ческого скальпеля. Кдаким операциям относится приварка и укрепление отслоившейся сетчатки глаза с помощью коагуляционных спаек, выжигание елокачественных и доброкачественных глазных опухолей. Возможно применение лазеров для прижигания ран и остановки крово течений у больных с пониженной свертываемостью крови или для соединения небольших кровеносных сосудов без остановки потока крови.
ГОЛОГРАФИЯ
Одной из наиболее интересных областей применения лазеров яв ляется голография. Этот термин происходит от двух греческих слов «олос» — полный и «графо»—пишу, что значит «полная запись». Речь идет о полной записи фронта световой волны, рассеянной объек том, от которого получают изображение.
Для получения голографического изображения свет от источника делится на две части: одна часть (опорный пучок) попадает прямо на фотопластинку (экран), другая (предметный пучок) направляется на объект, и на фотопластинку попадает отраженный от объекта пучок. Оба эти пучка интерферируют, и образующаяся интерференционная картина регистрируется фотопластинкой. После проявления фотоплас тинка представляет собой голограмму. Голограмма внешне не имеет ничего общего о изображаемым объектом, а представляет сложную систему чередования темных и светлых полос (иногда на голограм ме сложного объекта преобладает нерегулярная микроструктура). Однако голограмма содержит в себе зашифрованное объемное изо бражение объекта. Для восстановления изображения объекта необ ходимо вновь просветить голограмму опорным пучком света. Тогда под углом к опорному пучку появляется изображение объекта, вися щее в пространстве. Изображение объемное, причем на него можно смо треть из разных положений.
Если более близкие к наблюдателю предметы во время съемки за слоняли более далекие, то после просвечивания голограммы картина не изменится. Однако наблюдатель может заглянуть за «мешающие» предметы и увидеть предметы, скрытые за ними.
Принцип голографии был предложен в 1947 г. английским физи ком Табором. Однако в то время лазеры еще не были изобретены, а по лучить с помощью тепловых источников света неподвижную и до статочно контрастную интерференционную картину очень трудно. С появлением лазеров, излучение которых обладает большой простран ственной и временной когерентностью в сочетании с большой интенсив ностью, стало возможным быстрое развитие голографии.
|
Литература для углубленного изучения материала |
1. |
И щ е н к о |
И. Ф. и |
К л и м к о а |
Ю. М. |
Оптические квантовые ге |
нераторы. И з д в о |
«Советское |
радио», 1968. |
|
|
2. |
А л л е н |
Л. и Д ж о н с Д. Основы |
физики |
газовых лазеров. Изд-во |
«Наука», 1970. |
|
|
|
|
Р А 3 В 5 Л Iii
ВЗ А И М О Д Е Й С Т В ИЕ М О Щ Н Ы Х КОГЕРЕНТНЫХ ПОТОКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
Появление мощных источников когерентного светового излучения (лазеров) привело к появлению новой большей области исследований, которую можно назвать взаимодействием мощных когерентных пото
|
|
|
|
|
|
ков электромагнитного излучения с веществом. |
Здесь |
четко выдели |
лось направление под названием нелинейная оптика. |
|
Оптические |
эффекты, характер которых зависит |
от интенсив |
ности излучения, |
называются |
нелинейными, а |
область |
оптики, изу |
чающая нелинейные |
оптические |
эффекты (оптика |
мощных светоеых по |
токов) — нелинейной |
оптикой. |
|
|
Кроме того, существует второе направление, которое в литературе называют воздействием излучения мощных лазеров на вещество (ис парение твердых тел, световая искра, получение и нагревание плазмы и т. д.). Фактически сюда относят все остальные эффекты за исклю чением оптических.
Основной материал данного раздела посвящен проблемам нели нейной оптики. Все остальные эффекты кратко рассмотрены в послед нем параграфе «Воздействие излучения мощных лазеров на вещество».
Г Л А В А 11
НЕКОТОРЫЕ В О П Р О С Ы Н Е Л И Н Е Й Н О Й ОПТИКИ
До появления лазеров число нелинейных оптических эффектов можно было перечислить по пальцам. Это, например, комбинационное рассеяние света, впервые наблюдавшееся Ч. Раманом, К. Кришнаком в жидкостях и Л. И. Мандельштамом, Т. С. Ландсбергом в твердых телах. Существовавшие до лазеров источники давали световые волны слишком малой интенсивности и как следствие этого большинство наблюдаемых оптических эффектов не зависело от интенсивностей волн. Распространение таких волн в среде описывается линейными дифференциальными уравнениями, поэтому оптика до появления лазе ров была в основном линейной.
Только после появления принципиально новых источников света —
лазеров, |
позволяющих получить световые |
волны с напряженностя- |
ми полей |
10е -r 108 в/см и выше, т. е. поля, |
сравнимые с внутриатом |
ными, нелинейные явления в оптике стали предметом пристального изучения.
Заметный вклад в нелинейную оптику внесли советские ученые С. А. Ахманов и Р. В. Хохлов. В 1964 г. за работы по нелинейной оптике им была присуждена Ломоносовская премия. Из зарубежных ученых следует отметить П. Франкена и Н. Бломбергена.
§ 11.1. Основные понятия. Поляризация диэлектрика
в постоянном электрическом поле
Задача этого параграфа — напомнить некоторые положения, необ ходимые для понимания нелинейных оптических явлений, и проиллю стрировать их на примере диэлектрика в постоянном электрическом поле.
Любой электромагнитный процесс в среде описывается уравне ниями Максвелла:
rot |
g |
с |
' dt |
/>' |
О, |
|
|
|
|
|
(11.1) |
|
Ж |
4п — |
ÖD |
div D ^ |
4яр3 , |
rot |
|
с |
dt ' |
|
|
|
|
|
|
где Щ (r, t) и Ж (r, t) — напряженности |
электрического и магнитного |
полей в точке г в момент t; |
р 3 — плотность зарядов; |
/ — плотность |
тока, D и В — векторы электрической |
и магнитной |
индукции. |
Одних уравнений Максвелла недостаточно для решения электро магнитной задачи, нужно написать также так называемые материаль ные уравнения, устанавливающие дополнительные связи между век торами, входящими в уравнения (П.І). Эти материальные уравнения
уже написаны [см. уравнения |
(6.8)—(6.10 )1: |
|
Ii |
.'il ; Ал.іГ. |
(11.2) |
/"= |
fff. |
|
Уравнения (11.2) устанавливают связь между вектором макро скопической поляризации среды З0', вектором макроскопической на магниченности среды Ж и векторами D и В, а также между плотно стью тока / и напряженностью электрического поля Щ. Ниже не бу-
дем учитывать магнитные свойства среды, поэтому все внимание сконцентрируем на первом из материальных уравнений.
Макроскопическая поляризация среды зависит от электрического поля Щ и, если ввести восприимчивость среды эта зависимость примет вид (изотропный случай)
Восприимчивость среды в общем случае зависит от напряженности поля.
Если подставить равенство (11.3) в первое уравнение (11.2), то это уравнение примет вид
D = [\+4лх |
(Щ] ё = е(Щ. |
(11.4) |
Величина |
|
|
в $ ) = 1 + 4 л х ( І ) |
(П.4а) |
носит название диэлектрической |
проницаемости. |
|
В слабых полях восприимчивость среды, а следовательно, и ди электрическая проницаемость — константы, не зависящие от напря женности электрического поля, а равенства (11.3), (11.4) и (11.4а) имеют вид:
&'Ш)=Ъ«. |
(П.За) |
D(S)=e0W, |
(11.46) |
е 0 = 1 + 4 я х 0 . |
(11.4в) |
Таким образом, в слабых полях связь между макроскопической поляризацией среды и вектором напряженности электрического поля линейна. Это означает по существу, что реакция среды на внешнее поле является линейной.
Нелинейные эффекты появляются лишь тогда, когда поля доста точно сильны и величины % и г уже нельзя считать не зависимыми от напряженности поля. В этом случае справедливы общие уравнения (11.3), (11.4) и (11.4а), а восприимчивость среды и диэлектрическая проницаемость существенно зависят от напряженности поля.
Чтобы проиллюстрировать появление нелинейной зависимости величин X и е> вычислим их в рамках простой классической задачи.
Рассмотрим |
газ, состоящий |
из атомов без постоянного электрического |
дипольного |
момента. Если такой газ поместить во внешнее электриче |
ское поле (ниже речь |
будет |
идти о постоянном электрическом поле), |
то заряды в |
каждом |
атоме |
сместятся на некоторое расстояние и атом |
приобретет дипольный момент.
Зададимся простейшей моделью атома: пусть имеются два точечных заряда: положительный (ядро или атомный остаток) и отрицательный (электрон). В отсутствие внешнего поля положение точечных зарядов совпадает. Во внешнем поле заряды разойдутся. Если смещение/ элек-
