Вимушене комбінаційне розсіяння в умовах самофокусування збуджуючої електромагнітної хвилі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський університет імені Тараса Шевченка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Вимушене комбінаційне розсіяння в умовах самофокусування збуджуючої електромагнітної хвилі

Спеціальність 01. 04. 05 оптика, лазерна фізика

Іванісік Анатолій Іванович

УДК 535. 375

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі медичної радіофізики радіофізичного факультету Київського університету імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент Малий Віктор Іванович (доцент кафедри медичної радіофізики радіофізичного факультету Київського університету імені Тараса Шевченка).

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Погорелов Валерій Євгенович (професор кафедри експериментальної фізики фізичного факультету Київського університету імені Тараса Шевченка); кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Говорун Дмитро Миколайович (завідувач відділу молекулярної біофізики Інституту молекулярної біології та генетики НАН України).

Провідна установа: Інститут фізики НАН України (м. Київ).

Захист відбудеться “22” березня 1999 р. о 14³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26. 001. 23 у Київському університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 252127, Київ-127, просп. акад. Глушкова, 6, фізичний факультет.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського університету імені Тараса Шевченка за адресою: 252033, Київ-33, вул. Володимирська, 58.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЇ

Актуальність теми. З часу свого відкриття вимушене комбінаційне розсіяння світла (ВКР) стало об'єктом особливої уваги і завдяки інтенсивним дослідженням набуло застосування у вирішенні широкого кола прикладних проблем. Зокрема, на основі ВКР значні успіхи досягнені в ефективному перестроюванні частоти лазерного випромінювання. Перспективними напрямками використання ВКР стали: зведення та поліпшення оптичної якості лазерних пучків; підвищення яскравості, інтенсивності, енергії випромінювання лазерів та їх коефіцієнта корисної дії; компресія світлових імпульсів; генерація солітонів; обернення та корекція хвильового фронту; спектроскопія імпульсного збудження ВКР та оберненого комбінаційного розсіяння (ОКР). ВКР може використовуватись також для перетворення зображень з підвищенням частоти, створення оптичної оперативної пам'яті, прямого підсилення оптичних інформаційних сигналів, в оптичній томографії.

Надзвичайно широке коло застосування визначає значущість детального вивчення закономірностей процесу ВКР у реальних середовищах. Проте розроблена теорія ВКР дає задовільні результати тільки у газах і деяких кристалічних середовищах із слабкою здатністю до самофокусування (СФ). Незважаючи на зусилля теоретично чи на основі експериментальних досліджень з'ясувати фізичні механізми, що обумовлюють характерну кутову структуру та великі спектральні розширення ліній ВКР у самофокусуючих рідинах, бажаного результату досягти не вдалося. Зроблені на основі проведених досліджень висновки були не завжди достатньо обгрунтованими та значною мірою суперечливими. Виявлені особливості процесу ВКР, що не дістали належного пояснення, назвали аномаліями ВКР.

З іншого боку, тривалий час вважалося, що цікавий з фізичної точки зору ефект СФ не має перспектив практичного використання і відіграє негативну роль, ускладнюючи перебіг інших нелінійно-оптичних процесів (зокрема, ВКР) та знижуючи стійкість прозорих середовищ до інтенсивного лазерного випромінювання. Результати останніх досліджень показали хибність таких поглядів. Нового імпульсу набула ідея самоканалювання потужних ультракоротких лазерних імпульсів. Досягнута інтенсивність 10¹⁹ Вт/см² у філаментах з радіусом 500 нм та довжиною 2 мм відкриває нові перспективи у створенні рентгенівських лазерів, імпульсних джерел швидких нейтронів та генерації магнітних полів 10 МГс. Надзвичайно ефективним виявилося використання СФ, як методу синхронізації мод у лазерах, для генерації імпульсів фемтосекундного діапазону. Очевидно, що коло практичного застосування явища СФ зростатиме і надалі. Проте подальший прогрес у практичному використанні ефекту СФ залежить від детального його пізнання. Чутливість частотно-кутових характеристик та інтенсивності ВКР-випромінювання до параметрів фокального об'єму дає змогу розглядати ВКР як метод експериментального дослідження СФ.

Таким чином, актуальність теми дисертації визначається тим, що детальне розуміння механізмів впливу СФ на ВКР сприятиме як подальшому розвитку нелінійної оптики та квантової електроніки, так і практичному використанню явищ ВКР і СФ для удосконалення існуючих та створення нових технологій і приладів.

Мета і задачі дослідження. Для досягнення мети з'ясування характеру і основних фізичних механізмів впливу СФ на зародження і розвиток ВКР та його частотні, просторові й кутові параметри, ставилися та вирішувалися такі основні задачі:

розробка експериментальних методів дослідження локалізації та зміни характеристик розсіяного світла уздовж осі ВКР-активного середовища;

визначення локальних параметрів розсіяного випромінювання уздовж траси руху фокальних областей у самофокусуючих рідинах;

встановлення ролі виснаження самофокусованого збуджуючого випромінювання у формуванні просторово-кутової структури параметричних ВКР-компонент;

врахування впливу конкуренції параметричних та комбінаційних процесів в умовах СФ на частотно-кутову структуру вищих антистоксових компонент;

вивчення зв'язку між швидкістю нелінійної поляризації та частотним розширенням ліній ВКР у самофокусуючих рідинах.

Наукова новизна одержаних результатів (анотація нових наукових положень (рішень), запропонованих здобувачем особисто).

Розроблений метод просторової фільтрації кутових спектрів, який завдяки просторовій та часовій роздільній здатності є адекватним щодо вивчення ВКР під впливом СФ (аналогів не існує). За допомогою цього методу вперше вирішена проблема прямих експериментальних досліджень локалізації розсіяння і зміни кутової структури ВКР-випромінювання уздовж осі нелінійно-оптичного середовища, а також визначення потужності самофокусованої частини збуджуючого лазерного пучка.

вперше шляхом прямих експериментальних досліджень на прикладі толуолу доведено, що в типових самофокусуючих рідинах ВКР локалізоване в фокальних областях збуджуючого випромінювання, а розподіл інтенсивності розсіяного світла уздовж осі нелінійно-оптичного середовища безпосередньо зв'язаний з рухом цих областей. Встановлено, що на більшій частині траси руху фокальних областей, прилеглої до вихідної межі середовища, кути переважного розсіяння залишаються майже незмінними, але є тенденція до їх зменшення з наближенням до точки траси, фокуса яка відповідає вершині лазерного імпульсу і де розсіяння, зазвичай, дифузне.

На основі детального зіставлення експериментальних і розрахункових даних вперше встановлено, що у самофокусуючих середовищах вирішальну роль у формуванні індикатриси параметричних ВКР-компонент відіграє, насамперед, висока ефективність перетворення самофокусованого лазерного випромінювання у першу стоксову (1s) компоненту в фокальних областях, завдяки чому подовжній розмір області існування наведеної нелінійної поляризації істотно менший за розмір самої фокальної області.

Вперше виявлений та пояснений вплив конкуренції комбінаційних і параметричних ВКР-процесів на формування частотно-кутової структури вищих антистоксових компонент у самофокусуючих рідинах. Невідомий раніше фізичний механізм цього впливу полягає у селективному за кутами ОКР, зумовленому просторовим розмежуванням дії комбінаційних і параметричних процесів.

Дістали подальший розвиток уявлення про генерацію широкосмугового випромінювання черенковського типу у самофокусуючих рідинах (толуол, бензол тощо) від хвиль нелінійної поляризації як одну з причин частотних розширень ліній ВКР. Уявлення поширені на нелінійну поляризацію з частотою вищих антистоксових компонент. Доведено, що розбіжності з теорією в частотно-кутовій структурі випромінювання черенковського типу є наслідком наведених спотворень хвильового фронту лазерного пучка і збільшення показника заломлення в області сильного поля.

Практичне значення одержаних результатів. Результати роботи мають важливе значення для розвитку фізичних засад нелінійної оптики і квантової радіофізики, а тому можуть бути покладені в основу нових наукових та прикладних напрямків:

черенковської спектроскопії, що базується на явищі випромінювання черенковського типу від хвиль нелінійної поляризації і дає змогу отримувати важливу інформацію про середовище, амплітуду наведеної нелінійної поляризації та її швидкість;

створення нових джерел, побудованих на принципі вимушеного випромінювання черенковського типу від хвилі нелінійної поляризації, що можуть знайти застосування для генерації надкоротких імпульсів електромагнітних хвиль;

створення трансформерів імпульсів лазерного випромінювання для перетворення їх у довільну послідовність субімпульсів із заданими тривалістю та частотою на основі поєднання можливостей ВКР, як ефективного методу перестроювання частоти, та можливостей СФ, як методу просторового сканування потужними згустками електромагнітного поля зі швидкістю близькою до швидкості світла.

Результати дисертації можуть бути безпосередньо використані у галузях традиційного застосування явища ВКР, зокрема, для удосконалення ВКР-лазерів з керованими характеристиками випромінювання, перестроювання частоти, поліпшення параметрів лазерного випромінювання, для розвитку спектроскопії ОКР, ВКР та КАРС (когерентної антистоксової спектроскопії розсіяння світла) тощо.

Розроблені в дисертації методи та оптичні схеми для їх реалізації розширюють можливості оптичної спектрометрії та інтроскопії.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем особисто створена експериментальна установка, розроблено метод просторової фільтрації кутових спектрів і проведені дослідження впливу СФ на просторові, кутові і частотні характеристики ВКР-випромінювання. Здобувач прийняв безпосередню участь в експериментальній перевірці ідеї про широкосмугове ВКР-випромінюваня черенковського типу, в проведенні теоретичного аналізу та інтерпретації результатів усіх експериментальних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації оприлюднені на ХХ Всес. з'їзді по спектроскопії (Київ, 1988 р.), школі-семінарі Оптика і спектральний аналіз та їх роль у наук. -тех. прогресі (Вінниця, 1988 р.), Х Міжн. школі-семінарі Спектроскопія молекул та кристалів (Суми, 1991 р.), ХІІ Респ. школі-семінарі Спектроскопія молекул та кристалів (Ніжин, 1995 р.), ХІІІ Нац. школі-семінарі з міжнародною участю Спектроскопія молекул та кристалів (Суми, 1997 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 9 статтях, матеріалах 2 конференцій, 1 авторському свідоцтві, 1 депонованій роботі.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків та списку використаних джерел з 111 найменувань, викладена на 156 сторінках, містить 24 ілюстрації та 3 таблиці.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Перший розділ є оглядовим. У ньому окреслені основні етапи розвитку наукової думки за темою дисертації. Увагу зосереджено на результатах експериментальних і теоретичних досліджень індикатриси та спектральних розширень ліній ВКР. Тут же описуються основні експериментальні методи досліджень ВКР та СФ, існуючі на момент виконання роботи.

Наведені результати експериментальних і теоретичних робіт попередників з вивчення індикатриси ВКР, які свідчать про відсутність єдиної точки зору на її природу в самофокусуючих середовищах. Розсіяне випромінювання класу ІІ у цих середовищах, яке має характерну та складну індикатрису, пов'язують у різних роботах з багатофокусною структурою або лазерного пучка (Garmire E., Shimoda K., Bloembergen N.), або 1s-компоненти (Луговий В. М., Прохоров А. М., Соколовська А. І.). Крім того, існує точка зору, що випромінювання класу ІІ можна пояснити і без залучення уявлень про СФ (Сущинський М. М., Арбатська А. М.). Розроблена теорія (Луговий В. М., Клишко Д. М.) здебільшого прогнозує значення кутів переважного випромінювання у широких межах: від нульового до подвійного значення кутів, характерних для випромінювання класу І, однак не дає конкретного вигляду залежності цих кутів від реальних експериментальних умов або параметрів самофокусуючого середовища. Таким чином, фактично прогнозується невизначеність кутів переважного випромінювання. У тих же випадках, коли завбачуються фіксовані значення кутів, вони не узгоджуються з експериментальними.

Констатується, що експериментально недостатньо вивчений вплив умов, від яких передбачається залежність кутової структури ВКР-випромінювання. З іншого боку, у теоретичних роботах не враховується ряд факторів, які можуть істотно впливати на формування індикатриси розсіяння. Зокрема, йдеться про скорочення ефективної довжини взаємодії хвиль внаслідок виснаження лазерного випромінювання у процесі генерації осьової стоксової компоненти в фокальних областях СФ, а також про конкуренцію параметричних і комбінаційних процесів у випадку розсіяння у вищі антистоксові компоненти.

Стосовно аномальних частотних розширень ліній ВКР у самофокусуючих середовищах зазначається, що незважаючи на значні досягнення, остаточно ця проблема не вирішена. Складність задачі значною мірою пов'язана з великою кількістю чинників, кожен з яких більше або менше впливає на частотну структуру розсіяного світла. Тільки використання частотно-кутових спектрів уможливлює ефективне розмежування внеску різних фізичних механізмів у частотні розширення. Аналіз результатів саме таких досліджень показує, що деякі суттєві особливості частотно-кутової структури випромінювання не можуть бути повністю з'ясовані на основі відомих механізмів. Заслуговує уваги та вимагає подальшого дослідження спроба опису широкосмугового ВКР-випромінювання як випромінювання черенковського типу від нелінійної поляризації, що має надсвітлову швидкість (Понежа Г. В.).

Загальний аналіз відомих методів експериментальних досліджень просторових, частотних та кутових характеристик ВКР в умовах СФ показує, що, незважаючи на їх велику різноманітність, вони мають суттєвий недолік в абсолютній більшості ці методи не забезпечують достатньої роздільності у часі та об'ємі. Тому одержана за їх допомогою інформація є інтегрованою впродовж збуджуючого імпульсу та уздовж осі середовища, а отже, й уздовж траси руху фокальних областей, що робить її певною мірою неадекватною локальним умовам генерації ВКР.

Другий розділ містить опис установки, оригінальних елементів устаткування, нових методів експериментальних досліджень, а також аналіз особливостей практичної реалізації відомих методів.

ВКР у різних самофокусуючих органічних рідинах збуджувалося імпульсним рубіновим лазером з спектральною шириною випромінювання 0, 01 см^-1, тривалістю імпульсу 20 нс, енергією 0, 6 Дж та кутовим розходженням пучка 1, 5 мрад. Лазер працював у багатомодовому режимі. Центральна частина пучка вирізалася діафрагмою з круглим отвором діаметром 24 мм, через яку проходило 1560% випромінювання. У більшості випадків ВКР-активні рідини заливалися у кювети довжиною 25 см.

Кутова структура ВКР-випромінювання досліджувалась за стандартною схемою у фокальній площині збирної лінзи. Особлива увага зверталась на оптичну якість лінз. Вплив аберацій оцінювався експериментально за допомогою інтерферометра Фабрі-Перо, розта-шованого перед лінзою, і точкового джерела монохроматичного світла, яке переміщалося уздовж осі за відсутності кювети. Фокальні відстані лінз визначалися за методом Бесселя. У кінцевому рахунку похибка вимірювань кутів не перевищувала 12%.

Для реєстрації частотно-кутових спектрів, згідно з відомим методом, фокальна площина збирної лінзи, де формувався кутовий спектр, суміщалася з вхідною щілиною спектрографа. Роздільна здатність спектрографа складала 0, 05 нм, відносний отвір 1: 25. Робочий діапазон кутів розсіяного випромінювання становив 0^о 4^о. Вибір взаємного розташування кювети та збирної лінзи і аналіз частотно-кутових спектрів в області великих значень кутів ( 1^о) здійснювалися з урахуванням залежності від довжини ділянки, з якої розсіяне випромінювання могло реєструватися.

У випадку дослідження кутової та частотної структури ВКР-випромінювання у самофокусуючих середовищах важливо одночасно одержувати інформацію про положення розсіюючих областей уздовж траси проходження збуджуючого випромінювання через нелінійно-оптичне середовище, що вимагає певної роздільної здатності у просторі та часі. Розроблений новий метод просторової фільтрації кутових спектрів задовольняє цим вимогам. Оптична схема для реалізації методу (рис. 1) включає кофокальну систему лінз 2, 4. У спільній фокальній точці О знаходиться діафрагма 3, яка має дві паралельні позаосьові щілини K і N, розташовані симетрично на заданій відстані до центру О. Діафрагма 3 та лінзи 2, 4 утворюють телескопічний просторовий фільтр, який пропускає у кожній азимутальній площині, що містить оптичну вісь системи та твірні кута розсіяння, лише випромінювання під певним кутом до осі. ВКР-випромінювання реєструється у площині 5, позиція якої вибирається так, що вона є спряженою з площиною, яка знаходиться на відстані 0 за кюветою 1. У такій схемі відрізок траси АВ, що випромінює під кутом до оптичної осі, зобразиться у площині реєстрації відрізками АВ, довжина яких однозначно зв'язана з довжиною відрізка траси АВ, відстань до осі з місцеположенням випромінюючої області, а азимутальний кут з кутом . Отже, зареєстрована картина є просторово-кутовим спектром, який несе інформацію про локалізацію центрів розсіяння уздовж осі самофокусуючого середовища. Він дає змогу безпосередньо визначати локальні параметри кутової структури розсіяного випромінювання та опосередковано початковий радіус і потужність самофокусованої частини збуджуючого пучка. Швидкий рух фокальної області СФ забезпечує і часову роздільну здатність методу.

Залежно від задачі та типу спектра, розсіяне випромінювання реєструвалося на фотоплівку А-2 або на багатоелементний перетворювач оптичних сигналів ЛФ1024-25/2, електронна схема керування якого була спеціально розроблена та виготовлена. Для визначення спектральних напівширин розсіяного світла у випадку реєстрації на фотоплівку використовувалася оригінальна оптична схема утворення центросиметричних зображень із заданим співвідношенням інтенсивностей (А. с. 1347667).

Показник заломлення ВКР-активних рідин, дані про який необхідні для теоретичного аналізу зареєстрованих спектрів, вимірювався з похибкою 210^-5 за методом найменшого кута відхилення світла призмою.

У третьому розділі подані результати експериментальних досліджень кутової та просторово-кутової структури антистоксового ВКР в умовах СФ, описано метод та результати визначення параметрів самофокусованого збуджуючого випромінювання. Тестовим об'єктом слугував толуол.

З'ясовано, що за постійних експериментальних умов, незважаючи на суттєві зміни у співвідношенні інтенсивностей ВКР-компонент від імпульсу до імпульсу лазера, кути переважного випромінювання в інтегральних кутових спектрах мають незначний розкид. Так їх відхилення від середнього значення для першої антистоксової (1as) компоненти не перевищують 2%, для другої (2as) і третьої (3as) 3%. В межах зазначеної флуктуації кута ₁ переважного випромінювання 1as-компоненти існує кореляція: меншій інтенсивності компоненти відповідають більші значення кута. Що ж до числових значень кутів переважного випромінювання антистоксових компонент, то хоча вони в інтегральних кутових спектрах є цілком визначеними для конкретної самофокусуючої рідини, але в межах 25% не узгоджуються з елементарною теорією чотирихвильових параметричних процесів.

У випадку ослаблення лазерного пучка нейтральними світлофільтрами у 1, 5 раза енергія випромінювання, розсіяного в 1as-компоненту, зменшувалася у 5 разів, ширина кутового розподілу у 2 рази, а значення кута переважного випромінювання зростало на 23%. Окрім цього, за великої енергії лазерного імпульсу кутовий розподіл розсіяного випромінювання в околі кута ₁ був істотно несиметричним: розширення у бік менших кутів переважало, зниження ж енергії вело до симетризації розподілу. Така залежність істотно відрізняється від тієї, що спостерігається у випадку діафрагмування лазерного пучка. Зниження приблизно у 5 разів енергії збуджуючого випромінювання, внаслідок зміни з 5 мм до 1 мм діаметра отвору діафрагми, розташованої перед кюветою, вело до зменшення у 78 разів енергії світла, розсіяного під кутом ₁, але практично не впливало на симетрію, ширину кутового розподілу та на значення ₁.

Просторово-кутові дослідження генерації компонент ВКР уздовж траси проходження збуджуючого випромінювання через кювету проводились за методом просторової фільтрації кутових спектрів. Один із просторово-кутових спектрів, одержаний для 1as-компоненти в толуолі за енергії збуджуючого випромінювання 0, 6 Дж, поданий на рис. 2. По горизонтальній осі на рис. 2 відкладена відстань Z від вхідного вікна кювети, а по колу кут розсіяння у відношенні до кута _ch =87, 4 кут. хв. Такий загальний вигляд просторово-кутового спектра зумовлений дрібномасштабним СФ збуджуючого випромінювання. Неспіввісні фокальні області, що локалізовані на окремих просторових ділянках фронту пучка, виникаючи поблизу вихідного вікна кювети (Z=25см), у міру наростання потужності в лазерному імпульсі рухаються до вхідного вікна (Z=0см). У кожному фокусі наростає інтенсивність і з наближенням до вершини лазерного імпульсу їх рух сповільнюється. Відповідно зростає інтенсивність розсіяного випромінювання і його тривалість. Таким чином, області стояння кожного фокуса, що відповідають вершині лазерного імпульсу, реєструються як найінтенсивніше випромінюючі. Оскільки у передню частину кювети фокальні області не попадають, то на цій ділянці збуджуюче випромінювання не розсіюється. На спаді лазерного імпульсу процес руху фокальних областей та розсіяння повторюються у зворотному порядку.

Виявлено, що на більшій частині траси, прилеглої до вихідного вікна, кути переважного випромінювання антистоксових компонент залишають-ся майже незмінними, але з наближенням до точки стояння фокуса спостерігається тенденція до їх зменшення. На відстані 79 см до точки стояння фокуса кут переважного випромінювання 1as-компоненти починає швидко зменшуватись, кутова структура випромінювання стає невиразною і в околі точки стояння (Z=6см) зникає.

Просторово-кутові спектри дали змогу за формулами для фокусної відстані СФ визначати потужність Р лазерного випромінювання, що попадає у найінтенсивнішу фокальну область, та початковий радіус а₀ цієї самофокусованої частини пучка. Для лазера, який використовувався, і енергії E_i=0, 6 Дж відповідні розрахунки дали, що а₀=113 мкм, а пробіг фокуса від виходу кювети з толуолом довжиною 25 см до точки повороту (Z=6 см) відповідав зміні миттєвої потужності Р= (1, 33, 6) Р_cr, де Р_cr - критична потужність СФ. Саме такі умови (назвемо їх тест-умовами) відповідають спектру на рис. 2.

Четвертий розділ є теоретично-розрахунковим та містить кількісний аналіз параметрів фокальних областей, виведення функції розподілу амплітуди поляризації на антистоксовій частоті, розрахунок кутової структури розсіяного світла, зіставлення результатів з експериментальними даними третього розділу та теоретичними роботами інших авторів.

Показано, що геометричні розміри фокальної області СФ суттєво змінюються протягом лазерного імпульсу і відповідно уздовж траси. Так, за тест-умов збільшення миттєвої потужності лазерного випромінювання у 2, 8 раза, що відповідає пробігу фокуса Z=256 см, веде до зменшення її довжини у 16, 6 раза з 19, 6 мм до 1, 18 мм. Звідси, виходячи з експериментальних значень кутів переважного випромінювання та їх визначеності на більшій частині траси руху фокальної області, зроблено висновок про те, що довжина області існування нелінійної поляризації на антистоксових частотах не визначається безпосередньо довжиною фокальної області (як можна очікувати), а є істотно меншою від неї.

Для того, щоб з'ясувати причини таких розбіжностей, розрахований інтегральний показник комбінаційного підсилення у наближенні модифікованих плоских хвиль за відсутності розсіяння (на основі експериментально отриманих значень потужності та початкового радіуса самофокусованої частини збуджуючого пучка). Виявлено, що у самофокусуючих середовищах інтегральний показник g комбінаційного підсилення досягає у фокальних областях значень достатніх для виснаження лазерної хвилі. Так, у тест-умовах показник g змінювався від g (Р=3, 6Р_cr) =23, 3 до g (Р=1, 3Р_cr) =112. Отже, відбувається скорочення ефективної довжини взаємодії хвиль внаслідок виснаження лазерного випромінювання у процесі генерації осьової 1s-компоненти в фокальних областях СФ, і тому довжина області існування нелінійної поляризації на антистоксовій частоті не визначається безпосередньо довжиною фокальної області та є істотно меншою від неї.

Далі, з урахуванням виснаження лазерного випромінювання у процесі генерації осьової 1s-компоненти в фокальних областях СФ знайдена функція F подовжнього розподілу амплітуди кубічної нелінійної поляризації на антистоксовій частоті. Для цього використаний прийом, який дав змогу уникнути стандартного ускладнення у розв'язанні такого типу задач, пов'язаного з невизначеністю рівня інтенсивності стоксового випромінювання на вході у середовище. А саме: оскільки попередньо, на основі розрахунків інтегрального показника комбінаційного підсилення, була доведена сама можливість глибокого виснаження лазерного випромінювання, то за початкову точку розв'язку вибиралася та, де досягається 33% -ве перетворення збуджуючого випромінювання і яка відповідає максимуму функції F. Функція F несиметрична. Найбільші відхилення від експоненціального розподілу спостерігаються на крилі, що відповідає першій частині фокальної області, та на половинному рівні (F/F_MAX =0, 5) за точкою 33% -вого перетворення збуджуючого випромінювання у 1s-компоненту. Ширина Z на рівні 1/e функції подовжнього розподілу нелінійної поляризації у фокальній області у тест-умовах зменшувалася від Z (Р=1, 3Р_cr) =1, 14 мм до Z (Р=3, 6Р_cr) = 0, 41 мм. Істотно, що Z змінюється уздовж траси руху фокальної області значно менше, ніж довжина фокальної області . У той час, як скорочується у 16, 6 раза, Z лише у 2, 8 раза, обернено пропорційно до Р. Така незначна зміна довжини області існування нелінійної поляризації на антистоксовій частоті у порівнянні до зміни довжини фокальної області і те, що ця область суттєво коротша від фокальної області (/Z=17, 2 для Р=1, 3Р_cr), допускає можливість того, що кути переважного випромінювання можуть бути досить визначеними і не досягають значень, характерних для розсіяння з нескінченно тонких та довгих активних зон.

З використанням знайденої функції F та у припущенні, що поперечний розподіл є гауссовим розрахована кутова структура 1аs-компоненти у толуолі за тест-умов. На рис. 3 графічно подані результати числового інтегрування у випадку толуолу для деяких значень Р. Вибрані значення Р відповідають положенням фокальної області Z (Р/Р_cr) з інтервалом 4 см: Z (1, 31) =25 см (a), Z (1, 41) =21 см (b), Z (1, 57) = 17 см (c), Z (1, 85) =13 см (d), Z (2, 46) =9 см (e). Детальне зіставлення розрахункової кутової структури з експериментальними даними для толуолу (див. рис. 2), одержаними за методом фільтрації кутових спектрів, показує, що зміни у кутовій структурі розсіяного випромінювання уздовж траси руху фокальної області добре описуються у рамках наближення, в якому враховується масштаб перетворення збуджуючого випромінювання у 1s-компоненту.

П'ятий розділ ознайомлює з результатами експериментальних досліджень частотно-кутової структури ВКР-випромінювання на міжкомбінаційних частотах у самофокусуючих середовищах, включає обгрунтування черенковської природи цього випромінювання, оцінки впливу різних факторів на його частотно-кутову структуру та порівняльний аналіз з класичним черенковським випромінюванням.

Частотно-кутова структура розсіяного випромінювання вивчалася у бензолі, бромбензолі, орто-ксилолі і толуолі. Характерний частотно-кутовий спектр антистоксового випромінювання у толуолі поданий на рис. 4., де 1аs ділянка спектра (=638677нм, =0140 кут. хв.) в області 1as-компоненти, а 2аs в області 2as-компоненти (=598638нм, =0140 кут. хв.). Спостерігаються параболовидні частотно-кутові смуги (дуги), симетричні відносно осі дисперсії спектрографа ( = 0) і звернені вершинами у бік спектральної лінії збуджуючого випромінювання. Частотні зсуви вершин парабол відносно відповідних комбінаційних частот не збігаються і не кратні частотам ВКР-активних молекулярних коливань. З короткохвильової сторони спектра крила парабол обриваються на довжинах хвиль, що відповідають антистоксовим компонентам ВКР. В області 1as-компоненти подібні частотно-кутові смуги спостерігаються для усіх рідин, що досліджувалися, а в області 2as-компоненти для толуолу і орто-ксилолу.

Зазначені частотно-кутові смуги інтерпретовані як такі, що виникають внаслідок черенковського випромінювання від антистоксових хвиль нелінійної поляризації. Випромінювання черенковського типу від цих хвиль зумовлене: 1) дисперсією (нормальною) показника заломлення, за якої нелінійна поляризація, що утворюється в результаті параметричної взаємодії колінеарних хвиль з меншою частотою, а отже й швидших, сама розповсюджуються зі швидкістю, більшою ніж фазова швидкість світла у середовищі на частоті відповідної антистоксової компоненти; 2) СФ лазерного пучка, за якого сильно поперечно обмежуються (до декількох мікрометрів) області взаємодії хвиль та існування нелінійної поляризації. Головні аргументи на користь цієї інтерпретації це спектральне положення виявленого випромінювання і характер його частотно-кутової залежності: воно спостерігається тільки у тих спектральних областях, де швидкість хвилі нелінійної поляризації перевищує фазову швидкість світла у середовищі, а залежність між частотою і кутом розповсюдження задовольняють умові виникнення черенковського випромінювання. Так, зміни експериментальних значень від однієї рідини до іншої і від 1as до 2as-компоненти повністю корелюють із змінами розрахункових значень (табл. 1). Аналогічна кореляція існує і для кутів випромінювання черенковського типу.

Розрахункові значення частотних зсувів менші, а кутів більші реальних в середньому на 15%, що виходить за межі похибки вимірювань. Встановлено, що це викликано спотвореннями хвильового фронту лазерного пучка внаслідок СФ, впливаючими, насамперед, на частотні характеристики, і змінами показника заломлення в області сильного збуджуючого поля, які істотно позначаються на кутовій структурі випромінювання. Розрахунки зсувів для 2as-компонент з урахуванням ефективних хвильових векторів збуджуючого випромінювання, знайдених за експериментальними значеннями для 1as-компонент, дали результат, що збігається з реальними значеннями з точністю 0, 7% для толуолу і 2, 6% для орто-ксилолу.

У шостому розділі розглядаються фізичні передумови і результати досліджень конкуренції комбінаційних і параметричних ВКР-процесів в умовах СФ та їх проявів у частотно-кутових спектрах.

Показано, що у фокальній області СФ, де комбінаційні і параметричні процеси ідуть у присутності лазерної хвилі, переважну роль в генерації вищих антистоксових компонент відіграють параметричні процеси. Проте дисперсія показника заломлення веде до того, що хвилі, які породжуються цими параметричними процесами, розповсюджуються під кутом (кілька градусів) до напряму збуджуючого випромінювання і швидко покидають вузьку приосьову область інтенсивного збуджуючого випромінювання. Вийшовши з фокальної області, хвилі, якщо вони поширюються в одному напрямі, продовжують взаємодіяти, доки не покинуть комбінаційно-активне середовище. На цьому етапі роль параметричних процесів знижується, і їх внеском можна знехтувати. У той же час, комбінаційні процеси стають домінуючими, що для побіжних хвиль суміжних компонент (наприклад, для хвиль 1as- та 2as-компоненти) веде до перерозподілу інтенсивностей. Таким чином створюються умови для спостереження селективного за кутами ОКР.

Проведені розрахунки ефективності перерозподілу енергії по каналу комбінаційних процесів поза фокальною областю. Встановлено, що за типових умов для ослаблення хвилі, наприклад, 2as-компоненти на 5% (таке ослаблення нескладно зареєструвати) коефіцієнт перетворення збуджуючого випромінювання у 1as-компоненту повинен досягати у фокальній області величини лише 2, 510^_3. Зроблений висновок про можливість спостереження конкуренції параметричних і комбінаційних процесів за генерації вищих антистоксових компонент підтверджений експериментальними дослідженнями у толуолі

ВИСНОВКИ

Результатом дисертаційної роботи є вирішення таких найважливіших наукових задач.

Систематизовані існуючі на момент виконання роботи уявлення про фізичні механізми формування частотно-кутової структури ВКР-випромінювання у самофокусуючих середовищах.

На основі порівняльного аналізу робіт, виконаних багатьма авторами, показана суперечливість і недостатність цих уявлень, зокрема щодо переважної ролі СФ основної чи стоксової компоненти.

Створена експериментальна установка для комплексних досліджень ВКР з оригінальними елементами устаткування. Запропоновані та реалізовані нові експериментальні методи досліджень.

Зокрема, розроблений метод просторової фільтрації кутових спектрів ВКР-випромінювання та оптична схема для його реалізації на основі телескопічного просторового фільтра, який у кожній азимутальній площині, що містить твірні кута розсіяння, пропускає випромінювання лише з певним напрямком хвильового вектора. Завдяки просторовій та часовій роздільній здатності методу вирішені проблеми: а) прямих експериментальних досліджень локалізації центрів розсіяння уздовж осі самофокусуючого нелінійно-оптичного середовища у випадку збудження ВКР лазерним пучком з розбіжністю близькою до дифракційної; б) визначення локальних параметрів частотно-кутової структури розсіяного випромінювання та ідентифікації внесків різних фізичних механізмів у її формування; в) визначення початкового радіуса та потужності самофокусованої частини випромінювання, необхідних для порівняльного теоретичного аналізу.

Експериментально з'ясований вплив СФ на просторову локалізацію ВКР та просторово-кутові характеристики розсіяного випромінювання.

Доведено, що у типових самофокусуючих середовищах ВКР локалізоване в фокальних областях лазерного випромінювання. Виявлено, що інтенсивність розсіяного світла наростає у міру просування фокусів вглиб середовища та досягає свого максимуму у точках стояння фокальних областей, які відповідають вершині лазерного імпульсу і ближче від яких до вхідної межі середовища розсіяння відсутнє. Встановлено, що на більшій частині траси руху фокусів, прилеглої до вихідної межі середовища, значення кутів переважного випромінювання параметричних ВКР-компонент залишаються майже незмінними, але існує тенденція до їх зменшення з наближенням до точки стояння фокальних областей, в околі ж цієї точки розсіяння є, зазвичай, дифузним. Встановлена принципова можливість двократного перевищення критичної потужності СФ у фокальних областях.

На основі теоретичного аналізу та детального зіставлення отриманих експериментальних і розрахункових даних пояснено роль СФ у формуванні індикатриси параметричних компонент ВКР-випромінювання.

Встановлено, що вирішальне значення щодо формування індикатриси параметричних компонент в умовах СФ має насамперед висока ефективність перетворення лазерного випромінювання у 1s-компоненту в фокальних областях. Виснаження збуджуючого випромінювання, збіднюючи енергетично сусідні ділянки цих областей, обмежує подовжній розмір області існування наведеної нелінійної поляризації, а тому суттєво впливає на значення кутів переважного випромінювання та ширину діаграми напрямленості. На прикладі 1as-компоненти у толуолі показано, що довжина області існування нелінійної поляризації на антистоксовій частоті є значно меншою від довжини фокальної області і змінюється обернено пропорціонально до миттєвої потужності збуджуючого випромінювання. Це веде до того, що у точках стояння фокусів, які відповідають максимальній миттєвій потужності, довжина області існування нелінійної поляризації стає сумірною і навіть меншою від довжини когерентної взаємодії хвиль. Тому у випадку значного перевищення критичної потужності ці точки є центрами дифузного розсіяння.

Виявлений та пояснений вплив конкуренції комбінаційних і параметричних ВКР-процесів на формування частотно-кутової структури вищих антистоксових компонент у самофокусуючих середовищах.

Фізичний механізм цього впливу полягає у селективному за кутами ОКР, зумовленому просторовим розмежуванням дії комбінаційних і параметричних процесів в умовах СФ лазерного пучка. Так, у фокальній області комбінаційні і параметричні процеси відбуваються у присутності збуджуючої лазерної хвилі, що забезпечує переважний внесок параметричних процесів у генерацію вищих антистоксових компонент, але за межами фокальної області, де побіжні хвилі продовжують взаємодіяти, домінують комбінаційні процеси та ведуть до перерозподілу інтенсивностей побіжних хвиль суміжних компонент.

Розвинуті уявлення про можливість частотних розширень ліній ВКР з точки зору існування генерації широкосмугового випромінювання черенковського типу у самофокусу-ючих середовищах від хвиль нелінійної поляризації, що мають надсвітлову швидкість та завдяки СФ збуджуючого випромінювання розповсюджуються у вузькій приосьовій області.

Уявлення розширені на нелінійну поляризацію з частотою вищих антистоксових компонент. Виявлені розбіжності між реальною і завбачуваною частотно-кутовою структурою випромінювання черенковського типу та встановлено, що вони є наслідком нелінійності показника заломлення в області сильного поля та наведених у результаті СФ спотворень хвильового фронту лазерного пучка. Для частотних зсувів осьового випромінювання черенковського типу відносно комбінаційних частот з врахуванням зазначених чинників досягнута узгодженість у межах кількох відсотків, що підтверджує черенковський механізм утворення аномалій у частотно-кутових спектрах ВКР.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

Иванисик А. И., Малый В. И., Понежа Г. В. Пространственно-угловая структура антистоксового излучения при вынужденном комбинационном рассеянии света в керровской жидкости // Оптика и спектроскопия. - 1996. - Т. 80, №2. - С. 212 - 217.

Иванисик А. И., Малый В. И., Понежа Г. В. Излучение черенковского типа при вынужденном комбинационном рассеянии света в самофокусирующих жидкостях // Оптика и спектроскопия. - 1997. - Т. 82, №3. - С. 447 - 453.

Иванисик А. И., Малый В. И., Понежа Г. В. О влиянии самофокусировки на угловые спектры вынужденного комбинационного рассеяния // Оптика и спектроскопия. - 1998. - Т. 85, №1. - С. 88 - 94.

Иванисик А. И., Малый В. И., Понежа Г. В. Спектрально-угловые проявления конкуренции комбинационных и параметрических процессов при вынужденном комбинационном рассеянии в самофокусирующих средах // Оптика и спектроскопия. - 1998. - Т. 85, №3. - С. 512 - 516.

Иванисик А. И., Малый В. И. Управляемый компактный источник питания импульсного твердотельного лазера // Приборы и техника эксперимента. - 1991. - №3. - С. 212 - 214.

Иванисик А. И., Малый В. И. Автоматизированный спектрометр на базе фотоприемного устройства ЛФ1024-25/2 и микро-э. в. м. Электроника Д3-28 // Приборы и техника эксперимента. - 1989. - №3. - С. 163 - 167.

Іванісік А. І., Малий В. І. Інтегральний коефіцієнт комбінаційного підсилення в самофокусуючих середовищах // Вісник Київського університету. Сер. : фіз. -мат. науки. - 1997. - В. 1. - С. 366 - 371.

Іванісік А. І., Малий В. І., Понежа Г. В. Деякі аспекти черенковської спектроскопії // Вісник Київського університету. Сер. : фіз. -мат. науки. - 1997. - В. 3. - С. 281 - 288.

Іванісік А. І., Малий В. І., Понежа Г. В. Вимушене комбінаційне розсіяння у самофокусуючих середовищах: нові методи експериментальних досліджень // Вісник Київського університету. Сер: фіз. -мат. науки. - 1997. - В. 4. - С. 239 - 248.

А. с. 1347667 СССР, МКИ⁴ G 01 J 3/40. Способ измерения спектральной ширины линии оптического излучения и устройство для его осуществления / А. И. Иванисик, В. И. Малый, Г. В. Понежа, Е. Г. Тохтуев, Л. В. Дудниченко (СССР). - № 4048837/31-25; Заявлено 10. 01. 86. - 4 с.

Измерения показателя преломления органических жидкостей в видимой области спектра / А. И. Иванисик, В. И. Малый, Г. В. Понежа; Киев. ун-т им. Т. Г. Шевченко. - Киев, 1985. - 7 с. - Рус. - Деп. в УкрНИИНТИ 26. 03. 85, №618-Ук85.

Іванісік А. І., Малий В. І. Індикатриса антистоксового ВКР-випромінювання при самофокусуванні // Тези доп. XIII Національної школи-семінару з міжнародною участью Спектроскопія молекул та кристалів. - Суми: Сумський Держ. ун_т. - 1997. - С. 195.

Иванисик А. И., Малый В. И. Регистрация и обработка спектроскопи-ческой информации на интегральных многоэлементных фотодиодных преобразователях сопряженных с ЭВМ // Тезисы докл. ХХ Всесоюз. съезда по спектроскопии. - Ч. 2. -К. : Наук. думка. - 1988. - С. 461.

Анотація

Іванісік А. І. Вимушене комбінаційне розсіяння в умовах самофокусування збуджуючої електромагнітної хвилі. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня канд. фіз. -мат. наук за спец. 01. 04. 05. - оптика, лазерна фізика. - Київський університет імені Тараса Шевченка, Київ, 1998.

В основу дисертації покладені матеріали експериментальних досліджень частотних та кутових характеристик вимушеного комбінаційного розсіяння (ВКР) у самофокусуючих рідинах. Новизна основних результатів досліджень полягає у визначенні локальних параметрів розсіяного випромінювання уздовж траси руху фокальних областей. З'ясовано, що у самофокусуючих середовищах: 1) ВКР локалізується у межах фокальних областей лазерного випромінювання; 2) вирішальне значення для формування індикатриси параметричних компонент має висока ефективність перетворення лазерного випромінювання у стоксову компоненту; 3) на спектрально-кутову структуру вищих антистоксових компонент впливає конкуренція комбінаційних і параметричних процесів; 4) існують частотні розши-рення ліній ВКР, що пов'язані з генерацією випромінювання черенковського типу.

Ключові слова: вимушене комбінаційне розсіяння, самофокусування, черенковське випромінювання.

Иванисик А. И. Вынужденное комбинационное рассеяние в условиях самофокусировки возбуждающей электромагнитной волны. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени канд. физ. -мат. наук по спец. 01. 04. 05. - оптика, лазерная физика. - Киевский университет имени Тараса Шевченко, Киев, 1998.

В основу диссертации положены материалы экспериментальных исследований частотных и угловых характеристик вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в самофокусирующих жидкостях. Новизна основных результатов исследований состоит в определении локальных параметров рассеянного излучения вдоль трассы движения фокальных областей. Выяснено, что в самофокусирующих средах: 1) ВКР локализуется в пределах фокальных областей лазерного излучения; 2) решающее значение для формирования индикатрисы параметрических компонент имеет высокая эффективность преобразования лазерного излучения в стоксову компоненту; 3) на спектрально-угловую структуру высших антистоксовых компонент влияет конкуренция комбинационных и параметрических процессов; 4) существуют частотные уширения линий ВКР, связанные с генерацией излучения черенковского типа.

Ключевые слова: вынужденное комбинационное рассеяние, самофокусировка, черенковское излучение.

Ivanisik A. I. Stimulated Raman scattering under conditions of self-focusing of the excitant electromagnetic wave. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 01. 04. 05 - optics, laser physics. - Taras Shevchenko Kyiv University, Kyiv, 1998.

The dissertation is based on the materials of experimental investigation of frequency and angle characteristics of stimulated Raman scattering (SRS) in self-focusing liquids. A novelty of maine results of the investigation is in determination of the local parameters of scattering radiation along motion traces of focal regions. It has been cleared up, that in self-focusing substances: 1) SRS localizes within the bounds of focal regions of laser radiation; 2) the decisive role to form the indicatrixs of parametric components has high effectiveness of transformation of laser radiation into the Stokes component; 3) the spectral-angle structure of the higher anti-Stokes components is influenced by competition of combinational and parametric processes; 4) some SRS line frequency broadenings are caused by generation of Cherencov-type radiation.

Key words: stimulated Raman scattering, self-focusing, Cherencov radiation.

локалізація розсіяне світло випромінювання

Размещено на Allbest.ru