Вынужденное комбинационное рассеяние света в прозрачных микрочастицах. Роль резонансов оптического поля тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Введение

ГЛАВА I. ВЫНУЖДЕННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В ПРОЗРАЧНЫХ ЧАСТИЦАХ.

1.1. Физические основы процессов вынужденного рассеяния света в сплошной среде

1.1.1. Вынужденное комбинационное рассеяние

1.1.2. Вынужденное рассеяние Мандельштама -Бриллюэна

1.1.3. Вынужденное температурное рассеяние

1.1.4. Вынужденная флюоресценция.

1.2. Вынужденное рассеяние света в прозрачных частицах.

1.2.1. Оптические поля в прозрачных частицах.

1.2.2. Собственные колебательные моды сферических частиц. Резонансы внутреннего оптического поля

1.2.3. Обзор основных экспериментальных результатов по наблюдению процессов вынужденного рассеяния в микронных каплях.

Краткие выводы по главе I.

ГЛАВА И. ПОРОГ ВЫНУЖДЕННОГО КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА В ПРОЗРАЧНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦАХ.

2.1. Постановка задачи. Основные уравнения процесса ВКР.

2.2. Определение порога ВКР на основе энергетического подхода.

2.3. Эффект понижения порога ВКР в слабопоглощающих частицах ("двойной" резонанс ВКР)

Краткие выводы по главе II.

ГЛАВА III. ВЛИЯНИЕ ВЫНУЖДЕННОГО РАССЕЯНИЯ МАНДЕЛЬШТАМА - БРИЛЛЮЭНА НА ПОРОГ ВЫНУЖДЕННОГО КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ В СФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦАХ.

3.1. Основные соотношения процесса ВРМБ

3.2. Коэффициент пространственного перекрытия электромагнитных и акустических мод в сферической частице.

3.3. Результаты численных расчетов порога ВРМБ.

3.4. О возможных механизмах понижения порога ВКР в сферической частице в присутствие эффекта ВРМБ

Краткие выводы по главе III.

ГЛАВА IV. ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ РАССЕЯНИЯ В УСЛОВИЯХ МНОГОМОДОВОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ВЫНУЖДЕННОГО КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ В СФЕРИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЕ.

4.1. Интенсивность излучения вынужденного рассеяния от сферической частицы.

4.2. Угловое распределение интенсивности при многомодовом возбуждении

Краткие выводы по главе IV.

Актуальность темы

В рамках разработки проблемы применения лазеров в атмосферно-оптических исследованиях несомненный интерес представляют исследования, направленные на создание новых физических методов диагностики аэрозольных сред. Изучение вынужденного комбинационного рассеяния (В KP) - нелинейно-оптического эффекта, возникающего в слабопоглощающих аэрозольных частицах при облучении их высокоинтенсивным лазерным излучением, является одной из задач подобного типа. Спектральное положение и интенсивность линий В KP от отдельной частицы определяет ряд характеристик капель, в первую очередь их химический состав, радиус, а также поверхностное натяжение, вязкость, фазовое состояние. Более низкие по сравнению со сплошной средой энергетические пороги возникновения процесса вынужденного комбинационного рассеяния в частицах, узкая спектральная ширина линии В KP 0.01 см"1) открывают перспективы практического использования данного эффекта в Раман - спектроскопии аэрозолей. В отличие от традиционных спектроскопических методов определения химического состава образцов по спектрам их комбинационного рассеяния, для получения достаточно интенсивного сигнала ВКР, Раман -спектроскопия микрочастиц, являясь по сути дела внутрирезонаторной спектроскопией, не накладывает ограничений на минимальный размер исследуемой среды, позволяя проводить situ" диагностику аэрозольных образований. Высокие значения коэффициента нелинейного преобразования основной волны в комбинационную составляющую существенно повышают чувствительность микро-Раман-спектроскопии, позволяя обнаруживать даже малые примеси (< 10%) в базовом веществе.

Экспериментальные исследования по зондированию жидкокапельных образований в открытой атмосфере [114], с использованием мощного Nd-YAG лазера, показали существование сигнала комбинационного рассеяния 5

КР), значительно превышающего сигнал КР от водяных паров. Также наблюдалось расщепление линий КР воды в дублет с узкими составляющими, причем отношение интенсивностей линий дублета и расстояния между ними было различно и определялось микроструктурой и водностью исследуемого аэрозоля.

Следует отметить, однако, что для корректного применения методов, основанных на эффекте ВКР в оптике дисперсных сред важна теоретическая проработка вопросов, связанных, в первую очередь, с установлением соотношений сигнала ВКР и физико-химическими характеристиками аэрозольных частиц.

Резонансные свойства микрочастиц открывают перспективы создания на их основе лазерных источников с высокими значениями КПД, работающих не только в оптическом, но и СВЧ диапазонах. Помимо возможности практического приложения, исследование эффектов светорассеяния в сферических частицах представляет также самостоятельный интерес для физики нелинейных волновых взаимодействий и теории оптических резонаторов. Для этих направлений исследований также важны теоретические разработки, определяющие оптимальные условия возбуждения процессов вынужденного излучения в прозрачных частицах.

Состояние вопроса исследований

Нелинейно-оптические эффекты вынужденного рассеяния (ВР) света в слабо поглощающих сплошных средах известны в научной литературе достаточно давно. Однако лишь недавно, в конце 70 -х, начале 80 -х годов, было обнаружено существование данных эффектов и в веществе, находящемся в дисперсном состоянии. Подобный факт связан с тем, что именно из-за малого размера микронная частица долгое время не рассматривалась в качестве объекта для подобного рода исследований, т.к. оценки, проведенные по модели бегущих волн показали, что порог ВР превышает порог пробоя аэрозольных частиц. Тем не менее, из работ [4, 29, 45] следует, что сферическая частица, благодаря способности 6 фокусировать в своем объеме падающее электромагнитное излучение, а также наличию собственных высокодобротных колебательных мод, является уникальным оптическим микрорезонатором, способным накапливать энергию светового поля, многократно увеличивая длину нелинейного взаимодействия волн.

К настоящему времени накоплен достаточно обширный экспериментальный материал по наблюдению вынужденного комбинационного рассеяния в частицах микронных размеров. Следует отметить работы [26, 59, 66, 68, 86]. Вместе с тем, существующие теоретические представления позволяют в большинстве случаев лишь качественно описать процесс ВКР в сферических частицах и не дают количественной информации о характеристиках данного эффекта. Более того, в ряде случаев теоретическая интерпретация наблюдаемых в экспериментах закономерностей отсутствует вовсе.

Среди теоретических работ по исследованию ВР в прозрачных частицах необходимо отметить [10], где для стационарного источника накачки найден порог вынужденного рассеяния Манделыптама-Бриллюэна (ВРМБ) при различных условиях взаимодействия оптических и акустического полей. В случае ВКР необходимо более детальное исследование взаимодействия мод, поскольку частотный сдвиг рассеянной волны значительно больше (Дсо~1013 Гц), чем для ВРМБ (Асо~Ю10 Гц).

При исследовании пороговой интенсивности ВКР экспериментально был установлен ряд интересных эффектов не нашедших теоретического объяснения. В частности, при наложении определенных условий на спектральный состав и временной режим накачки в экспериментах регистрировалось существенное понижение порога ВКР. Аналогичный эффект наблюдался и при одновременном возбуждении в частице процессов ВКР и ВРМБ. В связи с этим, несомненный интерес представляет проведение теоретического исследования, позволяющего оценить пороги рассматриваемых эффектов при различных условиях возбуждения, что 7 позволит выработать практические рекомендации по наиболее эффективному возбуждению процессов вынужденного рассеяния в микронных частицах.

Наряду с пороговыми и спектральными, другой важной характеристикой процесса ВКР является угловое распределение интенсивности рассеянного излучения от частицы. Известно, что угловая структура ВКР при одномодовом возбуждении процесса симметрична в направлениях вперед и назад. Теоретические оценки, проведенные в работе [105], а также экспериментальные исследования [66] показали, что при многомодовом режиме возбуждения ВКР диаграмма рассеяния не симметрична. Детальное рассмотрение закономерностей углового распределения интенсивности вынужденного комбинационного рассеяния при одномодовом и многомодовом возбуждении процесса является необходимым для понимания физического аспекта данной проблемы, в том числе для исследования взаимодействия световых полей в прозрачной частице.

Цель и основные задачи

Целью настоящей диссертационной работы является теоретическое исследование порога и угловых характеристик вынужденного комбинационного рассеяния света в прозрачных сферических частицах, влияния на них взаимодействия собственных резонансных мод частицы. Основными задачами являются:

1. Исследование пороговой интенсивности накачки, приводящей к возникновению в сферических частицах вынужденного комбинационного рассеяния при различных условиях его возбуждения, а также определение условий, при которых возможно снижение энергетического порога проявления рассматриваемого эффекта, в том числе за счет влияния вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.

2. Исследование угловой структуры интенсивности вынужденного комбинационного рассеяния в дальней зоне в режиме одномодового и многомодового его возбуждения внутри сферической частицы. 8

Достоверность

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы подтверждается следующими факторами:

1. физической непротиворечивостью основных результатов и выводов, их согласованностью с физическими представлениями о взаимодействии излучения с прозрачными частицами;

2. тестированием используемых при численном моделировании программ;

3. удовлетворительным согласием полученных результатов с экспериментальными данными.

Научная новизна работы

1. Получено аналитическое выражение для пороговой интенсивности падающего на частицу светового поля, определяющее нижнюю границу возникновения в прозрачных частицах процесса ВКР.

2. При исследовании пороговых характеристик ВКР введен коэффициент пространственного перекрытия взаимодействующих в частице полей, определяющий степень эффективности их взаимодействия. Представлены расчеты данного коэффициента для ВКР и ВРМБ при различных конфигурациях резонансных полей.

3. Определены условия, при которых возможно снижение энергетического порога ВКР в сферических слабопоглощающих частицах. Показано, что порог ВКР существенно понижается при оптимальных условиях перекрытия, когда все взаимодействующие в частице поля находятся в резонансе с ее собственными модами (так называемый, "двойной" резонанс).

4. При исследовании углового распределения интенсивности ВКР от прозрачных частиц в условиях многомодового возбуждения установлено различие диаграммы направленности рассеянного излучения для различных комбинаций возбуждаемых в частице мод. Показано, что участие в процессе рассеяния мод с четными модовыми номерами приводит к значительному возрастанию амплитуды рассеянной волны в 9 направлении назад, сложение же мод с четными и нечетными модовыми номерами ведет к ослаблению рассеянного излучения в данном направлении.

Научная и практическая значимость работы

Научная значимость работы заключается в том, что показываются широкие возможности в изучении нового класса явлений - нелинейного взаимодействия оптических полей в резонансных условиях внутри микрочастиц. Практическая сторона работы связана с обоснованием физических основ новых методов лазерной дистанционной диагностики параметров дисперсных сред, базирующихся на эффектах нелинейно-оптических взаимодействий. Кроме того, проведенные исследования представляют интерес для областей лазерной физики, связанных с разработкой микролазеров и элементов оптоэлектроники.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Величина энергетического порога вынужденного комбинационного рассеяния света существенным образом зависит от соответствия друг другу пространственной структуры взаимодействующих в частице оптических полей, определяемого коэффициентом пространственного перекрытия. Пороговая интенсивность возникновения ВКР минимальна при совпадении радиальных профилей взаимодействующих мод. Поведение зависимости коэффициента пространственного перекрытия оптических полей от полуширины резонансных мод, поддерживающих процесс рассеяния для ВКР и ВРМБ различно: для ВКР данная зависимость монотонна, для ВРМБ имеет максимум, связанный с нарушением резонансных условий для волны накачки.

2. При многомодовом возбуждении вынужденного комбинационного рассеяния света в сферической частице угловое распределение интенсивности в дальней зоне является асимметричным в направлениях вперед и назад, в отличие от случая, когда процесс ВКР осуществляется на

10 одной резонансной моде частицы. Степень данной асимметрии зависит от комбинации резонансных мод, участвующих в процессе рассеяния, что приводит к их взаимному усилению в одних направлениях и взаимному гашению в других.

Публикации

Основные материалы диссертации представлены в 13 публикациях. Из них 8 статей в рецензируемых журналах, 5 в тезисах научных конференций.

Апробация результатов

Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались на I, III, IV Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1994; 1996; 1997), VI Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1999), III заседании рабочей группы "Аэрозоли Сибири" (Томск, 1996), XVI International Conference on Coherent and Nonlinear Optics. ICONO'98 (Moscow, 1998), семинарах лаборатории нелинейных оптических взаимодействий и отделения распространения волн ИОА СО РАН, семинаре кафедры физики колебаний физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 141 странице, содержит 4 таблицы и 35 рисунков. Список цитируемой литературы составляет 132 наименования.