CC BY
10
УДК 621.378.9:535.36
О НЕУСТОЙЧИВОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ТРИФОТОНА
В РЕЗОНАНСНОЙ СРЕДЕ
В. Е. Оглуздин
Рассмотрены резонансные нелинейные эффекты, сопровождающие распространение импульса когерентного излучения наносекундной длительности сквозь кювету с парами атомарного калия в случае, если показатель преломления п ф 1 (вблизи перехода 451/2 — 4РЗ/2).
. ■ . Г" ~ - .1 ' -
Генерация 3-й гармоники в атомарных парах щелочных металлов давно привлекала внимание исследователей возможностью продвижения в ультрафиолетовую область спектра. Действительно, использование в качестве накачки V стандартных лазеров и генераторов гармоник в режиме импульсов наносекундной длительности позволяет получать излучение на частоте 3-й гармоники
V + V + V = Зг/ = (1)
Среди уравнений, рассмотренных в [1] и описывающих нелинейную реакцию материальной среды на действующие поля, содержатся уравнения для полей с резонансными частотами, обеспечивающими соответствующий резонансный выигрыш, в том числе и в случае генерации 3-й гармоники. Однако, если поля близки к резонансам атомной си стемы, разделение различных нелинейных эффектов из-за их конкуренции между собой в этом случае оказывается затруднительным. Однофотонный резонанс между уровнями одинаковой четности (5 — 5", Р — Р) или двухфотонный резонанс между уровнями противоположной четности (Б-Р) могут обеспечить рост регистрируемого на частоте 1/3 сигнала. Однако, если частота излучения накачки оказывается вблизи разрешенного перехода (правило отбора АЬ = ±1), ситуация для наблюдения 3-й гармоники изменяется - конкурирующие процессы не позволяют получить на выходе кюветы сколь-нибудь заметный уровень сигнала на частоте Vз [2].
Конкурирующие процессы, наблюдаемые в парах атомарного калия [3, 4] и подчиняющиеся закону сохранения энергии, в резонансной двухуровневой среде можно представить следующим образом.
Случай и < foi, где иог - частота перехода 451/2 — 4РЗ/2:
I/ + I/ + I/ = 3l/=F=b (i/3) —► vs + vas + vas (2)
(us,vas смотри далее, (6), (7)).
Случай V > Voi:
v + v + v = ЗУ** («*) -> + v'l + v'l (3)
WL-, v"s смотри далее, (9), (10)).
В резонансных условиях для импульсов длительностью несколько наносекунд ожидаемый на выходе кюветы поток квантов 3-й гармоники зарегистрировать не удается даже с помощью высокочувствительного фотоумножителя; они оказываются виртуальными, быстрораспадающимися. Эти неустойчивые виртуальные образования мы и назовем трифотонами. Их распад подтверждает наблюдаемое на выходе кюветы ушире-ние спектра падающего в кювету излучения накачки вплоть до частот vas, v»,vas,v", обычно ограничивающих дальнейшее уширение спектра [5]. Как правило, уширен не спектра имеет несимметричный характер: если частота накачки ниже частоты резонансного перехода - спектр уширен в стоксову область: если частота накачки выше частоты резонансного перехода - спектр уширен в антистоксову область. Уширение принято связывать с процессом амплитудно-фазовой модуляции [5].
Случай и < vq\ был рассмотрен в работе [3]. Там было показано, что распространение составляющей выходного излучения на частоте vas происходит по образующим конуса, причем угол раствора 0 такого конуса подчиняется черенковскому условию, со впадающему с условием фазового синхронизма для шестифотонного параметрического процесса (2):
cos0 = Кпоп / Каз, (4)
где КПоп ~ волновое число распространяющейся в атомарной среде нелинейной поляризации (поляритона) на частоте va3\ его величина может быть вычислена по формуле
Knon = (3K-Ks)/2, (5)
где Kas = 2тгпаз/Хаз; Ks — 2nns/Xs-, К = 27гп/А - волновые числа; А, и га, - соответствующие длины волн и показатели преломления; As - длина волны 3-фотонного электронного ВКР, отвечает процессу [6, 7]:
vs = 2v- vqi, (6)
и, наконец, согласно [3]:
V*, => + V0i)/2. (7)
1
Остановимся еще на одной составляющей выходного излучения, также распространяющейся по образующим конуса. Для этого используем модель двухкомпонентной двухмодовой среды.
Профиль интенсивности лазерного пучка, падающего в кювету, близок к гауссову, причем на оси пучка - интенсивность максимальная.
Показатель преломления среды, оптические свойства которой моделируются гармоническим осциллятором, в области частот v < foi вблизи резонанса в слабом поле обычно n{i>) > 1. Комбинационный процесс (6) способен перевести электроны с уровня О на уровень 1. Фотоны на частоте vs, для которых ns —► 1, опережают фотоны накачки. На оси пучка среда, вследствие выравнивания населенностей, изменяет свои свойства и га на частоте накачки стремится к 1. На оси пучка появляется пространственная "щель" [8], внутри которой находится среда с измененными свойствами - вторая мода среды. Поэтому вдоль оси пучка фотоны накачки с частотой v начинают двигаться со "сверхсветовой" скоростью С - скоростью света, в то время, как вне оси пучка, там, где плотность фотонов падает, согласно гауссовому распределению, их фазовая скорость в слабом поле соответствует величине C/n(v). Согласно условию Черенкова [6]:
cos в = C/n(v)C = l/n(i/), (8)
эти "сверхсветовые" фотоны (поляритоны), двигающиеся вдоль оси пучка, также способны вносить вклад в излучение, распространяющееся по образующим черепковского конуса (уже на своей частоте).
Отметим, что на частоте vas "сверхсветовых" фотонов нет. Роль сверхсветового источника выполняет наведенная в атомарных парах нелинейная поляризация - поляритон (5).
Появление в кювете на оси светового пучка "управляющего" излучения на частоте 3-фотонного ВКР имеет близкую аналогию в электронике. Подобное присутствие напряжения смещения на сетке управляет потоком электронов в радиолампе. В рассматриваемом нами случае, относящемся к оптике, с помощью 3-фотонного ВКР осуществляется "открывание" кюветы для фотонов накачки V.
Для случая V > мы также применим двухкомпонентную, двухмодовую модель среды. В этой области спектра для отстроек от резонансного перехода, достигающих 50 см~х, показатель преломления исследуемых паров < 1, и фотоны пучка при их распространении вперед должны были бы двигаться со скоростью, большей скорости света, что недопустимо. Возникает потенциальный барьер на границе среды - паров атомарного калия, - который может быть преодолен в два этапа. Первый этап формирование предвестника, способного распространяться вблизи резонанса с разрешенной скоростью С, - (с увеличением отстройки в области нормальной дисперсии показатель преломления п достигает 1). Таким предвестником может оказаться излучение на ча-
Это излучение сдвинуто относительно частоты накачки в область более высоких ча стот, там, где nas —> 1, и это обстоятельство позволяет, в первую очередь на оси пучка, там, где интенсивность пучка максимальна, изменить соотношение населенностей меж-ду уровнями 0 и 1. В результате процесса (9) населенности уровней выравниваются и вдоль оси пучка формируется узкий канал — "щель", вдоль которого среда изменяет свои свойства - n(v) = 1, и вдоль которого нет запрета на распространение фотонов на частоте накачки v внутри этого узкого канала - уже на втором этапе процесса. На выходе кюветы вследствие дифракции на малом выходном отверстии (мягкая диафрагма) излучение на частоте накачки "разбрызгивается" в широкий угол, в чем можно убедиться, исследуя микрофотограммы ближнего поля. На частотно-угловой спектрограмме, приведенной на рис. 1, такое "разбрызгивание" накачки регистрируется в вертикальном направлении - вдоль в. Так как при этом избыток электронов на верхнем уровне 1 оказывается невыгодным, комбинационный процесс (9) переходит в параметрический (3), где:
стоте í/'s [6, 7]:
v"s = 2u- í/oi, (v > un).
(9)
v's = {v01 + f)/2.
(10)
> к
v"s v v"as
I I
v02 vOl
Рис. 1. Частотно-угловая спектрограмма излучения на выходе кюветы с парами калия. Схема регистрации таких спектрограмм с помощью спектрографа ДФС-8 представлена в работе [4]. По горизонтальной оси - развертка частотного спектра. Расстояние между реперными линиями (451/2 — 4РЗ/2) — и01? (451/2 — 4Р1/2) — и02 равно 57 см'1. Частота накачки находится в области спектра, где п < 1. Структура накачки и - несколько узких дискретных линий, заполняющих спектральный интервал, обозначенный на рисунке широкой стрелкой. Энергия импульса накачки на входе в кювету ЗмДж. Длительность импульса - Юме. Температура паров калия в кювете - 200 — 220°С. Оптическая схема допускает регистрацию излучения, рассеиваемого относительно оси пучка накачки на угол в = 30—40'. На выходе кюветы антистоксова граница уширенного спектра соответствует частоте г/д, —'21/ — 1/01, стоксова граница - I/" — (г/01 +
Схема эксперимента и условия получения таких спектров представлены в работах [3, 4].
И в этой области частот трифотон из-за эффективно конкурирующих и взаимодействующих между собой процессов (9) и (10) оказывается виртуальным.
Если у фотона существует поперечный размер [9], то процесс " продавливания" фотонов на частоте накачки и через кювету с атомарными парами калия при и > 1/01 может быть использован для измерения этого размера по "горячим" точкам, наблюдаемым на выходном окне кюветы [5, 10].
Автор выражает глубокую благодарность Болотовскому Б. М. за интерес и внимание, проявленные к работе, и Пустовому В. И. за поддержку.
ЛИТЕРАТУРА
[1]Бломберген Н. Нелинейная оптика, М., Мир, 1966.
[2] Райнтжес Дж. Нелинейные оптические параметрические процессы в жидкостях и газах, М., Мир, 1987.
[3] О г л у з д и н В. Е. Письма в ЖТФ, 1, 563 (1975).
[4] О г л у з д и н В. Е. ЖЭТФ, 79, 361 (1980).
[5] А х м а н о в С. А., Ковригин А. И., Максимов С. А., Оглуздин В. Е. Письма в ЖЭТФ, 15, 186 (1972).
[6] А н и к и н В. И., К р ю ч к о в С. В., О г л у з д и н В. Е. Квантовая электроника, 1, 1923 (1974).
[7] Б ад а л ян А. М., Д а б а г я н А. А., М о в с е с я н М. Е. ЖЭТФ, 70, 1179 (1976).
[8] Г и н з б у р г В. Л. Теоретическая физика и астрофизика, М., Наука, 1981.
[9] Б а р ы к и н В. Н. Атом света, Издатель В. М. Скакун, (Минск, 2001), стр. 253.
[10] Grischkowsky D.D. Phys. Rev. Lett., 24, 866 (1970).
Поступила в редакцию 8 июля 2002 г.
