Самофокусировка света

явление концентрации поля световой волны в нелинейной среде, показатель преломления которой зависит от интенсивности поля. Показатель преломления n среды может увеличиваться с ростом поля вследствие нелинейного изменения электронной поляризации вещества из-за высокочастотного Керра эффекта, электрострикции (См. Электрострикция), нагрева и др. (см. Нелинейная оптика). В результате этого в среде происходит отклонение лучей в сторону большей интенсивности поля (нелинейная рефракция). Если нелинейная рефракция подавляет дифракционную расходимость светового пучка (для чего необходима мощность светового потока, превышающая определённую пороговую величину), то в среде возникают «фокальные точки». С увеличением мощности число фокусов растет и они приближаются ко входу в нелинейную среду. В случае световых импульсов фокусы движутся с околосветовыми скоростями. Концентрация поля при С. с. происходит значительно сильнее, чем при обычной фокусировке линзой. С. с. может привести к электрическому пробою, может способствовать развитию процессов вынужденного рассеяния света (См. Вынужденное рассеяние света) и других нелинейных процессов.

При определённых условиях число фокусов может стать столь большим, что свет будет распространяться в осциллирующем диэлектрическом волноводе (световоде), образованном в нелинейной среде самим световым пучком. Пучок специального профиля, несущий критическую мощность, сохраняет своё сечение постоянным. С помощью таких световодов можно передавать световую энергию на большие расстояния.

В движущейся среде (в конвективных потоках жидкостей и газов) или при сканировании пучка возникает его отклонение от первоначального направления. Угол отклонения зависит от мощности пучка и скорости поперечного движения среды.

В средах, показатель преломления которых уменьшается с ростом интенсивности, имеет место обратное явление — дефокусировка световых пучков (нелинейное расплывание пучков). Наиболее распространена тепловая дефокусировка, обусловленная уменьшением показателя преломления вследствие расширения вещества при его нагреве светом. Самофокусировка и дефокусировка наблюдаются в экспериментах с лазерным излучением (См. Лазерное излучение), проходящим через конденсированные и газообразные среды (в том числе воздух и плазму (См. Плазма)).

Лит.: Ахманов С. А., Сухоруков А. П., Хохлов Р. В., Самофокусировка и дифракция света в нелинейной среде, «Успехи физических наук», 1967, т. 93, в. 1; Луговой В. Н., Прохоров А. М., Теория распространения мощного лазерного излучения в нелинейной среде, там же, 1973, т. 111, в. 2.

А. П. Сухорукое.

САМОФОКУСИРОВКА СВЕТА - самопроизвольная фокусировка мощного лазерного пучка при распространении в среде из-за нелинейной зависимости коэффициента преломления среды от напряженности поля световой волны.

САМОФОКУСИРОВКА СВЕТА

концентрация энергии световой волны в нелинейной среде, показатель преломления n к-рой растёт с увеличением интенсивности светового поля. Под действием светового пучка (пространственно ограниченной световой волны) нелинейная среда становится оптически неоднородной и в ней возникает искривление лучей (нелинейная рефракция). Если n увеличивается с ростом напряжённости Е электрич, поля световой волны, то лучи, изгибаясь, концентрируются в области большей интенсивности — среда становится объёмной собирающей нелинейной линзой, фокус к-рой находится на нек-ром расстоянии fнл от входа пучка в среду (рис. 1, а).

Рис. 1. Траектории лучей: о — при фокусировке светового пучка обычной линзой, б — при самофокусировке в нелинейной среде, в — в нелинейном диэлектрич. волноводе.

Световой пучок с поперечным радиусом d фокусируется на расстоянии

fнл»d(n0/Dнл)1/2, (1)

где n0 — показатель преломления вне пучка, Dнл — перепад показателя преломления в пучке. Показатель преломления n среды может увеличиваться с ростом поля Е из-за изменения нелинейной поляризации среды, высокочастотного Керра эффекта, электрострикции, нагрева и др. (см. НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА). С. с. наступает, если нелинейная рефракция подавляет неизбежную дифракц. расходимость пучка (см. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА)

Dнл/n0>q2р (2)

(qр — угол дифракц. расходимости). Это происходит, когда фокусное расстояние fнл меньше протяжённости зоны дифракции Френеля. Для выполнения неравенства (2) требуется мощность пучка, превышающая нек-рую критич. величину. По мере приближения к фокусу лучи всё более искривляются (С. с. носит характер лавинообразный), и концентрация поля в нелинейном фокусе значительно сильнее, чем при обычной фокусировке линзой. С. с. может привести к световому пробою, способствовать развитию процессов вынужденного рассеяния света и др. нелинейных процессов.

Вслед за первым фокусом при С. с. мощного пучка может появиться ряд последующих — возникает многофокусовая структура. Число фокусов растёт с увеличением мощности источника, и они приближаются ко входу в нелинейную среду (рис. 1, б). В случае коротких световых импульсов фокусы могут двигаться с околосветовыми скоростями (Dnнл становится функцией времени).

Пучок, несущий критич. мощность, сохраняет свою форму в нелинейной среде, к-рая превращается в стационарный диэлектрич. волновод (рис. 1, в).

Явление С. с. теоретически было предсказано Г. А. Аскарьяном (1962) и впервые наблюдалось Н. Ф. Пилипецким и А. Ф. Рустамовым (1965).

В самофокусирующей среде может развиться специфич. неустойчивость, приводящая к т. н. мелкомасштабной С. с. В световом пучке большой мощности пространств. флуктуации (малые возмущения) экспоненциально нарастают, в результате чего пучок ещё до фокуса разбивается на отд. нити. Для устранения мелкомасштабной С. с. в активной среде лазеров применяются пространств. фильтры и др. устройства, сглаживающие амплитудные профили пучков.

Если показатель преломления среды уменьшается с ростом интенсивности света, то имеет место обратное явление — с а м о д е ф о к у с и р о в к а с в е т о в ы х п у ч к о в (нелинейное расплывание пучков, рис. 2). Наиболее распространена тепловая дефокусировка, обусловленная уменьшением n вследствие расширения в-ва при его нагреве светом.

В нелинейной среде, движущейся перпендикулярно световому пучку (конвективные потоки жидкостей и газов и др.), возникает самоотклонение света от заданного направления.

Рис. 2. Траектории лучей: а — при расфокусировке светового пучка рассеивающей (отрицательной) линзой, б — при самодефокусировке в нелинейной среде.

Рис. 3. Самоотклонение светового пучка навстречу поперечному движению нелинейной дефокусирующей среды (DnIнл<0, сплошные линии) и по движению нелинейной самофокусирующей среды (Dnнл>0, пунктирные линии).

Угол самоотклонения зависит от мощности пучка, скорости поперечного движения среды и инерционности нелинейного механизма изменения показателя преломления (рис. 3). С. с. и самодефокусировка наблюдаются в конденсированных средах и газах (в т. ч. в воздухе и в плазме). Критич. мощность может составлять малую величину вплоть до долей Вт.

самофокусиро́вка све́та

самопроизвольная фокусировка мощного светового пучка, распространяющегося в нелинейной среде, показатель преломления которой растёт с увеличением амплитуды поля световой волны.

* * *

САМОФОКУСИРО́ВКА СВЕ́ТА, самопроизвольная фокусировка мощного лазерного пучка при распространении в среде из-за нелинейной зависимости коэффициента преломления среды от напряженности поля световой волны.

самопроизвольная фокусировка мощного светового пучка, распространяющегося в нелинейной среде, показатель преломления к-рой растёт с увеличением амплитуды поля световой волны.