Вимушене комбінаційне розсіяння в умовах самофокусування збуджуючої електромагнітної хвилі

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, 510 3. Зроблений висновок про можливість спостереження конкуренції параметричних і комбінаційних процесів за генерації вищих антистоксових компонент підтверджений експериментальними дослідженнями у толуолі

 

 

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