Энергетические и поляризационные характеристикимноговолнового взаимодействия в резонансных газах сдублетной структурой уровней тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РГ6 од

/ 3 МАЙ 1393 акадиш наук Беларуси

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ИМ. Б.И.СТЕПАНОВА

на правах рукописи

ВОИТЖОВА Маргарита Васильевна

Энергетические и поляризационные характеристики многовалкового взаимодействия в резонансных газах с дублетной структурой уровней

(01.04.05 - оптика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск - 1993

Работа выполнена в Институте физики Академии наук Беларуси

Научные руководители: член-корр. АНБ, доктор физ.-мат.

наук,профессор ВоМтовжч А.П.

доктор физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Афанасьев A.A.

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук,

профессор

Куцак A.A.

кандидат физ.-мат. наук Кабанов В.В.

Ведущая организация: Вильнюсский университет

Защита состоится " CO^y^jiA^K 1993 г.

в /у часов на заседании специализированного совета К 006.01.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук в Институте физики им. Б.И. Степанова АН Беларуси (220072, г. Минск, пр. Скорины, 70).

С диссертацией можно .ознакомиться в библиотеке Института физики АНБ. до л —

Автореферат разослан '¿Х- J" ; 993

Учений секретарь специализированного совета

кандидат физ.-мат. наук 'У Кунцевич Б.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ/

Актуальность____тему. Развитие лазерной физики непосредственно

связано о исследованиями взаимодействия интенсивного оптического излучения с резонансными средами, в том числе газовыми. Интерес к резонансным средам обусловлен, во-первых, высокой однородностью и лучевой стойкостью газов, во-вторых, в гозах, имеющих узкие атомные■ линии, возможно значительное увеличение нелинейных свойств вблизи резонанса. Четырехволновое взаимодействие (ЧВВ) является параметрическим процессом взаимодействия четырех волн, которое в пределе слабого насыщения является процессом третьего порядка, описывающимся низшей нелинейностью, разрешенной в центрально-симметричных средах.

К настоящему времени впгроко изучено ЧВВ в двухуровневых резонансных средах. Двухуровневое приближение, однако, неверно при возбуждении близко расположенных переходов, а также в системах с пространственным вырождением, которое снимается, например, ■ поляризованным излучением. Построить теорию взаимодействия поляризованного излучении с резонансными атомами при произвольном значешш интенсивности излучения удается только для переходов с нзболь^гл значением момента количества движения. В этом смысле представляется полезном использование некоторых упроззвгда предположен:!-'!, например, привлечешь для описания среды моделей хаотических яшейшх или круговых диполей.

В ряде экспериментов используются пары щелочных металлов, при теоретическом описании которых используется трехуровневая модель с дублетным расцеплением (системы V - и А -типа). В резонансных парах полочных металлов наблядаются большие сечения взаимодействия, узкие слгрнны линий поглощения, благодаря чему при резонансном возбуждении нелинейность-велика даже при малнг'концентрациях паров. Для этих сред характерны низкие интенсивности насыщения, высокие коэффициенты усиления слабых волн при ЧВВ. При этом в спектральном составе излучения можно наблюдать резонансы ЧВВ, обусловленные интерференцией близко расположенных состояний, причем коэффициент отражения оказывается выше, чем в двухуровневой .системе. Привлечение моделей V - и Л - типа является полезным для спектроскопии

- 3 -

высокого разрешения, для оъяснения экспериментов в системах о пересечением уровней, при снятии вырождения уровней в результате линейного Штарк-эффекта.

Качественно новые особенности проявляются в резонансных средах с неоднородным уширением, которое приводит к значительному снижению эффективности преобразования в слабые волны из-за специфической для подобных сред селекции взаимодействующих частиц по скорости и размытия светоиндуцированных решеток.

В основе параметрического ЧВВ лежит фазовое согласование взаимодействующих волн по направлению распространения в протяженных средах (брэгговская дифракция). Иной подход применим к тонким слоям среды, когда изучается прохождение всего потока излучения в целом с последующим разложением по Фурье ' компонентам прошедшего излучения (дифракция Рамана-Ната). В тонких средах наблюдается коническое излучение и генерация дифракционных волн еысокого порядка, которые не могут быть теоретически объяснены в терминах взаимодействия слабо насыщающего излучения и среды.

Таким образом, многочисленные факторы : насыщение, наличие вырождения уровней, неоднородный характер уширения, частотный и поляризационный состав пучков накачки и сигнала, геометрия взаимодействия значительно изменяют свойства параметрического ЧВВ. Сильное насыщение волнами накачки приводит к дополнительным полосам усиления сигнала, положение которых определяется мощностью накачки. Интерференция близко расположенных почти вырожденных уровней также приводит к появлению дополнительных полос усиления, отсутствующих в двухуровневом приближении. Учет вырождения уровней необходим при рассмотрении взаимодействия поляризованного излучения накачки и сигнала, учета наведенных полем оптических анизотропных свойств среды. Неоднородное уширение перехода накладывает ограничения на угол раствора сигнального пучка - и при вырожденном по частоте ЧВВ уменьшает эффективность процесса. В тонких средах помимо усиления сигнала и генерации дифракционной волны, возникающей как результат брэгговской дифракции на светоиндуцированных решетках, ЧВВ попутных волн сопровождается наблюдаемой экспериментально многопучковой дифракцией Рамана-Ната.

Шль__е§Ооты состоит в теоретическом исследовании многоволнового взаимодействия в резонансных трехуровневых средах с дублетным расщеплением, изучении' энергетических, спектральных, угловых и поляризационных характеристик излучения, условий усиления слабых ваш при компланарной и некомпланарной геометриях четырехволнового взаимодействия, а также построение теории взаимодействия излучения накачки произвольной интенсивности и зондирующего излучения в трехуровневых средах.

Основные задачи исследования

1. Решение задачи взаимодействия накачки и сигнала с различными частотами без использования теории возмущения по накачке в нелинейной трехуровневой среде.

2. Исследование спектральных и энергетических особенностей ЧВВ в средах с дублетной линией поглощения .

3. Исследование влияния неоднородного уширения на эффективность обращения волнового фронта при ЧВВ в газовых средах и объяснение основных механизмов этого влияния.

4. Исследование поляризационных характеристик некомпланарного попутного ЧВВ и получение условий полного поляризационного обращения сигнала.

5. Решение задачи многоволновой дифракции при некомпланарном четырехволновом возбуждении, объяснение механизмов, ответственных за генерацию дифракционных пучков высоких порядков.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

I. В рамках метода квазизнергий и формализма матрицы плотности исследовано воздействие мощного поля на трехуровневую среду с дублетным расщеплением в системах V -типа. Предложен матричный метод решения и впервые получено аналитическое решение системы уравнений для матрицы плотности, определен отклик среды на действие зондирующего сигнала и вычислен коэффициент параметрической связи волн в режиме сильного возбуждения волной накачки. Показано, что спектр зондирующего излучения содержит семь резонансов, положение которых определяется интенсивностью накачки, насыщающей переход, и величиной дублетного зазора. Исследованы

спектральные и энергетические характеристики отраженного излучения при параметрическом ЧВВ в трехуровневых средах.

2. Развита теория ОВФ при невырожденном по частоте ЧВЕ с неоднородным уширением линии с учетом нелинейного поглощения слабого излучения. Вследствие теплового движения частиц и селективного взаимодействия волн с частицами с разными скоростями зависимость коэффициента отражения от углов в между взаимодействующими волнами приводит к значительному ограничению угловой ширины обращаемых пучков,. Показано, что это ограничение становится мало существенным при невырожденном ЧВВ, когда вследствие селективного воздействия волн на группы атомов с определенной проекцией скорости возможно увеличение эффективности обращения с ростом угла 0 .

3. Рассмотрены поляризационные характеристики некомпланарного попутного ЧВВ при помощи моделей хаотически ориентированных линейных и круговых диполей. ' Показано, что в случае ортогонально поляризованных волн накачки независимо от модели резонансной среды поляризационная структура сигнала сохраняется, а поляризация дифракционной волны является обращенной по отношению к сигналу. Среда, моделируемая ансамблем хаотических линейных диполей, является поляризатором излучения, если вектора поляризации волн накачки развернуты относительно друг друга на углы 2я/3 и л/3.

4. Теоретически рассмотрена самодифракция Рамана-Ната, возбуждаемая при некомпланарном попятном ЧВВ, определена зависимость эффективности процесса от фазовых соотношений возбуждающих волн, объяснены механизмы формирования дифракционных волн на различных светоиндуцированных решетках.

Научназ_и_псактическ0я_ценндстьл Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы для нелинейной поляризационной спектроскопии газовых сред, для получения полного пространственно поляризационного обращения излучения, создания управляемого поляризатора излучения, а также для подбора оптимальных условий реализации параметрической генерации и ОВФ при ЧВВ, в разработке спектральных фильтров на основе резонансных газовых сред. Результаты диссертации содержат качественную интерпретацию имеющихся экспериментальных данных в парах

щелочных металлов, а также ряда экспериментов, в которых изучалась многопучковвя генерация.

Пдложещ!ях_вниосише_на_зпшитк.

1. Спектр зондирушего излучения в среда трехуровневых атомов V - типа, пометенных в поле мойной накачки, содержит семь резонансов на частотах, смещенных относительно частоты накачки на величину обобщенной частоты Раб!!, принимающей два значения. В базисе собственных состояний "одетого" атома возможно эффективное усиление сигнала при двухволновом или ЧВВ в указанных спектральных областях. Резонансы на удвоенной частоте Раби носят дисперсионный характер.

2. Использование невырожденного по частоте ЧВВ в газовых средах с неоднородным угаиренкем позволяет улучшить угловие характеристики отраженного излучения.

3. В случае использования ортогонально линейно поляризованных волн накачки при некомпланарном ЧВВ поляризационная структура сигнала сохраняется, а поляризация дифракционной волны является "обращенной" по отношении к сигнальной при моделировании среда набором хаотически ориентированных круговых и линейных диполей. Среда, моделируемая ансамблем линейных диполей, при определенных углах мехщу векторами поляризации волн накачки является поляризатором слабого излучения.

4. При четырехволновом возбуждении в тонком слое нелинейной среды происходит генерация дифракционных волн высоких порядков, причем для определенных фазовых соотношений возбуждающих волн интенсивность дифракционных пучков первого (второго) порядка, образованных в результате дифракции некомпланарных волн в 10 (102) раз превышает интенсивность пучков, возникающих в результате дифракции компланарных волн.

СтруктуЕа_и_оОъем_работа Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 107 наименований. Работа изложена на 119 страницах и включает 18 рисунков и таблицу. .

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Возведении дана общая характеристика работы : указана новизна и практическая ценность, сформированы защищаемые положения.

_Глава_1 является обзорной. Приведен обзор литературы по общей теории компланарной и некомпланарной схем ЧВВ, указаны границы применимости принятых приближений в теории ЧВВ, возможности самодифракции высоких порядков в тонких средах из-за высших нелинейностей при некомпланарном ЧВВ, рассмотрена общая теория поляризационного ЧВВ, особенности • параметрического взаимодействия в многоуровневых средах и в режиме ' сильного возбуждения волнами накачки. На основании анализа литературных данных в конце главы поставлены конкретные задачи исследования.

Глава_2д Параметрические процессы рассеяния в системах с дублетно расщепленным возбужденным состоянием.

Глава 2 посвящена изучению двухволнового взаимодействия сигнала Ео(ис) и мощной насыщающей накачки Е(ш) (§2.1,2.2), а также параметрического процесса четырехволнового взаимодействия двух волн накачки Е1 (ы( а), сигнала Еэ(из) и дифракционной волны Е4(«4) в системах с дублетно расщепленным возбужденным состоянием (§2.3-2.6). В рамках методов квазиэнергий и матрицы плотности рассмотрено воздействие мощного поля на трехуровневую среду (§2.1,2.2). Временные уравнения для матрицы плотности впервые точно решены с помощью матричного метода и определен отклик среды на действие зондирующего излучения Х(ы ), вычислен коэффициент параметрической связи волн /3(2и -и. ) в режиме сильного возбуждения волной накачки. В методе квазиэнергий определены состояния "одетого" атома, представляющие собой систему двух триплетов квазиэнергетических состояний |?(-)> (1=1,2,3), разделенных на величины Я и Нг, где ^ 2 - два значения обобщенной частоты Раби. Спектр сигнала в этом случае состоит из семи резонансов на частотах и =ы,и±Н , где и -

1 С 1 ,2 1 1 2 ' ^

частота накачки. При настройке частоты накачки в центр дублетного зазора Д спектр квазиэнергий состоит из двух эквидистантно расщепленных триплетов, при этом

И =йг=Н=у дг/4+|Уг |2+|Уз |г , где - матричный элемент взаимодействия переходов 1-2 и 1-3 с полем накачки (I-основное состояние, 2,3 - уровни дублетно расщепленного верхнего сотояния , см. рис. I). В базисе собственных функций "одетого" атома показано, что населенность верхних подуровней

- 8 -

квазиэнергетических состояний <?11 + ' больше, чем нижних

<?1'~> 1?1(-)>. что приводит к усилению сигнала при двухволновом вырожденном по частоте взаимодействии. Этот же вывод следует из определения нелинейной восприимчивости сигнала- Х(ыо) в методе матрицы плотности. В точке "нулевой" дисперсии системы V- или Л- типа ■ отсутствует фазовая компонента решетки показателя преломления и усиление сигнала происходит на амплитудной компоненте решетки. В §2.2 в методе матрицы плотности определяется восприимчивость на частоте сигнала и коэффициент параметрической связи волн. При настройке частоты накачки в точку "нулевой" дисперсии выражения для восприимчивости сигнала и коэффициент параметрической связи волн преобретают простой вид

X =

С

"Б" П»(Пг-11г)а(Па-4Н2) + Ьз ,й) ' (,)

-Им1г_ь^,^_,

"ТГ_ п? (Г-Н* Г (Пг-4Нг ) + Ь5 (г,гзг (2)

где П =ад -« - разность частоты сигнала и накачки, Ь -коэффициент, зависящий от мощности накачки |У|г и Ь -коэффициент, определяющийся у, с1 - спектральными ширинами оптических и неоптических переходов, узг- спектральной шириной запрещенного перехода 2-3. Из приведенных выражений видно, что отклик и коэффициент параметрической связи во.)гн имеют резонансн на частотах о> =*>,ы±Н,ы+2Н, на которых возможно усиление сигнала (см. рис. 2). В общем случае произвольной частоты накачки резонянсн в спектре сигнала расположены в семи частота« областях и яо.ш+И ,щ±П +1} , в полном соответствии

С ' 1,2* 1 2

с квэнтовомеханическим рассмотрением. Показано, что усиление сигнала происходит главным образом на частотах ыс= ш+И а, а резонанса на частотах со+Н ±Нг носят дисперсионный характер. Результаты §2.1,2.2 могут быть обобщены на случай параметрического четырехволнового взаимодействия волн накачки Е на частоте м = о» = ы и сигнала Е (ы = и ), при котором

1,3 12 3 ^ 3 С ' ' ^ г

происходит параметрическое усиление Ез и генерация дифракционной волны Е4 (<о = ?м-ыс) в указанных семи частотных областях.

В §2.3-2.6 исследуются спектральные и энергетические

- 9 -

характеристики слабых волн Е3 (ы ) при вырожденном и невырожденном по частоте ЧВВ с учетом пространственных осцилляций волн накачки при коллинеарной геометрии взаимодействия. В §2.3,2.4 рассмотрено ЧВВ в режиме слабого насыщения (кубическое приближение по полю накачки). Показано существование узких резонансов при вырожденном ЧВВ вблизи линий поглощения среды, появление резонансов на комбинационных частотах, трансформация и уширение спектра при невырожденном ЧВВ, которые зависят от частотных расстроек излучения и параметров среды.

Глава___3.. Невырожденное по частоте четырехволновое

взаимодействие в резонансной двухуровневых средах с неоднородным уширением линии поглощения.

Рассматривается невырожденное ЧВВ в резонансной среде с доплеровским уширением линии поглощения с учетом нелинейного поглощения слабого излучения. В кубическом по полю приближении получены выражения для коэф!ициентов параметрической связи волн и поглощения смешиваемых волн и исследованы угловые зависимости коэффициента отражения для квазиколлинеарной и ортогональной геометрий ЧВВ. Показано, что тепловое движение частиц газа приводит к существенному ухудшению эффективности ЧВВ, т.к. способствует размытию амплитудно -фазовых динамических решеток. Световая волна эффективно взаимодействует с частицами, если условие записи решетки, возбуждаемой одной парой волн (например, Ех и Ез) совпадает с условием считывания решетки другой парой волн (Еа и Е4), и наоборот. Если попутные волны Е и Ез имеют одинаковые частоты и угол между сигналом и направлением накачки В"0 рад, то все волны взаимодействуют с одной группой частиц. Однако, при увеличении угла В количество частиц со скоростями, удовлетворяющих условию резонанса для соответствующих волн будет уменьшаться. Вследствие этого с ростом 0 будет понижатся эффективность возбуждения крупномасштабных решеток и падает коэффициент отражения как функция Я ~ з1гг*0. При невырожденном взаимодействии, учитывая приближение 0 « I, из соответствующих условий взаимодействия всех четырех ' волн с одной группой частиц о определенной скоростью,, получаем соотношение |<У,-еа| % |<?2-с41 = . гдв £1~

нормированная на г отстройка от резонанса слабых волн, б1-

- 10 -

нормированная на у отстройка волн- накачки от резонанса, *ко-волновое число, vx- компонента скорости частицы. Из соотношения следует, что при определенных расстройках и углах в эффективность ЧВВ может быть выше, чем в случае 0=0 (см. рис. 3).Значение угла максимального усиления составляет Эор1~ -£з )kovo/r, vo- средне тепловая скорость частиц. Таким образом, в случае невырожденного ЧВВ вследствие селективного воздействия волн на группы атомов с определенной проекцией скорости возможно увеличение эффективности ЧВВ с ростом в. Глава_4Л Некомпланарная самодифракция в резонансных средах при четырехпучковом возбуждении.

§4.1 посвящен теоретическому рассмотрению некомпланарной четырехволновой самодифракции Рамана - Ната в тонких слоях с насыщающимся поглощением. В тонких слоях поток падающего излучения на входе рассматривается как целое с последующим Фурье-разложением на выходе из среды (z=L). Для некомпланарной геометрии взаимодействия предполагается, что волновые вектора волн k+i лежат во взаимно ортогональных плоскостях на поверхности кругового (эллиптического) конуса с заданными углами при его вершине. В протяженных средах с такой геометрией взаимодействия вследствие' процессов брэгговской самодифракции реализуется некомпланарное попутное четырехволновое взаимодействие (НК-ГГЧВВ), приводящее при определенных условиях к направленному энергообмену между взаимодействующими парами пучков. Частотно -вырожденная некомпланарная многоволновая генерация возникает в тонком слое среды, когда фазовое согласование не играет определяющей роли. 'В этих условиях возможна генерация дифракционных волн первого и высоких порядков. В общем случае НК-ПЧВВ амплитуда поля на входе в среду (z=0) может быть представлена в виде

Ео=2Е±, ехр(±1ко0у/2)+Е±г ехр(±1ко9х/2) , (3)

+

где Е+, амплитуда возбуждающих волн, в « n/Z -угол схождения волн, ко- волновое число.

В случае дифракции Рамана-Ната (т.е. при |Дк|Ь « I, где Лк - алгебраическая сумма волновых векторов взаимодействующих волн), с помощью стандартной процедуры разложения восприимчивости в ряд Фурье по пространственным гармоникам, для излучения с интенсивностью, не превышающей интенсивность

- II -

насыщения линии поглощения, на выходе из среда я=Ь имеем Е % Ео{1+1*оЫ1-сх|Ео|2-|3|ЕоГ]}= К. пехр[1ков(шх+пу)/2] (4)

т ,п '

где Ет амплитуда дифракционных волн соответствующих порядков (ш.п '= 0,±1 ,±2...), ио = 2пкоХо, Хо - линейная восприимчивость, а и /3 - коэффициенты разложения поляризованности в ряд по степеням напряженности поля, причем |*о|Ь < 1. Из (4) следует, что дифракционные волны первого порядка (т,п £ 3) возбуждаются в среде вследствие кубической нелинейности, а волны более высоких порядков (го,п > 3) -высшими нелинейностями. Таким образом, при четырехволновом возбуждении некомпланарной самодифракции Рамана-Квта в рассматриваемом приближении в среде генерируется 12 волн первого и 20 волн второго порядка дифракции. Картина самодифракции в плоскости (ху) приведена на рис. 4. Показано, что интенсивности Е + и Е+ не зависят от фазовых

о Хз 1з о

соотношений входных волн. Это связано с тем, что дифракционные волныя, лежащие в плоскости (хй) ' и (уя), генерируются вследствие компланарной дифракции входных волн на ими ке индуцированных решетках. Наличие другой пары входных волн проявляется лишь в насыщении линии поглощения. Генерация волн Е+т±л(ш,п=1,2) обусловлена некомпланарной дифракцией входных волн, лежащих во взаимно ортогональных плоскостях, на трех различных решетках. Например, волны Е+1 +г генерируются вследствие дифракции волн Е+ на светоиндуцированннх решетках с амплитудами Дс ~ Е+1Е^г и Дс " Е+гЕ^ , а также волн Е±г на решетках с амплитудами Дс " Е+1Е^ . В результате интерференции трех различных процессов дифракции интенсивности этих волн зависят от фазовых соотношений входных волн. В частности, при равенстве амплитуд входных волн Е+. =Еехр(1у^ ) интенсивности дифракционных волн Е+т±п (га,п=1,2) при у = ¥'_1-(¥'+!г+ У'_г) = 2кя (к =0,1,2... ) в 9 раз больше интесивности волн Ео+з и Е+зо, лежащих в плоскостях (хг) и (уг). Соответственно, при у = п(2к+1) интенсивности всех волн одинаковы.

Показано, как и в первом порядке дифракции, интенсивности волн второго порядка Е,4„ и Е,_ , лежащие в плоскостях (хг) и (уй), не зависят от фазовых соотношений возбуждающих волн. Интенсивности остальных волн второго порядка дифракции зависят от V, т.к. они генерируются вследствие некомпланарной

- 12 -

дифракции на нескольких решетках. Здесь можно выделить два класса дифракционных волн : волны первого класса, генерируемые вследствие дифракции на трех решетках и второго класса, генерируемые вследствие дифракции на шести решетках. Интенсивности волн второго порядка дифракции достигают максимума при у = 2пк. В случае равных амплитуд входных волн максимальная интенсивность волн второго класса в 4 раза больше интенсивности волн первого класса. При этом максимальная интенсивность дифракционных волн второго класса в 25 раз больше минимальной, достигаемой при у> = п(2к+1). Можно показать, что при трехволновом возбуждении (например, при Е = 0) эффективность некомпланарной семодифракции не зависит от фазовых соотношений входных волн.

Глава__5а Поляризационные характеристики некомпланарного

попутного четырехволнового взаимодействия в резонасных средах.

Рассматривается некомпланарное попутное ЧВВ (ПК-ПЧВВ) в поле линейно поляризованных волн накачки в резонансных средах, моделируемых линейными и круговыми диполями. Анизотропия линейного диполя, колеблющегося вдоль оси квантования, соответствует анизотропии перехода без изменения магнитного квантового числа (т.е. Дш = 0). Анизотропия кругового диполя, вращающегося с частотой перехода в плоскости, ортогональной оси квантования, соответствует анизотропии перехода при Дш = ±1. В рамках такого подхода в предположении линейной поляризации волн накачки равной интенсивности |Е; |2= |Ег|2 вычислены инкременты параметрического усиления и определено состояние поляризации слабых волн. В §5.1. проведен теоретический анализ поляризационных характеристик ЧВВ • в кубическом по полю приближении. Интегрирование по углам Эйлера П выражения для поляризованное™ среды означает усреднение но возможным ориентациям диполышх моментам частиц ц. В §5.2,5.3 конкретизирована модель описания среды. Для определенности ось у направляется по биссектрисе ,гла между векторами волн накачки Е и Б . Можно показать, что в поле заданных линейно ■'поляризованных волн накачки Е - Ко . в модели линейных

диполей декартовы компоненты коэффициентов поглощения и параметрической связи имеют вид

- 13 -

px(0n) = Ру(вп+л/ 2) =/oo/(1-li)[1-4ao|Eo|2/5(1+2sln20n)], (б)

*x(en)=-*y(en+u/2)= 2роао^/(5(1-1б))П-4зШг9п)],

где 20n -угол между векторами поляризации накачки, ро-вмплитудный коэффициент поглощения, а - параметр насыщения.

Отсюда следует, что при @п= 30° и при бп= 60° возможно усиление лишь одной компоненты слабых волн (Ез 4и Ез 4хсоответственно). Таким образом, в данном 'случае рассматриваемая схема НК-ПЧВВ является поляризатором слабого излучения.

Для ортогонально поляризованных волн накачки (при ßn =л/4, qA ~ 0) поляризация сигнальной волны в процессе взаимодействия сохраняется, а поляризация дифракционной волны Е4 является обращенной по отношению к ней ( вектора Es и Е4 зеркально симметричны относительно оси у). В случае параллельно поляризованных волн накачки (при Вп= 0 или вп= я/2) легко показать, что если сигнальная волна Ез линейно поляризована вдоль оси х или у, то ее поляризация в процессе взаимодействия сохраняется. При этом поляризация дифракционной волны Е4 совпадает с поляризацией сигнальной.

В модели круговых диполей (§5.3) интегрирование по эйлеровым углам приводит к следующим значениям Рх(вп)=Ру(вп+п/2)= -p0/(1-iö)i1-2ao|Eoi2/5(3+sln2en)], (7)

*„<0n) =-*y(en+n/2)=-2po/(5(1-iö))aoIf (Heins»), (8)

Легко видеть, что в случае ортогонально поляризованных волн накачки 0п = л/4 (как к в модели линейных диполей) в процессе взаимодействия поляризация сигнальной волны сохраняется, а поляризация дифракционной - является "обращенной" по отношению к ней.

Из анализа выражений для р и-» следует, что в случае параллельно поляризованных волн накачки основные закономерности поляризационного НК-ПЧВВ не зависят от свойств резонансной среды, т.е. сохраняются для модели ■ линейных и ■ круговых диполей.

В___заключении сформулированы основные результаты,

полученные в диссертации.

1. В ранках методов квазиэнергий и матрицы плотности рассмотрено воздействие мощного поля на трехуровневую среду с дублетным расщепление. Впервые получено решение системы уравнений для матрицы плотности с помощью матричного метода, определен отклик среда на действие зондирующего сигнала и вычислен коэффициент параметрической связи волн в режиме сильного возбуждения накачкой. Для трехуровневой системы в методе квазиэнергий рассчитаны населенности, дипольные моменты переходов в базисе собственных функций "одетого" атома, описывающих систему двух триплетов квазиуровней. Спектр зондирующего излучения содержит семь резонансов на частотах ы.и+1^ г (П(+Иг ), где Н значения обобщенных частот Раби. Резонансное усиление сигнала происходит главным образом на частотах ы±П4 2 , а резонансы на частотах со+ (И ) носят дисперсионный' характер.

2. При параметрическом невырожденном четырехволновом взаимодействии наблюдается усиление сигнала .и генерация дифракционной волны в указанных семи частотных областях. Для случая настройки частоты накачки в точку "нулевой" дисперсии в спектре наблюдается пять резонансов, при этом обобщенная частота Раби принимает единственное значение, кроме того, дипольный момент перехода с центрального квазиуровня верхнего триплета на квазиуровни нижнего триплета состояний "одетого" атома равен нулю, что приводит к эффекту "непоглощения". В методе матрицы плотности показано, что в условиях сильного возбуждения релаксация перестает существенно блиять на величину усиления сигнала при ЧВВ.

3. В пределе слабого насыщения рассмотрено вырожденное и невырожденное но частоте ЧВВ , исследован спектральный состав отраженного излучения в трехуровневых средах. При изменении частотных отстроек бихроматической накачки происходит значительная трансформация спектров отражения по сравнению с спектрами при вырожденном ЧВВ и появление новых уширенных резонансов на комбинационных частотах.

4. Для различных соотношений мощностей волн накачки исследована зависимость коэффициента отражения от частотных расстроек. Увеличение асимметрии мощностей волн накачки приводит к снижению эффективности ЧВВ, что связано с

уменьшением коэффициента связи и возникновением фазового рассогласования между волнами. Минимальное значение коэффициента отражения наблюдается в точке "нулевой" дисперсии, что связано с выключением из взаимодействия фазовой компоненты решетки. Насыщение поглощения накачки приводит к общему снижению эффективности вырожденного по частоте ЧВВ. б. Для некомпланарной самодифракции Рамана-Ната в резонансных средах с насыщающимся поглощением определены механизмы генерации волн первого и второго порядков дифракции. Показано, что интенсивности дифракционных волн, не лежащих в плоскостях схождения возбуждающих, при определенных фазовых соотношениях могут быть значительно выше (в 10" раз) интевсивностей волн, лежащих в этих плоскостях. Причиной зависимости эффективности самодифракции от фазовых соотношений возбуждаемых волн является интерференция элементарных процессов дифракции на различных светоиндуцированных решетках.

6. В резонансных средах, моделируемых линейными или круговыми диполями, при произвольной ориентации векторов заданных волн накачки процесс НК-ПЧВВ приводит к изменению поляризации линейно поляризованного сигнала. Для случая ортогонально поляризованных волн накачки (при бп= п/4) независимо от выбранной модели резонансной среды поляризационная структура сигнала в процессе НК-ПЧВВ сохраняется, а поляризация дифракционной волны является "обращенной" по отношению к ней. При параллельной ориентации векторов накачки (при 0п= 0) поляризация сигнала сохраняется только в том случае, когда вектор амплитуды линейно поляризованного сигнала ориентирован параллельно или ортогонально направлению поляризации излучения накачки. Схема НК-ПЧВВ в резонансной среде, моделируемой ансамблем линейных диполей, является поляризатором слабого излучения, если 2вп составляет значения 2п/3 или п/3.

7. Возникающая вследствие теплового движения частиц зависимость коэффициента отражения И от угла в между взаимодействующими волнами приводит к значительному ограничению угловой ширины обращаемых пучков, причем это ограничение более существенно при вырожденном ЧВВ. В случае невырожденного ЧВВ вследствие селективного воздействия волн на группы атомов с оггределенной проекцией скорости возможно увеличение эффективности ЧВВ с ростом 6.

- 16 -

Диссертационная работа отражает личный вклад автора в выполненных исследованиях. Научные руководители:член-корр. АНБ, доктор физ.-маг. наук Войтович А.П. и доктор физ.-мат. наук Афанвсеев A.A. сформулировали тему диссертации. Теоретические исследования выполнены Войтиковой М.В. самостоятельно. Соавторы некоторых работ оказывали помощь в обсуждении и исследовании.

Рис. 2. Зависимость 1шХс (верхняя серия) и НеХо (нижняя серия) от П/П вблизи резонансных частот "одетого" атома при накачке в точку "нулевой" дисперсии для значений 1м1г/Ь=1,

Д=1 ,}•=(•). 1, 7=1(1), 7=2(2).

Рис. 3. Угловая зависимость коэффициента отражения при вырожденном ЧВВ (а)

(6^6 = С)

Для <5= о ()), 10(2),20(3)

1три невырожденном ЧВВ (б) (¿< = 6 =/= е ) для ¿ИО (1,3,4) , 6=20. (2)

Рис. 4. Картина самодифракции на выходной границе среди в плоскости {ху}, Е =(И п)

т-о)

5

// \ 4 1 4 4

■ 5 2

0./ 0.2 О.З 6

Ч

-

Ы

Г? (14)

N

■— —< щ —< -- Г-Ц ч Ч ж 11 --г И —1 м щ

N

(-'-$ М

— —- 2-1)

0-1 '1-х)

1 . , ! Ц>

х

- 18

Апробацид. Основные результаты докладывались на VII и VIII. Республиканских конференциях (Могилев 1982, Паланга 1987) и ' II и III Всесоюзных конференциях молодых ученых и специалистов (Ленинград 1986, 1988), на Всесоюзной конференции по ОВФ (Минск 1990). Результаты опубликованы в 6 статьях, I препринте, 4 тезисах докладов всесоюзных и республиканских конференций; Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Войтикова М.В. Взаимодействие резонансных трехуровневых сред с дублетной структурой с сильной электромагнитной волной. Препринт H 665, ИМАФ АН Беларуси, Минск, 1992.

2.Галко М.В.(Войтикова) Четырехволновое резонансное взаимодействие в резонансных средах.ЖПС,1983,т.38,в.4,с.Б64-569.

3. Галко М.В.(Войтикова) Обращение волнового фронта световой волны при четырехволновом взаимодействии в резонансной среде. Тез. докл. VII Респ. конф. мол. уч. и спец..Могилев,1982,с.57.

4. Афанасьев A.A., Доценко М.В. (Войтикова) Эффективность четнрехволноного смешения в резонансной среде с дублетной структурой уровней. ЖПС, Г988, т.48, в.6, с.982-990.

5.Доценко М.В(Войтикова) Четырехволновое взаимодействие в средах с дублетной линией Тез. VIII Рес.конф. Паланга,1987, с.158.

6.Афанасьев A.A., Войтович А.П., Доценко М.В.(ВоПтикова) Невырожденное четырехволновое взаимодействие в резонансных средах с доплеровским уширением линии поглощения. Квант, электр., 1987,

т.14, N 3, с.492-497.

7.Доценко М.В(Войтикова) Невырожденное четырехволновое взаимод. в резонансных газах с неоднородным уширением линии Тезисы III Всесоюзной конф. мол. уч. и спец., Ленинград,1988.с.15. В.Афанасьев А.А,Доценко М.В(Войтикова) Эффзктивность некомпланарной самодифракции Рамана-Ната в резонансных средах. Квантов, электр. ,1989, т.16, N 2, с.300-303.

9.Доценко М.В.(Войтикова) Некомпланарная сомодифракция в резо- . ианстшх средах. Тез.III Всес.кон. мол. уч. и спец..Ленинград,1988.

10.Афанасьев A.A..Доценко М.В.(Войтикова).Дубовец В.Г..Самсон Б.А. Попутное четырехволновое взаимодейсгвие в резонансных средах.

Сб. Труды II Всесоюзной конф. но ОВФ, fin., 1990, с.106-109. Н.Афанасьев А.А.,Доценко М.В. (Войтикова) Поляризационные характеристики некомпланарного попутного четырехволновое взаимодействие в резонансних средах. Rflifflï'. электр., 1989,т.17, N 2, о.1345-1348.