ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Вынужденное комбинационное рассеяние

Процесс вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) света относится к классу нели­нейно-оптических эффектов, в которых мощная световая волна индуцирует элементарные возбуждения в среде (оптические и акустические фононы, поляритоны, температурные вол­ны и т. п.) и конкретным образом рассеивается на них. При ВКР речь идет о когерентном возбуждении оптических фотонов. Данный процесс есть вынужденный аналог спонтанного комбинационного рассеяния (СКР), при котором свет рассеивается на хаотических тепло­вых колебаниях среды. В рамках классической теории процесс ВКР можно описать с помо­щью модели нелинейно связанных осцилляторов.

Собственные частоты колебаний электронов (VI) и колебаний ядер в молекуле (у2) опре­деляются по формулам:

(3.55)

(3.56)

Где а и р — коэффициенты упругости связей в молекуле; т и М — приведенные массы электронного и атомного осцилляторов.

Для реальных молекул частоты колебаний равны V! я 1015, 2 « Ю13 Гц. Если на молеку­лу воздействует световое поле частоты у0, то возбуждаются электронные колебания на этой же частоте. Одновременно происходят колебания ядер в молекуле (молекулярные колеба­ния) на частоте у2. Это могут быть, например, тепловые колебания. Вследствие связи элек­тронных и ядерных движений в молекуле на электронный осциллятор действует эффективная вынуждающая сила, содержащая колебания на комбинационных частотах VI - 2 и V, + 2. Иначе говоря, колебания ядер модулируют электронные колебания в молекуле. В результа­те молекула переизлучает свет не только на частоте у0 действующей на нее световой волны, но и на новых — «комбинационных» частотах у0±у2. В этом и состоит объяснение явления комбинационного рассеяния света.

Колебания на частоте у0 - 2- В этом и состоит объяснение явления комбинационного рассеяния света. Колебания на частоте v0 - у2, возбуждаемые рассеянным излучением, назы­ваются стоксовой компонентой. Одновременно создаются колебания на частоте собствен­ных колебаний молекулы у2. В результате комбинационного рассеяния света возникает ре­зонансная сила, возбуждающая молекулярные колебания. Если эта сила достаточно велика, то в системе возникает положительная обратная связь: рассеяние света усиливает молеку­лярные колебания, а молекулярные колебания усиливают рассеяние света. В результате система самовозбуждается и переходит в режим вынужденного рассеяния, при котором интенсивность рассеяния скачком возрастает на много порядков и становится соизмери­мой с интенсивностью лазерного луча.

Пара световых волн (накачка и стоксова компонента) не только резонансно раскачивает колебания, но и фазируют их в большом объеме среды.

Иначе говоря, при ВКР возникает волна когерентных молекулярных колебаний. Эта волна наведена световым полем и эффективно взаимодействует с ним, приводя к усилению излучения на стоксовой частоте. Таким образом, благодаря нелинейности, в ансамбле клас­сических осцилляторов существуют принципиально новые эффекты: фазировка колебаний осцилляторов вследствие их взаимодействия через поле излучения и усиление света. В этом смысле ансамбль нелинейных классических осцилляторов близок к ансамблю квантовых осцилляторов, обеспечивающему когерентность и усиление света в лазере.

Вынужденное рассеяние света можно использовать для преобразования частично коге­рентного лазерного излучения в энергию полностью когерентного светового пучка на дру­гой (стоксовой) частоте. Эксперименты показывают, что данный метод позволяет значи­тельно (в 100 раз и более) уменьшить угловую расходимость излучения. При этом энергети­ческая эффективность преобразования обычно составляет 50%.