EN

Спонтанное параметрическое рассеяние света
(к 40-летию кафедры общей физики и волновых процессов)

Осенью этого учебного года исполнилось сорок лет с момента образования кафедры волновых процессов физического факультета МГУ. Ее организатором и заведующим стал Рем Викторович Хохлов. Тогда молодой доктор наук, а затем ректор МГУ и академик. Кафедра стала ведущим центром молодой науки - лазерной физики. За весь недолгий, в принципе, срок существования кафедры волновых процессов сотрудниками кафедры был получен целый ряд интереснейших и важных не только для лазерной физики результатов.

Еще за три - четыре года до образования кафедры под руководством и по инициативе Р.В.Хохлова работал, и работал успешно, семинар, в котором принимали участие сотрудники кафедры физики колебаний, радиотехники, оптики. Среди тех молодых ученых, которые принимали активное участие в работе сначала семинара Р.В.Хохлова, а затем и в деятельности кафедры, был Давид Николаевич Клышко. До перехода на кафедру волновых процессов, Д.Н. Клышко руководил лабораторией квантовой радиофизики, которая была создана на кафедре радиотехники в 1958 году по инициативе Самсона Давидовича Гвоздовера. Именно с Д.Н. Клышко связано предсказание в 1966 году одного из наиболее удивительных явлений нелинейной оптики - спонтанного параметрического рассеяния света в средах без центра инверсии (СПР). Годом позже это явление было обнаружено сотрудниками кафедры В.В.Фадеевым и О.Н.Чунаевым.

Любопытна история с признанием реальности СПР. Д.Н. Клышко предсказал, что излучение, рождающееся в процессе СПР, имеет эффективную яркостную температуру в видимом диапазоне порядка полутора тысяч градусов, так же как обычная лампа накаливания. Сразу возник вопрос - если оно такое яркое, то почему его никто не видел. Оказалось, что все очень просто - просто не умели смотреть. И если В.В.Фадеев с О.Н.Чунаевым использовали при наблюдении мощный импульсный лазер и увидели СПР как "шумовую помеху" к полезному сигналу в результате длительного накопления сигнала, то через пару лет это рассеяние наблюдалось простым глазом при облучении кристалла ниобата лития светом аргонового лазера мощностью менее полуватта. Впервые это излучение удалось увидеть тогда студенту кафедры С.П.Чернову.

Чем же интересно и что собой представляет процесс спонтанного параметрического рассеяния света?

Эффект, или явление спонтанного параметрического рассеяния света заключается в спонтанном распаде фотонов когерентного лазерного излучения на пары фотонов в среде с отличной от нуля квадратичной восприимчивостью. Схематически процесс можно изобразить следующим образом (см. Рис.).

Слева на кристалл (например, ниобат лития, иодат лития, дигидрофосфат калия и многие другие кристаллы без центра симметрии) падает волна монохроматического излучения EL - накачки. Тогда с вероятностью, определяемой коэффициентом параметрического преобразования Fsi на выходе из кристалла в двух модах поля, сигнальной (индекс s) и холостой (индекс i) появляется пара фотонов, частоты и волновые вектора которых связаны законом сохранения энергии: равенство суммы частот родившихся фотонов, и импульса, когда выполняется условие фазового синхронизма. А именно, векторная сумма волновых векторов равна приблизительно нулю. Наличие некоторой свободы последнего требования определяется конечностью объема взаимодействия поля с кристаллом. Области определения холостой и сигнальной волн даны на рисунке.

В принципе, сигнальная и холостая волны, если речь идет о полосе прозрачности кристалла, эквивалентны. Различие между ними проявляется тогда, когда одна из частот - холостая - попадает в область фононных состояний кристалла. В этом случае имеет место рассеяние света на поляритонах (РСП). Поляритоны представляют собой сложное элементарное возбуждение кристалла с электромагнитно - механической природой. В том случае, когда на входе в кристалл кроме волны накачки нет теплового планковского излучения (Ns0 = Ni0=0), рассеяние все равно имеет место и его "зародышем" выступают нулевые флуктуации электромагнитного вакуума. При этом эффективная яркость нулевых флуктуаций в процессе рассеяния равна одному фотону в моде поля. Это и есть спонтанное параметрическое рассеяние света.

Эти два процесса - СПР и РСП - очень похожи. Однако между ними есть и существенное различие. Если процесс СПР связан с нулевыми флуктуациями электромагнитного вакуума окружающего пространства, то процесс РСП определяется шумовыми флуктуациями, возникающими в среде с поглощением (ФДТ теорема). В 1965 году люди, открывшие РСП (Порто, Харрис и др.) пришли к выводу о том, что на верхней поляритонной ветви рассеяние невозможно. Там нет поглощения и, следовательно, излучения. Именно Д.Н.Клышко опроверг это мнение и предсказал СПР. А в 1970 году удалось экспериментально зарегистрировать плавный переход одного типа рассеяния в другой. При этом удалось опровергнуть еще одно, существовавшее тогда мнение о том, что поглощение на холостой волне сводит интенсивность сигнальной к нулю. Как и предсказывал Клышко, изменялась лишь частотно-угловая форма линии рассеяния сигнальной волны.

За долгие годы развития СПР стал основой исследований по квантовой оптике и позволил развить методы генерации электромагнитных полей в заданном фоковском и в заданном поляризационном состояниях, провести ряд исследований по проверке неравенств Бэлла. На основе СПР реализованы методы безэталонной квантовой фотометрии: измерение абсолютной величины спектральной плотности энергетической яркости электромагнитных полей и измерение квантовой эффективности фотодетекторов.

Рассеяние света на поляритонах легло в основу методов спектроскопии фононных состояний парамагнитных и сегнетоэлектрических кристаллов.

Оба эти эффекта позволили создать методы неразрушающего контроля пространственно - неоднородных структур, что в настоящее время представляется крайне важным для нелинейной оптики и новых методов генерации излучения в терагерцовом частотном диапазоне.

профессор А. Н. Пенин

Назад