Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНОВОГО ФРОНТА

ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНОВОГО ФРОНТА

ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНОВОГО ФРОНТА - автоматич. <формирование с помощью разл. физ. механизмов и схемных решений т. н. обращённогопучка, в той или иной мере соответствующего обращённой во времени картинераспространения падающего (входного) пучка. Наиб. развитие и осн. перспективыприложений О. в. ф. связаны с лазерными пучками.

На первый взгляд, создание обращённогово времени движения в равной мере может осуществляться и в механике взаимодействующихчастиц, и в механике сплошной среды, и во всех др. физ. системах, где микроско-пич. <ур-ния движения ковариантны относительно замены знака времени. Однако дляподавляющего большинства физ. систем характерна сильная неустойчивостьповедения конкретных микротраекторий по отношению к малым возмущениям нач. <условий. В результате даже чрезвычайно точное одновременное и мгновенноеизменение знака всех обобщённых импульсов создаст картину обращённого движениялишь на небольшом интервале времени, после чего система станет необратимоэволюционировать в направлении роста энтроиии (см. Обращение времени).

Исключением являются системы с линейныминезатухающими колебаниями, а также волны в линейных недиссипативных средах. <При распространении светового пучка в линейной поглощающей среде (в общемслучае - пространственно неоднородной) сохраняются его энтропия, спектральнаятемп-pa, яркость и т. п. величины, что указывает на отсутствие неустойчивостейи на возможность обращения процесса.

Для монохроматич. световых полей

систему ур-ний Максвелла в непоглощающейнемагн. среде с симметричным веществ. тензором диэлектрич.

проницаемости можно свести к линейному ур-нию

для комплексной амплитуды поля Е(К). Тогда матем. формулировка возможности существования обращённой волнысостоит в том, что любому решению ур-ния (2) можно поставить в соответствиеф-цию E₂(R)= CE₁*(R), к-рая будетрешением того же ур-ния (2) при любой комплексной константе Звёздочка означает операцию комплексного сопряжения:

т. е. изменения знака пространственно зависящейфазы поля; поэтому в англоязычной научной литературе для О. в. ф. в оптич. диапазонепринят термин optical phase conjugation - оптич. фазовое сопряжение.

Волновой фронт определяется как поверхностьпостоянной фазы волны,Поэтому формы волновых фронтов взаимно обращённых волн совпадают,а направления распространения противоположны (рис. 1), откуда и название- О. в. ф.

Рис. 1. Волновые фронты встречных волн- падающей (1 )и обращённой (2)- совпадают.

При прохождении исходной, идеально направленнойкогерентной волны через среду из прозрачного материала с сильными неодиородностямипоказателя преломления направленность прошедшей волны во много раз ухудшается(рис. 2, а). Если на ту же среду с противоположной стороны направить волну, <точно обращённую по отношению к прошедшей через неё (рис. 2, б), то, всилу обратимости законов линейного распространения (см. Обратимоститеорема), обращённая волна в результате преломления на тех же неоднородностяхвыправится на обратном проходе до идеально направленной. Это необычноесвойство обращённой волны лежит в основе большинства приложений О. в. ф.(см. ниже).

Рис. 2. Прохождение через оптически неоднороднуюсреду: а- идеально направленного пучка, б - обращённого к нему.

Наиб. просто обратить плоскую волну. Еслиизвестно направление её распространения п, то для обращения достаточноустановить плоское зеркало строго перпендикулярно п. Однако сферическуюволну плоским зеркалом обратить не удаётся: расходящейся сферич. волнедля обращения должна соответствовать сходящаяся к тому же источнику сферич. <волна. Для обращения волны произвольной структуры необходимо иметь зеркалос профилем, в точности совпадающим с профилем волнового фронта, т. е. длякаждой волны требовалось бы своё особое зеркало, способное менять своюформу (см. Адаптивная оптика).

Методы нелинейной оптики и динамическойголографии позволяют реализовать "зеркало", автоматически подстраивающеесяпод форму любой падающей волны так, чтобы отразить сигнал в форме обращённойволны. Существует ряд методов О. в. ф. с использованием нелинейнооптич. <сред. Один из двух наиб. распространённых методов - О. в. ф. при вынужденномрассеянии (ВР) света назад [1] (чаще всего - Мандельштама- Бриллюэна, ВРМБ).В этом случае в нелинейную среду (жидкость, сжатый газ, кристалл, волоконныйсветовод и т. п.) вводится квазимонохроматич. волна от лазера к-рую предварительно пропускают через искажающий элемент (линзу, неоднороднуюфазовую пластинку и т. п.). Его назначение состоит в том, чтобы сделатьраспределение интенсивности волны E_L в среде сильно неоднороднымкак по поперечным ( х, у), так и по продольной (z) координатам (рис.3). Мощность и энергия этой волны должны быть выше порога развития ВРМБ. <Порог определяется условием, чтобы очень слабый затравочный сигнал I_s(0),появляющийся в результате спонтанного рассеяния, усилился за счёт ВРМБна длине среды z в очень большое число раз: I_s(z)=I_s(0)exp(gz) с gzG|E_L|*25. Здесь G - константа, характерная для данной среды.

Рис. 3. Схема обращения волнового фронтапри вынужденном рассеянии.

Инкремент нарастания . (см ^-1 )для разл. конфигураций рассеянных воли E_s(x, у, z )вкаждом сечении z= const определяется интегралом их перекрытия спрофилем интенсивности падающей волны E_L (x, у, z):

Наиб. усиление испытывает такая волна E_s(x,у), локальные максимумы к-рой всюду в пространстве совпадают с максимумамиволны E_L(x, у). В процессе распространения из-за дифракциии интерференции каждое из полей E_L (х, y, z )и Е _s (х, у,z) меияет свою поперечную структуру. Если этиизменения достаточно глубоки, то единств. возможность сохранить во всёмобъёме согласованность неоднородностей интенсивности при их встречном распространениисостоит в том, чтобы рассеянное поле E_s(x, у, z)exp(ikz )было сопряжённым к возбуждающему полю E_L(x, у,z)exp(- ikz). В этих условиях интеграл перекрытия (3) для рассеянной волнывида E_s(x, у, z) = A(z)E_L*(x, у, z), т. <е. обращённой к падающей, оказывается в 1,5 - 2 раза больше, чем для всехостальных необращённых конфигураций рассеянных волн E_s(x,у,z). Из-за огромного общего усиления(e^gz е ²⁶2* 10¹¹) даже относительно небольшое отличие инкремента необращённыхконфигураций приводит к практически полной их дискриминации на выходе изсреды. Т. о., при выполнении определ. условий [2] срабатывает дискриминац. <механизм О. в. ф. при ВРМБ и рассеянная назад волна оказывается обращённойкопией падающей волны.

Другой широко распространённый метод О. <в. ф. основан на четырёхволновом смешении (ЧВС). В нелинейнооптич. средуодновременно подаются две точно встречные опорные волны [E₁exp(ikz)+ E₂ ехр( - ikz)] х и сигнал подлежащий обращению (рис. 4). Интерференционная картина полей Е ₁ и Е ₃ в нелинейной среде записывается в реальном масштабевремени в виде голограммы с пространственной модуляцией диэлектрическойпроницаемости Эта голограмма тут же считывается с помощью второй опорной волны Е₂ ехр(- ikz )и возбуждается четвёртая волна точно обращённая (комплексно-сопряжённая) по отношению к падающему сигналу E₃(R). К такому же результату приводит и второй процесс, <идущий одновременно и когерентно с первым: запись голографич. решёток, <пропорциональных E₂E₃*(R)exp( - ikz), и ихсчитывание первой опорной волной E₁exp(ikz).

О. в. ф. при ВРМБ даёт пример самообращенияволнового фронта: ни к среде, ни к падающему пучку не предъявляются требованияна идеальное оптпч. качество, т. е. и среда может быть не идеально однородной, <и пучок может иметь расходимость больше дифракционной, - обращается любойволновой фронт. К тому же процесс ВРМБ практически не селективен к частотевозбуждающего излучения. К недостаткам этого метода О. в. ф. следует отнестипороговый характер самого процесса ВРМБ по мощности или энергии падающегопучка.

Достоинствами метода О. в. ф. при ЧВСявляются отсутствие порога по амплитуде обращаемого сигнала и возможностьполучить коэф. отражения в обращённую волну больше 1, т. е. |Е ₄|²3|². Недостаток методa ЧВС - необходимость идеальнооднородной нелинейной среды, а опорные волны Е ₁, и Е₂ также должны быть идеально обращены друг к другу и обладать высокоймощностью. Последнее требование во многих нелинейных средах ведёт к заметнымискажениям из-за самофокусировки и нарушению взаимообращённости опорныхволн. В ряде случаев мощность опорных волн можно ослабить переходом к резонанснымсредам, а также к средам с медленно накапливающимся откликом (жидкие кристаллы, <фоторефрактнвпые кристаллы и т. п.).

Разработан ещё ряд методов О. в. ф.: трехволновоеО. в. ф. (при подаче опорной волны на частоте, удвоенной по отношению ксигналу); О. в. ф. нелинейно отражающей поверхностью (в т. ч. О. в. ф. <звука); О. в. ф. звука при однородной в пространстве модуляции свойствсреды на удвоенной частоте; О. в. ф. с помощью фотонного эха. Существуеттакже гибридная схема О. в. ф., где в методе ЧВС используется ВРМБ-нелинейность, <а получение второй опорной волны из первой основано на методе О. в. ф. <при ВРМБ [3]. Таким способом можно получить очень большой коэф. отраженияобращённой волны, |E₄|²|E₃|², с хорошим качеством обращения.

Большой интерес представляют ЧВС-схемысамообращения типа представленной на рис. 5. Здесь падающий пучок 1,к-рый требуется обратить, пропускается через нелинейную среду и с помощьюоптич. устройств - зеркал (как на рис. 5), световодов и т. п. - вводитсяв виде пучка 1' в ту же среду под др. углом. Возникающая из флуктуацииволна 2' проходит по тем же устройствам в обратном направлении иснова проходит через среду в виде волны 2. Если волны 1' и 2' взаимно обращены, то автоматически взаимообращёнными будут иволны 1 и 2; именно в этом случае их взаимодействие в нелинейнойсреде будет наиб. эффективным. Большинство экспериментов с такими схемамипроведено с использованием непрерывных лазеров умеренной мощности и фоторефрактивныхкристаллов в качестве нелинейной среды [4].

Рис. 5. Схема самообращения волнового фронтас использованием обратной связи.

Свойство обращённой волны детально воспроизводитьход падающей волны при своём распространении лежит в основе большинствавозможных приложений О. в. ф. [5, 6]. К ним относится прежде всего схемакомпенсации фазовых искажений при двукратном прохождении пучка через усилитель(рис. 6). Идеально направленное излучение маломощного задающего лазерас помощью полупрозрачного зеркала вводится в усилитель. Оптич. неоднородностипоследнего существенно ухудшают направленность усиленного излучения. Прошедшийпучок обращают тем или иным методом и вновь пропускают через усилитель. <В результате обратного прохода обращённая волна восстанавливает исходнуюидеальную направленность и к тому же дополнительно усиливается. Предполагаетсятакже использование О. в. ф. в задачах: самонаведения излучения для доставкиэнергии на мишень малых размеров (в исследованиях по лазерному УТС) и дляоптич. связи; оптпч. обработки информации; компенсации временного расплыванияимпульсов при передаче информации по волоконным световодам; нелинейно-спектроскопич. <исследований твёрдых тел, жидкостей и газов и др.

Рис. 6. Схема компенсации фазовых искаженийусилителя с использованием обращения волнового фронта.

Лит.:1) Зельдович Б. Я. и др.,О связи между волновыми фронтами отраженного и возбуждающего света привынужденном рассеянии Мандельштама - Бриллюэна, "Письма в ЖЭТФ", 1972,т. 15, с. 160; 2) 3ельдович Б. Я., Пилипецкнй Н. Ф., Шкунов В. В., Обращениеволнового фронта, М., 1985; 3) Беспалов В. П., Пасманик Г. А., Нелинейнаяоптика и адаптивные лазерные системы, М., 1985; 4) Сгоnin - Gо1оmb М. идр., Theory and applications of four-wave mixing in photorefractive media,"IEEE J. Quant. Electronics", 1984, v. QE-20, № 1, p. 12; 5) Shkunоv V.V., Zeldоviсh B. Ya., Optical phase conjugation, "Scientific American",1985, v. 253, № 6, p. 54; в рус. пер. - "В мире науки", 1986, № 2, с. 16;6) Рерреr D. М., Applications of optical phase conjugation, "ScientificAmerican", 1986, v. 254, № 1, p. 74; в рус. пер. - "В мире науки", 1986,№ 3, с. 34; 7) Носач О. Ю. и др., Компенсация фазовых искажений в усиливающейсреде с помощью "бриллюоновского" зеркала, "Письма в ЖЭТФ", 1972, т. 16,с. 617.

Б. Я. Зелъдович.