Hullámfront megfordítása

A hullámfront megfordítása (WFR) egy fordított hullámsugár kialakulásának jelensége (különösen egy fénysugár , amely bizonyos mértékig megfelel a beeső (bemeneti) sugár időben fordított terjedési mintájának. Ez a jelenség a nemlineáris optikára vonatkozik és különösen a lézerfizikában , ahol a legnagyobb fejlődést és a fő alkalmazási lehetőségeket kapta [1] .

A fordított hullámfront kialakítása különféle fizikai mechanizmusok és áramköri megoldások segítségével történik.

A külföldi szakirodalomban ezt a jelenséget optikai fáziskonjugációnak nevezik .

Az OVF megnyitásának története

A fáziskonjugációs hatás felfedezésének története elválaszthatatlanul összefügg a fény stimulált szórásával (SSR) végzett kutatások történetével [2] . 1965-1970-ben Brewer (USA), Rank (USA), M. M. Sushchinsky ( CCCP ) megfigyelte a visszavert fény divergenciájának csökkenését a stimulált Mandelstam - Brillouin szórás ( SMBS ) során is, stimulált Raman-szórás (SRS) mellett, amely fordított hullám jelenlétét jelezte a közegben. A beeső és a stimulált szórt fény hullámfrontjainak kölcsönös megfeleltetésének kérdése azonban 1971-ben felmerült a Lebegyev Fizikai Intézet Kvantum Radiofizikai Laboratóriumában (LQR) . Kísérletek, amelyeket V.V. Ragulsky , V.I. Popovich , F.S. Fayzullov az LKR-ben [3] 1971-ben felfedezte a hullámfront-fordítás jelenségét a stimulált fényszórásban, és először tette lehetővé a diffrakciós (minimális) divergenciájú lézersugár előállítását egy lézertől optikailag inhomogén aktív közeg.

1972-ben jelent meg az első hivatalos publikáció [4] , amely a PC-effektus előzetes elméleti értelmezését tartalmazza. B. Ya. Zel'dovich lett az egyik társszerzője ; Ezt követően jelentős mértékben hozzájárult a PC-effektus megértéséhez szükséges elméleti alapok megteremtéséhez. Ezért 1997-ben az Amerikai Optikai Társaság Max Born éremmel tüntette ki B. Ya. Zeldovich -ot, aki hosszú ideje dolgozik az Egyesült Államokban, „az optikai fázis felfedezéséhez és elméleti megértéséhez nyújtott alapvető hozzájárulásáért konjugáció." A fentiekből azonban világos, hogy a fáziskonjugáció kísérleti felfedezésének becsülete a szovjet tudósokat illeti V. V. Ragulsky , V.I. Popovicsev és F.S. Fayzullovnak és B. Ya. Zel'dovichnak sikerült elméletileg értelmeznie a felfedezett jelenséget.

A hullámfront megfordítása a fényhullám orbitális szögimpulzusának pontosan ellenkező irányú megfordításával jár együtt. Ez abból a követelményből következik, hogy a beeső és a fordított hullámok hullámfrontja egybeessen. [5]

Egy másik érdekes tudományos és történelmi vonatkozás, amely közvetlenül kapcsolódik a PC-problémához, az ukrán tudósok tanulmánysorozata a négyhullámú dinamikus holográfiáról [6] . Ezzel kapcsolatban helyénvaló lenne megjegyezni, hogy P.A. Apanasevich és munkatársai kimutatták, hogy a fáziskonjugáció a fényhullámok négy foton (négyhullámú) kölcsönhatásában nyilvánul meg, amelyek közül kettő ( lapos ) egymás felé irányul, a harmadik egy „jel”, a negyedik pedig megfordul. a hullámfront [7] .

Leírás

A monokromatikus elektromágneses hullám elektromos tere a következőképpen írható fel [8] :

{\vec {E}}(t,{\vec {r}})={\frac {1}{2}}{\vec {E}}({\vec {r}})e^ {i\omega t}+{\frac {1}{2}}{\vec {E}}^{*}({\vec {r}})e^{-i\omega t}={\frac {1}{2}}{\vec {e}}A({\vec {r}})e^{-i{\vec {k}}{\vec {r}}}e^{i\omega t}+...

Ekkor a PC-tükörről visszaverődő sugárzási mező alakja

{\vec {E}}_{c}(t,{\vec {r}})={\frac {1}{2}}r{\vec {e}}^{*}A^ {*}({\vec {r}})e^{i{\vec {k}}{\vec {r}}}e^{i\omega t}+...

ahol r az amplitúdó reflexiós együtthatója.

Az előző kifejezésből következik, hogy a konjugált hullám ideális esetben a következő tulajdonságokkal rendelkezik: ${\vec {E}}_{c}(t,{\vec {r}})$

a) Egy síkhullám sugárzási hullámvektora megváltoztatja az előjelét: . A geometriai optika közelítésében minden fénysugár az ellenkező irányba változtatja irányát. A kvantumképen ez egyetlen foton lendületének ellenkező irányú forgásának felel meg: . [5] ${\vec {k}}\rightarrow -{\vec {k}}$ $\hbar {\vec {k}}\rightarrow -\hbar {\vec {k}}$

b) A fényhullám szögimpulzusa az ellenkező irányba változtatja irányát [9] . A kvantumképen ez egyetlen foton szögimpulzusának ellenkező irányú forgásának felel meg:

${L}_{\text{neg}}=-\hbar \ell \rightarrow -{L}_{\text{pad}}=\hbar \ell$

Ez történik mind egyetlen optikai örvényre szögimpulzussal , ahol a pályakvantumszám, mind egy foltmezőben, amely optikai örvények (fázisszingularitások) kaotikus halmaza. [tíz] $\hbar \ell$ $\ell$

c) Az egységnyi polarizációs vektort átalakítjuk -re . Például, ha a fény körkörösen polarizált, amelynél , a megfelelő polarizáció megfelelő marad, és fordítva. Egy közönséges tükör megfordítja a körkörös polarizáció irányát. ${\vec {e))$ ${\vec {e}}^{*}$ ${\vec {e}}_{\pm }=({\vec {e}}_{x}\pm i{\vec {e}}_{y}/{\sqrt {2}} )$

A fordított hullám megjelenése matematikai szempontból egyenértékű az idő irányának változásával : $t\rightarrow-t$

{\vec {E}}_{c}(t,{\vec {r}})=r{\vec {E}}_{c}(-t,{\vec {r}})

Számos OVF módszer létezik:

négyhullámú keverés köbös-nemlineáris közegben;
hullámfront megfordítása stimulált fényvisszaszórás esetén;
háromhullámú PC négyzetes-nemlineáris közegben;
hullámfront megfordítása nemlineáris visszaverő felülettel;
a hullámfront megfordítása a közeg tulajdonságainak térbeli homogén modulációja esetén kétszeres frekvencián;
hullámfront megfordítása foton visszhanggal;
hibrid hullámfront megfordítási séma.

A cikk megvizsgálja azokat a módszereket, amelyek a legnagyobb terjesztésben részesültek.

WFR egy degenerált háromhullámú kölcsönhatásban négyzetes-nemlineáris közegben

Ha négyzetes - nemlineáris közegben differenciálfrekvenciát (DFR) generálunk frekvenciában degenerált üzemmódban ( ), konjugált hullám generálható [2] . Nem foglalkozunk ennek a folyamatnak a részletes elméleti leírásával, hanem csak az egyik sémát veszünk figyelembe, amely megfelel a GRCH vektorszinkronizmusának a PC megvalósításához. $2\omega -\omega =\omega$

A jelhullám, amelynek hullámfronti aberrációi vannak , áthalad egy nemlineáris kristályon , mielőtt kölcsönhatásba lépne egy sík pumpahullámmal . A tükör ebben a sémában teljesen visszaveri a , frekvenciahullámot , és teljesen átadja a szivattyúhullámot, azaz . $\omega$ $R(\omega )=1$ $R(2\omega )=0$

A jelhullám, miután „lefényképezte” a kristály fázisinhomogenitását az előremenetben, visszaverődik a tükörről, és a hátramenetben a hullámvektorral való pumpálással kölcsönhatásban egy c frekvenciájú fordított hullámot hoz létre, amely pontosan terjed . ellentétes irányban a beeső jelhullámhoz képest. Ebben a fordított irányban haladva és teljesen megfordítva, a nemlineáris kristály kimenetén lévő különbséghullámnak olyan hullámfrontja lesz, amely alakja egybeesik a beeső jel hullámának hullámfrontjával. $2\omega$ ${\vec {k}}_{3}$ $\omega$ ${\vec {k}}_{2}$

PC egy degenerált négyhullámú kölcsönhatásban egy köbös-nemlineáris közegben

A PC négyhullámú keveréssel (FWM) állítható elő köbös-nemlineáris közegben [2] .

A tengely mentén terjedő jelhullám interferál a szivattyúhullámmal , és interferencia-intenzitás-eloszlást generál egy kockaszerűen nemlineáris közegben. Mindkét hullám síknak tekinthető: . $A_{3}$ $z$ $A_{1}$ $A_{3}({\vec {r)))=ae^{-ikz},A_{1}({\vec {r)))=ae^{-ik(\sin(\alpha x )+\cos(\alpha z))}$

Ekkor az intenzitás eloszlása a közegben a következő lesz:

I({\vec {r)))\propto \left|A_{1}+A_{3}\right|^{2}=4a^{2}\cos ^{2}\left[{ \frac {k}{2}}\sin \alpha x-{\frac {k}{2}}(1-\cos \alpha )z\jobbra],

Az intenzitás maximumai a síkok mentén helyezkednek el, amelyek szöget zárnak be a tengellyel úgy, hogy: $z$ $\beta$

\tan(\beta )={\frac {1-\cos \alpha }{sin\alpha }}=tan\left({\frac {\alpha }{2}}\right).

Ennek eredményeként a törésmutató egy kockaszerűen nemlineáris közegben is változik az intenzitás értékétől függően a közeg minden pontján - egy dinamikus térfogati nemlineáris fázisú hologram jelenik meg . Ezzel egyidejűleg az olvasási hullám (a második pumpahullám), amely a hullám felé terjed , szétszóródik ezen a hologramon, és megjelenik egy hullám , amely megfordul a jelhullámhoz képest. $A_{2}$ $A_{1}$ $A_{4}$

A kölcsönhatásról azt mondják, hogy degenerált abban az értelemben, hogy mind a négy hullámnak ugyanaz a frekvenciája. Ebben az esetben, ha a szivattyú hullámzik és szigorúan ellentétes irányban terjed, ebben a folyamatban a fázisillesztési feltétel automatikusan teljesül: . Általános esetben nem szükséges, hogy a szivattyúhullámok síkak legyenek - elegendő, ha egymáshoz képest megfordulnak. $A_{1}$ $A_{2}$ ${\vec {k}}_{1}+{\vec {k}}_{2}+{\vec {k}}_{3}+{\vec {k}}_{4} =0$

PC stimulált Mandelstam-Brillouin szórással (SMBS)

A fordított hullám generálásának hatása különböző típusú stimulált szórásokban nyilvánulhat meg, de gyakorlati jelentősége csak a Mandelstam-Brillouin RT- nek van [11] .

A stimulált Mandelstam-Brillouin szórás (PCS- SMBS ) PC a következőképpen valósul meg. Erőteljes lézerpumpa sugarat irányítanak az SMBS-aktív közegbe, amelyet először egy torzító elemen vezetnek át. Ennek az elemnek az a célja, hogy az aktív közegben erősen nem egyenletes intenzitáseloszlást hozzon létre. Ennek eredményeként a pumpáló hullámmal ellentétes irányban a Stokes-hullám spontán zajból fejlődik ki , és az SMBS folyamat következtében exponenciálisan felerősödik , ahogy a közeggel a cella bemeneti ablakába terjed. A rendkívül hosszú ülepedési idő miatt a szivattyúzással azonos irányú SMBS folyamatnak nincs ideje fejlődni. Kiderült, hogy speciálisan elkészített referenciahullámok használata nélkül az erősített Stokes-hullám keresztirányú szerkezetet kap, amelyet nagy pontossággal a szivattyúhullám szerkezetére fordítanak. Ezzel kapcsolatban a PC- SMBS -t néha a hullámfront önmegfordulásának jelenségének is nevezik. $E_{L}$ $E_{S}$

A PC - SBS fizikai mechanizmusa az SR-folyamat következő két tulajdonságán alapul: a Stokes-hullám hatalmas teljes amplifikációján (nagyságrendű erősítés ) és a helyi amplifikáció erős térbeli inhomogenitásán a pumpa jelenléte miatt. intenzitási inhomogenitások (több helyi intenzitási maximum és minimum). Mint korábban említettük, a spontán zajok a legváltozatosabb keresztirányú térszerkezettel rendelkező szórt hullámok konfigurációit gerjesztik. A legnagyobb erősítést azonban egy olyan hullám tapasztalja, amelynek lokális maximumai (foltok) a térben mindenhol egybeesnek a pumpahullám maximumaival . Nyilvánvalóan ez a feltétel a fordított hullámnak felel meg , hiszen csak ebben az esetben lehet megőrizni két hullám intenzitásának inhomogenitásának konzisztenciáját azok ellenszaporítása során a közeg teljes térfogatában. Ennek eredményeként a szivattyú felé néző Stokes-hullám a domináns erősítés, és hatalmas teljes erősítés mellett ez a hullám jelenik meg a közeg által elsöprő súllyal szórt sugárzásban. A többi hullám megkülönböztetve van az alacsonyabb erősítés miatt. Így a PC - SBS fizikai mechanizmusa a visszaszórt hullám nem-fordító konfigurációinak erősítésének megkülönböztetésén alapul egy nem egyenletes szivattyúmezőben. $e^{30}$ $E_{S}({\vec {r)))$ $E_{L}({\vec {r)))$ ${\displaystyle E_{S}({\vec {r)),z)\sim E_{L}^{*}({\vec {r)),z)e^{-ikz))$

A gyakorlatban általában két sémát használnak a visszaverő SMBS tükrökre: egy sémát egy SMBS közegben lévő fényvezetővel (az SMBS tükör ennek a sémának megfelelően működött a Kvantum Radiofizikai Laboratóriumában - 1971) és egy sémát. fókuszáló sugárzással egy szóróközeg térfogatába [12] .

A fordított hullám megszerzésének fő módszereinek összehasonlítása

A mai napig a tanulmányok túlnyomó többsége két fő módszerrel foglalkozik: PCF- SMBS és PCF- FWS . Mindegyiknek megvannak a maga előnyei és hátrányai.

A PC - SMBS nagy előnye , hogy megvalósítja a hullámfront önmegfordítását, ami kellően jó minőségű irányváltást biztosít. Ezenkívül a PC- SMBS nem igényli a szivattyúhullámok bevezetését. A PC -SMBS hiányosságai közé tartozik az SMBS folyamat küszöbértéke , aminek következtében kellően nagy fordított hullámteljesítményre van szükség.

Az FWM módszernél a kellően nagy teljesítmény követelménye átkerül a referenciahullámra , és a fordított hullám sokkal gyengébb is lehet. Ennek a módszernek a nagy előnye az egynél nagyobb reflexiós együtthatójú jel invertálásának lehetősége, vagyis erősítéssel. Ezen túlmenően a módszer több lehetőséget biztosít a jel kiválasztására és a visszirányú hullám szabályozására. Ennek a módszernek a fő hátránya a nemlineáris közeg optikai minőségére és a referenciahullám térszerkezetére vonatkozó szigorú követelmények.

OVF alkalmazások

A PC a mai napig számos alkalmazást talált a lézerfizika különböző területein. Az alábbiakban csak néhányat sorolunk fel közülük.

1. A lézersugarak irányítottságának növekedése a kétjáratú erősítők kimenetén a munkaközeg torzulásainak önkompenzálása miatt, amikor egy konjugált hullám áthalad rajta; többutas rezonátorok létrehozása fáziskonjugációval [11]

2. Az optikai szálak különböző transzverzális módusainak fázissebesség - különbségéből adódó képtorzulások kompenzálása az optikai szálakban.

3. A lézersugarak divergenciájának csökkentése a légkörben való terjedésük során: a légköri inhomogenitások okozta fázisingadozások kompenzálása fáziskonjugációs rendszerekkel [13] .

Homing a célponton [11] .

A PC alkalmazásának részeként megvizsgálunk egy sémát is a lézersugárzásnak egy célpontra való fókuszálására a PC-eszközzel való lézeres termonukleáris fúzió problémájában. Ezt a módszert a PC-sémák fejlesztésének korai szakaszában javasolták.

Egy közepes teljesítményű segédlézerimpulzus világítja meg a célpontot. A céltárgy által visszavert sugárzás egy része belép a teljesítménylézer apertúrájába, áthalad az erősítőn, és belép a fáziskonjugációs eszközbe. A fordított hullám újra felerősödik, eltávolítva a tárolt energiát, és a visszatérő menetben automatikusan kiegyenlítik az erősítő inhomogenitásaival és a fókuszáló rendszer gyártási és beállítási tökéletlenségeivel kapcsolatos torzulásokat. Ennek eredményeként a sugárzás pontosan a célba jut, mintha nem lennének hibák sem az erősítőben, sem a fókuszrendszerben.

Megjegyzendő, hogy a lézer ilyen célba állítása meglehetősen vonzónak tűnt, azonban a gyakorlatban ezt a módszert nem használták, mivel a célpontról visszaverődő lézersugárzás túl gyenge volt.

Jegyzetek

↑ "Physical Encyclopedia" [5 kötetben] / ch. szerk. A. M. Prohorov. 3. kiadás - M.: Szovjet Enciklopédia, T.3, 1988. - p. 389, ISBN 5-85270-034-7
↑ 1 2 3 Dmitriev V.G. "Nemlineáris optika és hullámfront megfordítása" - M.: Fizmatlit, 2003. - 256 p.
↑ Nosach O.Yu., Popovichev V.I., Ragulsky V.V., Faizullov F.S. I/ Levelek a JETP-nek. 1972. 16. évf. 11.c. 617
↑ Zeldovich B.Ya., Popovichev V.I., Ragulsky V.V., Faizullov F.S. A visszavert és izgalmas fény hullámfrontjainak kapcsolatáról stimulált Mandelstam-Brillouin szórásban // JETP Letters. 1972. 15. évf. 3. c. 160
↑ 1 2 A. Yu. Okulov, "Optikai és hangspirál szerkezetek Mandelstam-Brillouin tükörben". JETP Lett., v. 88, sz. 8, pp. 561–566 (2008) Archiválva 2015. december 22-én a Wayback Machine -nél .
↑ Odulov CF, Soskin MC, Khizhnyak A.I. Lézerek dinamikus rácsokon.-M.: Nauka, 1990.
↑ Apanasevich P.A. A fény és az anyag kölcsönhatásának elméletének alapjai. Minszk: Tudomány és technológia, 1977.
↑ Boyd Robert W. Nemlineáris optika 3. kiadás. - Elsevier Inc., 2008. - 620p
↑ A. Yu. Okulov, "Fotonok szögimpulzusa és fáziskonjugáció", J. Phys. Denevér. Mol. Dönt. Phys. v. 41, 101001 (2008) . Letöltve: 2020. május 4. Az eredetiből archiválva : 2017. március 1. (határozatlan)
↑ Okulov, A. Yu (2009). "Elcsavarodott foltos entitások a hullámfronti visszafordító tükrökben." Fizikai áttekintés A. 80 (1): 013837. arXiv : 0903.0057 . Irodai kód : 2009PhRvA..80a3837O . DOI : 10.1103/PhysRevA.80.013837 .
↑ 1 2 3 Zeldovich B.Ya., Pilipetsky N.F., Shkunov V.V. „Hullámfront megfordítása” - M .: Nauka. Fizikai és matematikai irodalom főkiadása, 1985. - 240 p.
↑ Mak A. A., Soames L. N., Fromzel V. A., Yashin V. E. „Lézerek neodímium üvegen” - M .: Nauka. Ch. szerk. Fiz.-Matek. lit., 1990.- 288 p.
↑ Ermolaeva. E.V., Zverev V.A., Filatov A.A. "Adaptív optika". Szentpétervár: NRU ITMO, 2012. - 297 p.

Irodalom

Az optikai sugárzás hullámfrontjának inverziója nemlineáris közegben / V. I. Bespalov. - G.: IPF AN SSSR, 1979. - 205 p. Archiválva : 2016. március 4. a Wayback Machine -nál
Nemlineáris optika és hullámfront inverzió / V.G. Dmitrijev. — M.: Fizmatlit, 2003. — 256 p.
Nemlineáris optika / Robert W. Boyd. - Nemlineáris optika 3. kiadás, 2008. - 620 p.
Hullámfront inverzió / B.Ya. Zeldovich, N. F. Pilipetsky, V. V. Shkunov. — M.: Nauka, 1985. — 240 p.
Quantum Electronics, 2002, 32. kötet, 12. szám, p. 1048-1064. - Basov akadémikus, erős lézerek és a rakétavédelem problémája .

Linkek

A hullámfront megfordításának intuitív magyarázata