Удивительные превращения

Если опираться на теорию Максвелла, то из нее следует, что свет должен проходить через прозрачное вещество, не меняя частоты колебаний.

Поведение светового пучка в веществе полностью определяется его частотой и показателем преломления среды, если не учитывать явлений, связанных с поляризацией света. Но если осветить кварцевую пластинку К мощным световым потоком рубинового лазера, то в луче, прошедшем кварц, появятся колебания с частотой, отличной от частоты красного света лазера. В этом можно убедиться, направив пучок на призму П. В луче содержится синий свет с длиной волны 0,347 мкм (рис. 27, а).

Откуда взялся синий свет? Оказывается, взаимодействие света с веществом может послужить причиной изменения его частоты. В световой волне колеблются электрическое и связанное с ним магнитное поля. Напряженность электрического поля солнечного луча в хорошую погоду у земной поверхности составляет около 1000 В/м. Такая незначительная напряженность электрического поля может сдвигать только очень слабо связанные электроны атомных оболочек. Под действием света в веществе начинаются колебания электронов с частотой, равной частоте колебаний в падающем световом луче. Эти колебания создают вторичное световое излучение с той же частотой. Поэтому, проходя через вещество, солнечный свет не может вызвать появления новых частот в спектре.

Однако в фокусе линзы, собравшей лазерный луч, напряженность электрического поля световой волны может достигать 1000 000 000 В/м! Такая мощная световая волна не только сдвигает электроны внешних атомных оболочек, но вызывает и более существенные изменения. У кристаллов, не имеющих центра симметрии, электроны в одну сторону будут сдвинуты сильнее, чем в другую (рис. 27, б). Положение смещенных электронов теперь уже не повторяет форму падающей волны. Колеблясь, смещенные таким образом электроны создадут две световые волны: с частотой падающего света и с частотой вдвое больше. Появится еще и постоянный электрический ток! Электроны сместятся одинаково в обе стороны, но при этом не повторят форму падающей световой волны.

Рис. 27. Нелинейные эффекты при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом: а - прохождение мощного лазерного луча через кварц; б -смещенные электроны начинают колебаться. Возникает излучение с частотой падающего света и с удвоенной частотой. Сумма этих колебаний воспроизводит кривую смещения электронов. Кроме светового излучения при несимметричном смещении электронов возникает постоянный электрический ток; в - если электроны смещаются световым излучением симметрично, то может возникнуть свет с частотой колебаний втрое большей, чем частота падающего света.

Посмотрим на пружины (рис. 27, в). Все они одинаковы по своим характеристикам. Допустим, что к первой подвешен груз массой 5 кг, ко второй -массой 8,7 кг, а к третьей - массой 10 кг. Под действием веса груза первая пружина растянулась на 5 см, а вторая растягивается только на 8,6 см, хотя на нее действует вес гири массой 8,7 кг. Третья пружина опускается вместо 10 см на 9,5 см. Наши грузы теперь не повторяют синусоидальной кривой закона, по которому подобран их вес, пропорциональный массам грузов. С увеличением прикладываемой силы пружина начиная с определенного момента оказывает большее сопротивление растяжению, чем вначале. Так же и электроны в атомах. Можно представить, что они прикреплены к атомному ядру как бы на пружинах. Конечно, на деле их удерживают в атоме электрические силы, но эти силы по своему действию подобны нашим пружинам. Таким образом, когда напряженность электрического поля световой волны велика, смещение электронов, так же как смещение гирь, не повторяет форму падающей волны. На рисунке мы видим, что такую смещенную цепочку электронов можно представить двумя синусоидами; у одной длина волны такая же, как и у падающего света, а у второй втрое ко'роче. Облучая кальцит мощным лучом рубинового лазера, можно получить излучение с длиной волны 0,2314 мкм, т. е. втрое меньшей длины волны рубинового лазера.

Но если в веществе интенсивный лазерный луч распространяется по-иному, то он и преломляется в веществе, и отражается от поверхности тела не так, как обычный: появляются фотоны большой энергии. Вещество, пропускающее свет обычной силы, становится непрозрачным для мощного пучка. Все эти явления образовали новый раздел физики, называемый нелинейной оптикой.

перейти к началу страницы