Обращение волнового фронта (ОВФ) — явление формирования обращённого пучка волн (в частности, светового пучка, который в той или иной мере соответствует обращённой во времени картине распространения падающего (входного) пучка. Это явление относится к нелинейной оптике и, в частности, к лазерной физике, где оно получило наибольшее развитие и основные перспективы приложений «Физическая энциклопедия» [в 5 т.]/ гл. ред. А. М. Прохоров. 3-е изд. - М.: Советская энциклопедия, T.3, 1988. - с. 389, ISBN 5-85270-034-7.
Обращённый волновой фронт формируется с помощью различных физических механизмов и схемных решений.
В зарубежной литературе это явление называют оптическим фазовым сопряжением.
История открытия ОВФ История открытия эффекта ОВФ неразрывно связана с историей исследований вынужденных рассеяний (ВР) света Дмитриев В.Г. «Нелинейная оптика и обращение волнового фронта» — М.: Физматлит, 2003. — 256 с.. Еще в 1965-1970 г. Бревер (США), Ранк (США), М. М. Сущинский (CCCP) наблюдали уменьшение расходимости отраженного света при вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), для ВР крыла линии Рэлея (ВРКЛР), а также, при вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР), что свидетельствовало о наличии обращенной волны в среде. Однако вопрос о взаимном соответствии волновых фронтов падающего и вынужденного рассеянного света был поставлен в 1971 г. в Лаборатории квантовой радиофизики (ЛКР) ФИАН. Эксперименты, проведенные В.В. Рагульским, В.И. Поповичем, Ф.С. Файзулловым в ЛКРНосач О.Ю., Поповичев В.И., Рагульский В.В., Файзуллов Ф.С. I/ Письма в ЖЭТФ. 1972. Т. 16, вып. 11. c. 617, привели к открытию в 1971 г. явления обращения волнового фронта при вынужденном рассеянии света, а также обеспечили возможность впервые получить пучок лазерного излучения с дифракционной (минимальной) расходимостью от лазера в оптически-неоднородной активной среде.
В 1972 г. была выпущена первая официальная публикацияЗельдович Б.Я., Поповичев В.И., Рагульский В.В., Файзуллов Ф.С. О связи между волновыми фронтами отраженного и возбуждающего света при вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна // Письма в ЖЭТФ. 1972. Т. 15, вып. 3. c. 160, содержащая предварительную теоретическую интерпретацию эффекта ОВФ. Одним из ее соавторов стал Б. Я. Зельдович; впоследствии он внес весомый вклад в создание теоретической базы, необходимой для понимания эффекта ОВФ. За это в 1997 г. Оптическое общество Америки наградило Б. Я. Зельдовича, работающего уже долгое время в США, медалью Макса Борна за «... основополагающие вклады в открытие и теоретическое понимание оптического фазового сопряжения». Однако из вышеизложенного ясно, что честь экспериментального открытия ОВФ принадлежит советским ученым В.В. Рагульскому, В.И. Поповичеву и Ф.С. Файзуллову, а Б. Я. Зельдовичу удалось интерпретировать открытое явление теоретически.
Обращение волнового фронта сопровождается инверсией орбитального момента импульса световой волны точно в противоположном направлении. Это следует из требования совпадения волновых фронтов падающей и обращенной волн. A. Yu. Okulov, "Optical and Sound Helical structures in a Mandelstam–Brillouin mirror". JETP Lett., v. 88, n. 8, pp. 561–566 (2008) .
Другим интересным научным и историческим аспектом, непосредственно относящимся к проблеме ОВФ, является цикл исследований по четырехволновой динамической голографииОдулов C.F., Соскин M.C., Хижняк А.И. Лазеры на динамических решетках.-М.: Наука, 1990.. В этой связи будет уместно отметить, что П.А. Апанасевичем с соавторами было показано, что ОВФ проявляется при четырехфотонных (четырехволновых) взаимодействиях световых волн, две из которых (плоские) и направлены навстречу друг другу, третья является «сигнальной», четвертая — обращенной по волновому фронту Апанасевич П.А. Основы теории взаимодействия света с веществом. Минск: Наука и техника, 1977..
Описание Электрическое поле монохроматической электромагнитной волны можно записать в видеBoyd Robert W. Nonlinear Optics 3rd ed. - Elsevier Inc., 2008. - 620 p:
Тогда поле излучения, отраженного от ОВФ-зеркала, имеет вид
где r – коэффициент отражения по амплитуде. Из предыдущего выражения следует, что сопряженная волна в идеальном случае обладает следующими свойствами:
а) Волновой вектор излучения плоской волны меняет свой знак: . В приближении геометрической оптики каждый луч света меняет свое направление на противоположное. В квантовой картине это соответствует повороту импульса одиночного фотона в противоположном направлении: .
б) Момент импульса световой волны меняет свое направление на противоположное . В квантовой картине это соответствует повороту момента импульса одиночного фотона в противоположном направлении:
Это имеет место как для одиночного оптического вихря с моментом импульса , где - орбитальное квантовое число , так и в спекл-поле, представляющем собой хаотический набор оптических вихрей (фазовых сингулярностей).
в) Единичный вектор поляризации преобразуется в . Например, если свет имеет круговую поляризацию, при которой , правая поляризация остается правой, и наоборот. Обычное зеркало изменяет направление круговой поляризации на противоположное.
Возникновение обращенной волны с математической точки зрения эквивалентно изменению направления времени :
Существует множество методов ОВФ: четырёхволновое смешение в кубически-нелинейной среде; обращение волнового фронта при вынужденном рассеянии света назад; трёхволновое ОВФ в квадратично-нелинейной среде; обращение волнового фронта нелинейно отражающей поверхностью; обращение волнового фронта при однородной в пространстве модуляции свойств среды на удвоенной частоте; обращение волнового фронта с помощью фотонного эха; гибридная схема обращения волнового фронта.
В статье будут рассмотрены методы, получившие наибольшее распространение.
ОВФ при вырожденном трехволновом взаимодействии в квадратично-нелинейной среде При генерации разностной частоты (ГРЧ) в квадратично-нелинейной среде в вырожденном по частоте режиме () может генерироваться обращенная волна. Мы не будем останавливаться на подробном теоретическом описании данного процесса, а рассмотрим лишь одну из схем, соответствующую векторному синхронизму при ГРЧ, для реализации ОВФ.
Волна сигнала, имеющая аберрации волнового фронта, прежде чем вступить во взаимодействие с плоской волной накачки, проходит через нелинейный кристалл. Зеркало в этой схеме полностью отражает волну частоты , , и полностью пропускает волну накачки, то есть .
Сигнальная волна, «сфотографировав» на прямом проходе фазовые неоднородности кристалла, отражается от зеркала и на обратном проходе, взаимодействуя с накачкой c волновым вектором , рождает обращенную волну частоты c , распространяющуюся точно в обратном направлении по отношению к падающей сигнальной волне. Проходя в этом обратном направлении и будучи полностью обращенной, разностная волна на выходе нелинейного кристалла будет иметь волновой фронт, совпадающий по форме с волновым фронтом падающей сигнальной волны.
ОВФ при вырожденном четырехволновом взаимодействии в кубически-нелинейной среде ОВФ можно получить при четырехволновом смешении (ЧВС) в кубически-нелинейных средах.
Сигнальная волна , распространяющаяся вдоль оси , интерферирует с волной накачки , порождая интерференционное распределение интенсивности в кубически нелинейной среде. Обе волны можно считать плоскими: .
Тогда распределение интенсивности в среде будет иметь вид:
Максимумы интенсивности будут располагаться вдоль плоскостей, которые будут составлять с осью угол , такой, что:
В результате показатель преломления в кубически нелинейной среде также будет изменятся в зависимости от значения интенсивности в каждой точке среды – возникнет динамическая объемная нелинейная фазовая голограмма. Одновременно считывающая волна (вторая волна накачки), распространяясь навстречу волне , рассеивается на этой голограмме, и появляется волна , которая является обращенной относительно сигнальной волны.
Взаимодействие называется вырожденным в том смысле, что все четыре волны имеют одинаковую частоту. При этом если волны накачки и распространяются строго в противоположных направлениях, в данном процессе условие фазового синхронизма выполняется автоматически: . В общем случае, необязательно, чтобы волны накачки были плоскими – достаточно, чтобы они были обращенными относительно друг друга.
ОВФ при вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) Эффект генерации обращенной волны может проявляться при различных видах вынужденного рассеяния, но практическое значение имеет только ВР Мандельштама-БриллюэнаЗельдович Б.Я., Пилипецкий Н. Ф., Шкунов В. В. «Обращение волнового фронта» – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.— 240 с..
ОВФ при вынужденном рассеянии Мандельштама — Бриллюэна (ОВФ — ВРМБ) реализуется следующим образом. В ВРМБ-активную среду направляют мощный пучок лазерной накачки который предварительно пропускают через искажающий элемент. Назначение этого элемента состоит в том, чтобы создать сильно неоднородное распределение интенсивности в активной среде. Вследствие этого, в направлении навстречу волне накачки из спонтанных шумов развивается стоксова волна, экспоненциально усиливаясь за счет процесса ВРМБ по мере распространения ко входному окну кюветы со средой. Из-за чрезвычайно большого времени установления процесс ВРМБ в направлении, попутном с накачкой, не успевает развиться. Оказывается, что без использования каких-либо специально приготовленных опорных волн усиленная стоксова волна приобретает поперечную структуру, с большой точностью обращенную к структуре волны накачки. В этой связи иногда ОВФ — ВРМБ называют явлением самообращения волнового фронта.
В основе физического механизма ОВФ — ВРМБ лежат следующие два свойства процесса ВР: огромное полное усиление стоксовой волны (коэффициент усиления порядка ) и сильная пространственная неоднородность локального усиления, обусловленная наличием неоднородностей интенсивности накачки (множественными локальными максимумами и минимумами интенсивности). Как было сказано ранее, от спонтанных шумов возбуждаются конфигурации рассеянных волн с самой разнообразной поперечной структурой поля. Однако наибольшее усиление испытывает такая волна , локальные максимумы (спеклы) которой всюду в пространстве совпадают с максимумами волны накачки . Очевидно, что этому условию соответствует обращенная волна , поскольку только в этом случае может сохраниться согласованность неоднородностей интенсивности двух волн при их встречном распространении во всем объеме среды. В результате именно обращенная к накачке стоксова волна обладает преимущественным усилением, и в условиях огромного полного усиления именно она представлена в рассеянном средой излучении с подавляющим весом. Остальные волны дискриминируются за счет меньшего усиления. Таким образом, в основе физического механизма ОВФ — ВРМБ лежит дискриминация усиления необращающих конфигураций рассеянной назад волны в поле неоднородной накачки.
На практике, как правило, применяются две схемы отражающих ВРМБ-зеркал: схема со светопроводом в ВРМБ-среде (по такой схеме работало ВРМБ-зеркало в пионерской работе в Лаборатории квантовой радиофизики – 1971 г.) и схема с фокусировкой излучения в объем рассеивающей средыМак А. А., Сомс Л. Н., Фромзель В. А., Яшин В. Е. «Лазеры на неодимовом стекле» — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990.— 288 с..
Сравнение основных методов получения обращенной волны На сегодняшний день подавляющее большинство исследований посвящено двум основным методам: ОВФ — ВРМБ и ОВФ — ЧВС. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками.
Большим достоинством ОВФ — ВРМБ является тот факт, что в нем реализуется самообращение волнового фронта, что обеспечивает достаточно высокое качество обращения. Также ОВФ — ВРМБ не требует введения волн накачки. К недостаткам ОВФ — ВРМБ следует отнести пороговый характер процесса ВРМБ, вследствие чего требуется достаточно высокая мощность обращаемой волны.