трое были удостоены Нобелевской премии по физике 1964 года, находится скорее в рамках квантовой теории, чем в рамках оптики. Даже само название LASER расшифровывается как «Light Amplifier (based on) Stimulated Emission of Radiation» — усилитель света на основе вынужденного излучения.

Вынужденное излучение — типично квантовый процесс, предсказанный еще Эйнштейном и заключающийся в том, что падение системы, находящейся в возбужденном состоянии , в основное состояние  резко катализируется внешним электромагнитным полем с частотой  и сопровождается излучением фотона, когерентного фотоном, вызвавшим переход. Тем не менее, то же самое электромагнитное поле стимулирует и обратные переходы, сопровождающиеся поглощением фотона. Поэтому если создать инверсную населенность уровня , чтобы переходы  с поглощением происходили реже излучательных переходов , мы получим лавинообразное усиление электромагнитной волны резонансной частоты . Именно этот принцип заложен в основу лазера.

Несмотря на то, что «сердцевину» лазера составляет квантовая двухуровневая система с инверсной населенностью, этот прибор является ключевым именно в оптике. Причина тому — высокая интенсивность, когерентность и монохроматичность лазерного излучения. Условия генерации излучения удовлетворяются в узком интервале параметров, что позволяет без линз добиться пучков, обладающих высокой степенью параллельности.

Более того, лазер открыл новую область в оптике XX века — нелинейную оптику. В данном случае причиной послужила возможность создания электромагнитных полей высокой напряженности (особенно в импульсном режиме, когда за чрезвычайно малый промежуток времени в виде излучения выделяется большое количество энергии). Мощность излучения лазеров может достигать величин , которые соответствуют напряженностям

сравнимым с внутриатомными полями . Это приводит к тому, что абсолютно несправедливым является предположение о малости влияния волнового поля на движение электронов вещества. Действительно, обычно считается, что это поле приводит лишь к слабому «дрожанию» электрона в такт его колебаниям — но электрона, продолжающего двигаться по почти неискаженной атомной орбите. Такой подход линейной зависимости отклонения электрона от своего привычного положения от напряженности приложенного волнового поля (но не от его частоты!):

Здесь  — закон движения электрона в отсутствие поля , а коэффициент  называется поляризуемостью. Если электрический дипольный момент атома равен нулю в отсутствие поля, то при его наличии он станет равным , поэтому  атомов в единице объема будут иметь общий дипольный момент, называемый поляризацией среды

где  — диэлектрическая восприимчивость вещества,  — диэлектрическая проницаемость. Из этого рассмотрения получаются линейные эффекты в электромагнитной теории и, как следствие, в оптике.

Что же изменится, если не считать поправки к движению электрона малыми? Говоря формально, зависимость поляризации среды от приложенного поля становится нелинейной:

Здесь нелинейные восприимчивости  имеют, вообще говоря, не скалярную, а тензорную природу, чтобы привести нужные степени электрического поля к векторной форме. В компонентах записанная связь выглядит так:

где по индексам  подразумевается суммирование от 1 до 3. Такая связь приводит к нелинейным добавкам в уравнения поля, приводящим к удивительным явлениям. Отметим также, что нелинейная зависимость поляризации от напряженности поля характерна для сегнетоэлектриков — веществ, ведущих себя по отношению к электрическому полю аналогично тому, как ферромагнетики ведут себя по отношению к магнитному. 

Прежде всего, явление нелинейности говорит о нарушении принципа суперпозиции, т.е. две световые волны, распространяясь сквозь вещество, начинают «чувствовать» друг друга — взаимодействовать. Точно также возникает самодействие световой волны.

Вспомним известное тождество из тригонометрии:

Благодаря этому тождеству волна с частотой , распространяющаяся в среде с квадратичной нелинейностью, порождает колебания поляризации удвоенной частоты. В результате рождается так называемая вторая гармоника — электромагнитная волна с удвоенной частотой. Точно так же,

поэтому, при распространении двух волн с разными частотами в квадратично-нелинейной среде возбуждаются волны не только удвоенных частот, но и их суммы и разности исходных. Этот эффект хорошо известен в радиотехнике и используется для выделения из приходящего от антенны сигнала нужную частоту. Эффект сложения частот используется в оптике для параметрического усиления света и оптическом выпрямлении света — преобразовании колебаний высокой частоты в постоянное электрическое поле.

Генерация второй оптической гармоники на нелинейном кристалле была впервые осуществлена П. Франкеном, А. Хиллом, К. Петерсом и Дж. Вайнрихом в 1961 году с использованием рубинового лазера (красная линия ). Из кристалла выходило два луча — с длиной волны  и  — после чего второй из них отделялся с помощью призмы. Франкен, Вайнрайх вместе с М. Басом и Дж. Вордом через год также осуществили экспериментальное выпрямление (ректификацию) лазерного импульса.

Среди других эффектов необходимо упомянуть самофокусировку света: в области, где проходит световой пучок, эффективный показатель преломления оказывается больше, чем в окружающем его кристалле, и пучок из-за рефракции стремится уменьшить свое поперечное сечение. Это явление также было предсказано и наблюдалось в 1960-х годах.

Многие нелинейные оптические эффекты происходят от электрооптического эффекта Керра, открытого шотландским физиком Джоном Керром (1824–1907) в 1875 году. Эффект заключается в зависимости показателя преломления некоторых кристаллов от приложенного к ним постоянного электрического поля:

где  — некоторый коэффициент. Возможно также наведение двулучепреломления (оптической анизотропии) включением электрического поля. Оказывается, у эффекта Керра практически отсутствует инерция: как только приложено поле, показатель преломления меняется в соответствии с квадратичным законом Керра. Поэтому он справедлив и для быстро меняющихся полей. Для некоторых веществ характерен эффект Поккельса — наведение оптической анизотропии, линейной по созданному электрическому полю. Эффект назван в честь Фридриха Карла Альвина Поккельса (1865–1913), открывшего его в 1893 году. Эффект Поккельса, как и Керра, обладает очень малой инерцией — порядка .

Эффекты Керра и Поккельса является менее высокочастотным аналогом наблюдаемых в современных экспериментах нелинейных оптических эффектов.

<<К предыдущему эксперименту  |  Оптика  |  К следующему эксперименту>>