Нелинейные оптические и акустические взаимодействия в ассоциированных жидкостях

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ______________________________________________________ -.......5
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.____________________________________________ II
Цель диссертационной работы 13
Содержание работы.........................................................16
Глава 1. Генерация и формирование нано- и пикосекундных
импульсов света при ВРМБ и ВКР в оптическом резонаторе 37
§1.1. Теория генерации стоксовых компонент ВРМБ в резонаторе
лазера...............................................................38
§1.2. Генерация никосекундных импульсов при ВРМБ в лазерном
резонаторе с пассивной синхронизацией мод....................... ~.41
п.1.2.1. Экспериментальная установка................. ..............41
п. 1.2.2. Генерация пикосскундных синусоидальных биений между стоксовыми компонентами ВКР в керровских жидкостях.
Калибровка развертки ЭОП *••«•••..«.«а.»••••«.а.•••.•.••«..••«••а45
п. 1.2.3. Синхронизация компонент ВРМБ в лазерном резонаторе.........54
§ 1.3. Генерация наносекундных импульсов при самосинхронизации мод лазерного резонатора, возбуждаемых в контуре линии усиления ВРМБ.... .. ............................... .....м.... ......... ...а.. ... ..... «м..... ••••.. »м..««66
§ 1.4. Формирование мощных импульсов света методом
ВРМБ-компрессии................................................ 60
§ 1.5. Оптическая бистабильность резонаторов заполненных средой
с керровской нелинейностью................—.................... 67
П.1.5.1. Расчет параметров бистабильного оптического резонатора......68
П. 1.5.2. Эксперименты но бистабильности оптичекого резонатора.......70
Выводы 74
Глава 2. Нелинейно-оптические явления в водных расслаивающихся растворах азинов. Механизмы формирования и самовоздсйствия лазерных импульсов в жидких растворах.....................75
§ 2.1. Некоторые особенности поведения расслаивающихся растворов..........75
з
§ 2.2. Экспериментальная схема возбуждения лазерного усилителя с внешней обратной связью н обнаружения аномального обратного рассеяния в водном растворе тримстилгтнрмдннз»««»»»»»»»—»»»»»»«»»»»»»•♦»»»»»»»«—»»»»•»♦«»•»»»♦«•»• .83 П.2.2.1. Лазерная аппаратура, методика приготовления объектов
исследования и система термос габилизации.............................................83
П.2.2.2. Лазерный усилитель с внешней распределенной обратной связью за счет вынужденного рассеяния 87
П.2.2.3. Теоретическое рассмотрение возбуждения лазерного усилителя с внешней РОС за счет вынужденного рассеяния ••«••••••••••••••а* 90
§2.3. Нелинейно-оптические, акустические, магнитные и
спсктрзккопнчсские методы исследования водных растворов азннов 94
П.2.3.1. Аномальное вынужденное рассеяние на флуктуациях ДНИЗОТрОПИИ«.«»»»—■»——■»»»»«»»»»— МИІМННЖ 94
П.2.3.2. Акустические свойства водного раствора ТМП..................................103
11.2.3.3. Спектр протонного магнитного резонанса НО 106
П.2.3.4. Инфракрасная спектроскопия водородных связей
в водных растворах азннов................................... .................—.108
ВЫВ0ДЫ....Н.....Г.............И.....М................Н..М1....И.....»ИМ.....И4..... М.. ..................... М.... 121
Глава 3. Преобразование пространственного спектра лазерного излучения в расслаивающихся растворах.
Самоднфракиия. Кинетическая подвижность ................................. .....123
§3.1. Уравнения неравновесной термодинамики растворов в световом
124
§3.2. Самовоздействие лазерного пучка в растворе—......................——................ 129
§3.3. Эксперименты по наблюдению самовоздействия лазерного
НЗЛуЧбІІИЯ А рАСТВОрАХ........................................................... 133
Выводы
4
Глава 4. Преобразование и формирование акустически« пучков с помощью механизма теплового самовоздействия ультразвуковых волн в жидкости — ................................................—143
§ 4.1. Тепловая самофокусировка звука.......................................... ......144
П. 4.1.1. Нестационарные уравнения самовоздействия звука.........................146
П. 4.1.2. Сравнительные оценки эффективности различных
механизмов нелинейности .......................... ..................................149
§4.2. Экспериментальная установка для исследования сачовоздейсгвия
ультразвуковых пучков в жидкости.................................................. 153
П.4.2.1. Самовоздейсгвие ультразвуковою пучка в текучей
жидкости II ЖИДКОСТЯХ с большой ВЯЗКОСТЬЮ ....................... ..............157
П.4.2.2. Теория самолросветленкя в ультразвуковом поле...........................164
§4.4. Самовоздейсгвие ультразвука в релаксационной области поглощения^. 169 §4.5. Измерение абсолютною значения амплитуды акустического давления...179
§4.6. Нелинейные тепловые эффекты в акустическом резонаторе— ........................180
§ 4.7. Теоретическая модель самовоздействия звука в рею к агоре. •••••••••■■•••••••а» 185
Выводы. • •»•••••»««•••»••«••»«•••■•»•»«•••••«••••••«••••••••»««•••••••••••»«••••»•«••«••••••«••••с« •••••••••••••••«•••••*•••• 190
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.___________________________________________________________________________192
ЛИТЕРАТУРА. 195
5
Введение
Решение задач эволюции волновых пучков и пакегов. теоретическое и экспериментальное изучение процесса их формирования, занимает - как самостоятельное направление - значительное место в физике волновых процессов. Существует традиционное деление по разделам: генерация оптических пучков, а в последнее время лазерных, рассматривается в оптике или лазерной физике, тогда как формирование акустических волновых пакегов неотъемлемо принадлежит акустике. Тем не менее, единый подход к некоторым процессам в оптике и акустике может быть плодотворен, например, в поиске и реализации нелинейных оптикоакустических аналогий.
С момента создания лазеров идет непрерывное расширение круча новых схем резонаторов, режимов генерации, методов преобразования и управления параметрами лазерного излучения. Особое место здесь занимает оптимизация схемных решений для удовлетворения требованиям, предъявляемым к лазерным системам, используемым в разнообразных экспериментах, исследованиях и приложениях. Применение новых подходов к модификации режимов генерации или резонаторов, уже известных лазерных систем, также открывает новые возможности оптимизации на основе базовых физических принципов генерации лазерного излучения, сформулированных и суммированных во многих монографиях, например, (1-6] к обзорах [7-9].
Большинство методов формирования лазерных импульсов основано на использовании нелинейно-оптических явлений. Среди них можно выделить направление, связанное с процессами вынужденного рассеяния света (ВКР, ВРМБ и др.), которые позволяют осуществлять генерацию импульсов света в достаточно широком диапазоне длин волн и интервалов длительностей [10 - 14]. Методы формирования импульсов света с помошью явления вынужденного рассеяния, в частности в оптических резонаторах, достаточно подробно рассмотрены 1еоретически [15,16] и некоторые реализованы экспериментально, например, [17].
Процесс ВРМБ характеризуется тем, что, обладая низким порогом возбуждения, он является преобладающим процессом вынужденною рассеяния во многих оптических средах, в частности, в органических жидкостях. В силу своих характерных особенностей он может быть использован для модуляции лазерного излучения [18] и обращения волнового фронта [19]. Кроме того, с помощью процесса ВРМБ можно
6
реализовать методы синхронизации отдельных компонент рассеяния, возбуждаемых в лазерном резонаторе [15], или мол лазерного резонатора и, таким образом, управлять длительностью генерируемых лазерных импульсов.
Исследованию ВРМБ посвящено достаточно много работ, наиболее подробно результаты исследований приведены в обзорах [9. 10, 14.20]. Ряд работ был посвящен исследованию ВРМБ в лазерном резонаторе, где наблюдалась генерация импульсов наносекундной длительности [21], или получен переход лазера, в результате развития процесса ВРМБ, в режим модуляции добротности [22]. Нам удалось, основываясь на теоретическом рассмоіреннн процесса генерации стоксовых компонент ВРМБ в резонаторе лазера в присутствии нелинейного поглотителя [15], впервые исследовать режим синхронизации компонент ВРМБ и получить генерацию пикосскундных импульсов ь лазерном резонаторе с пассивной синхронизацией мод [23]. а также синхронизацию лазерных мод возбуждаемых в контуре усиления ВРМБ [24].
Разработка методов генерации и формирования сверхкоротких световых импульсов следует отнести к наиболее ярким результатам лазерной физики и нелинейной оптики. Одним из слагаемых стремительного продвижения в эту область временных интервалов несомненно было развитие методов их регистрации с помощью электронно-оптических преобразователей (ЭОП), которые позволяют исследовать пространственно-временную структуру и динамику спектрального состава световых импульсов [25]. Их применение требует адекватных методик калибровки длительности развертки и измерения ее линейности. 'Здесь, несмотря на ряд трудностей, достаточно успешно используется метод оптических биений. Мы. для получения синусоидальных биений в пикосскундном диапазоне, исследовали различные схемы возбуждения ВКР в смсси двух жидкостей и получили биения с периодом Т = 3 пс [26]. Параметры ВКР зависят в основном от природы активной среды и незначительно от внешних условий. Диапазон частотної о сдвига стоксовых компонент в жидкостях простирается от 222 см 1 до почти 4000 см1 [27]. поэтому практически всегда можно подобрать пару веществ, чтобы получить световые биения с периодом вплоть до І0''4 с.
Следует отметить, что среди нелинейно-оптических методов преобразования длительности лазерных импульсов, особое место занимает ВРМБ-компрессия, теоретические основы которой были сформулированы достаточно давно [28], но аналитическая теория нестационарного процесса при встречном распространении волн
?
нс построена ло сих пор. Нами реализована методика оптимизации лазера с ВРМБ компрессией (при величине компрессии более 30) и получены мощные импульсы лазерного излучения длительностью ~ 1 нс [29], т.с. во временнбм диапазоне, где традиционные лазеры не достаточно эффективны. Этот лазерный источник был использован для изучения аномального рассеяния на флуктуациях оптической восприимчивости в расслаивающемся водном растворе (30).
Расслаивающиеся жидкие растворы - один из объектов, которые недостаточно активно исследуются и применяются в лазерной физике. В очень большой степени это связано с недостаточностью экспериментальных данных о структуре и свойствах растворов, особенно в окрестности области расслоения. Таким образом, любая экспериментальная работа, в которой исследуются и реализуются уникальные свойства расслаивающихся растворов, с необходимостью способствует расширению представлений о характере особенностей динамической структуры растворов, развитию новых методов исследования параметров нелинейной кинетики расслоения, разработке моделей теории ассоциированных растворов, а также стимулирует разработку и создание приборов квантовой электроники, использующих нетрадиционные механизмы оптической нелинейности. Так. в нашем случае, после обнаружения генерации гигантского импульса в лазерной схеме с распределенной обратной связью, в которой одним из зеркал была кювета с расслаивающимся раствором (31) последовал цикл необходимых экспериментальных работ, позволивший найти объяснение наблюдаемым явлениям. Основные результаты этого цикла представлены в обзоре (32).
Распространение мощных лазерных пучков в жидкостях обычно приводит к изменению их свойств. Величина этого изменения, конечно, зависит от амплитуды волн, и в результате оказывается, что пучок распространяется в неоднородной нелинейной среде и обладает дисперсией. В результате самовоздействия световых волн при распространении лазерного излучения в жидком многокомпонентном растворе, может происходить преобразование исходных параметров лазерного пучка. Например, при технологических применениях лазеров, когда инициируются термохимические |33) и термокннетические процессы (34, 35). лазерный пучок распространяется фактически в растворе продуктов, образовавшихся в результате воздействия лазерного излучения на среду. Здесь с неизбежностью происходит реформирование к преобразование пространственного спектра исходного лазерного пучка во время его воздействия, что
8
необходимо учитывать и использовать при разработке процессов лазерной химии [36]. С другой стороны, нелинейная рефракция света в растворах, помимо прикладного аспекта формирования лазерного пучка, может дать дополнительную, а в ряде случаев новую, информацию о процессах переноса (диффузии, теплопроводности, термодиффузии), скорости которых пропорциональны кинетическим параметрам [37]. Нами проведен анализ самовоздействия лазерного излучения в расслаивающихся растворах и предложена оптическая методика определения параметров макроскопнчсской подвижности [38].
Представления о волновых пучках и пакетах, дифракции и дисперсии волн, многие закономерности, установленные на примере взаимодействия световых воли, в равной степени можно отнести к акустическим волнам. Волновые пучки и пакеты, представляя собой квазнплоекпе и квазимонохроматические волны, принадлежат к классу модулированных волн, их огибающие медленно изменяются в процессе распространения и взаимодействия. Это свойство позволило развить аффективные методы исследования и описания дифракционных и нестационарных явлений при взаимодействии волновых пучков и пакетов. Качественный характер волнового процесса определяется сочетанием и. конкуренцией нескольких факторов, таких, как нелинейность, диссипация, дисперсия, а в неодномерных случаях - также рефракция и дифракция. Нелинейные взаимодействия акустических волн большой интенсивности развиваются иначе, чем в оптических или электромагнитных полях, в силу слабого влияния дисперсии.
Спектр нелинейно-акустических явлений и механизмов нелинейности, обнаруженных к настоящему времени достаточно широк - от упругой нелинейности до различных видов вынужденного рассеяния [39]. Предложены и исследованы различные механизмы обращения волнового фронта звука (ОВФ), параметрический режим которого открывает разнообразные приложения техники ОВФ [40]. С явлениями рассеяния и ОВФ связаны процессы самовоздействия акустических волн.
В акустике жидкостей легально изучен упругий механизм нелинейности, который обеспечивается прямой зависимостью скорости звука от амплитуды звукового давления [41]. Наличие сильной квадратичной нелинейности и отсутствие частотной дисперсии (до -10 ГГц) определяют основную специфическую особенность
9
нелинейной акустики, выражающуюся в эффективной каскадной генерации гармоник, формирующих ударную вашу. В обычных условиях этот механизм преобладает.
Главная экспериментальная трудность при формировании и преобразовании звуковых полей с узким частотных! спектром заключается в предотвращении нелинейного обогащения спектра, ведущего к образованию ударного фронта и разрушению среды. Один из возможных путей состоит в искусственном введении дисперсии скорости звука, что нарушает фазовое согласование гармоник и тем самым препятствует образованию ударных волн. Другой путь основан на том, что нелинейные волновые эффекты, обусловленные неупругим механизмом, складываются из накапливающихся с расстоянием, пройденным волновым пакетом в среде, искажений. Их количественной мерой служит пространственный масштаб, на котором искажения достигают определенного уровня. Для каскадной генерации гармоник это длина образования разрыва [42]. С другой стороны, можно реализовать ситуацию, когда упругая нелинейность перестанет быть доминирующей, если навязать системе масш таб меньший, чем длина образования разрыва. Это может быть осуществлено путем включения во взаимодействие со звуковой волной возмущения иной природы. Такой путь был развит в работах [43, 44], где предложен и теоретически исследован нестационарный режим теплового самовоздсйствия ультразвуковых пучков.
Для акустических пучков конечной апертуры возможен, предложенный Г.Л.Лскарьяном [45], эффект тепловой самофокусировки звука, основанный на обычном для большинства жидкостей монотонном падении скорости звука с температурой. Поглощение звука приводит к нагреванию жидкости и за счет изменения но сечению ограниченных пучков нелинейной добавки к скорости звука образуется звукоиндуцнрованная линза. Аналогичный эффект, также предложенный Г.А. Аскарьяном [46]. достаточно подробно исследован теоретически и экспериментально в нелинейной оптике [47. 48]. Непрерывный режим тепловой самофокусировки звука рассмотрен в работе [49], однако экспериментально стационарная самофокусировка звука не наблюдалась. В работах [43.44] проведен аназиз эффективности конкурирующих процессов, который показал, что конвективное перемешивание, развитие акустических течений и расплывание тепловой неоднородности за счет теплопроводности среды в реальных жидкостях должны разрушать тепловую самофокусировку звука Там же предложен н теоретически исследован нестационарный
10
режим теплового самовоздействия ультразвуковых пучков. Найдены условия, при которых самофокусировка должна доминировать в текучих и вязких жидкостях, а также определены параметры среды и ультразвукового пучка необходимые для реализации этого эффекта.
Нами проведены экспериментальные исследования распространения мощных ультразвуковых пучков в текучих и вязких жидкостях и обнаружена впервые тепловая самофокусировка ультразвука [50, 51]. Естественным развитием этих работ послужили изучения механизмов теплового самовоздействия ультразвука в жидкостях с большой вязкостью [52], температурные изменения скорости в которых имеют релаксационный характер [53]. Их использование позволило увеличить временной масштаб эксперимента и обеспечить введение большей звуковой энергии при заданном уровне мощности Предложено и обосновано выделение пяти характерных областей в температурных зависимостях поглощения и скорости ультразвука в выбранных жидкостях, что дало возможность обнаружить такие явления как - акустическое самопросветлсние, самознтемнсннс и самоконцснтрация акустической энергии -аналоги известных оптических нелинейных процессов. Эксперименты и теоретическое рассмотрение показали, «по самофокусировка и самопросветленне звука, в отличие от их оптических аналогов, достаточно управляемые процессы [54].
[ 1лодотворность оптико-акустической аналогии была подтверждена также детальными исследованиями бистабильных режимов автоколебаний в нелинейном акустическом резонаторе, -заполненном жидкостью с большой вязкостью [55]. Эти эксперименты естественно продолжили исследования тепловой самофокусировки и самопросветления во внутрирезонагорной схеме. В зависимости от интенсивности возбуждающего излучения оказываются возможными качественно различные режимы работы резонатора - бистабильный, автоколебательный и стохастический - подробно и атодотворно исследованные в оптике [56]. Помимо этого, обнаружена и исследована звукоиндуцированная перестройка акустически связанного с излучателем нелинейного резонатора, позволяющая получить мощное ультразвуковое поле на частоте, не совпадающей с собственной частотой излучателя, но равной одной из собственных частот системы излучатель - резонатор, причем ее можно заданным образом изменять за счет самопоястройки резонатора. Такой подход перспективен для
11
реализации широкополосного излучателя мощного ультразвука с плавной
перестройкой центральной частоты [57].
Такое предста&ление результатов проведенных исследований позволяет естественным образом разделить материал диссертации на три части: генерация и формирование импульсов света в оптических резонаторах; нслинейно-оптичесхие явления и механизмы самовоздействня лазерных импульсов в жидких растворах; тепловое самовоздействие ультразвука в жидкости - механизм преобразования акустических пучков.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В число наиболее актуальных направлений современной радиофизики, несомненно, входят исследования нестационарных нелинейных явлений, которые имеют успешные реализации, как в лазерной физике, так и в нелинейной акустике. Нелинейные оптические эффекты, такие как самовоздействие лазерного излучения, вынужденные рассеяния, оптическая бистабильность служат основой многих физических методов исследования вещества, результаты которых стимулируют разработку и создание новых элементов приборов квантовой электроники, основанных на нетрадиционных механизмах оптической нелинейности. Интерес к исследованию новых режимов генерации и формирования коротких лазерных импульсов обусловлен большой ролью, которую играют генераторы пикосекундных и меньших длительносгей в экспсримснтатьной лазерной физике. Здесь удачное решение позволяет существенно продвинуться в фундаментальных и прикладных экспериментальных исследованиях, наблюдать принципиально новые физические явления при взаимодействии лазерных импульсов со средой.
Детальное исследование процессов ВРМБ-компрессии, проведенное нами, позволило создать лазерный источник для изучения аномального поведения водного расслаивающегося раствора одного из азинов. С другой стороны, уникальные особенности вынужденного рассеяния в этом водном расгворе позволили обнаружить в системе, включающей регенеративный усилитель и кювету с раствором, эффект генерации мощного лазерного импульса. Это подтверждает, что применение лазерных методов в исследовании фазовых переходов позволяет качественно повысить их
12
уровень, при этом появляется возможность наблюдать вызванные таким воздействием нелинейные эффекты в среде, например, самовоздсйствис лазерного излучения, которое помимо прикладного аспекта формирования лазерного пучка, может дать дополнительную информацию о процессах переноса в многокомпонентной среде.
Единый подход ко многим нелинейным волновым процессам в лазерной физике может быть плодотворен также в акустике, например, в поиске и реализации нелинейных оптико-акустических аналогий. Представления о волновых пучках и пакетах, дифракции и дисперсии волн, многие закономерности, установленные на примере взаимодействия световых волн, в равной степени можно отнести к акустическим волнам. Изучение нелинейных процессов, возникающих при распространении мощных звуковых пучков в жидких средах, является одной из актуальных задач акустики. Доминирующей в акустике продольных волн является детально исследованная, упругая нелинейность, приводящая из-за слабой дисперсии к обогащению спектра излучения гармониками и образованию ударного фронта, тогда как тепловая нелинейность изучена менее подробно. С'амовоздействие через тепловой механизм нелинейности способно существенно изменить характер распространения звуковой волны. В широком классе поглощающих жидкостей этот механизм является преобладающим, что делает возможным осуществление новых режимов теплового сачовоздействня ультразвуковых пучков. Процессы теплового самовоздействия дают возможность эффективно управлять распространением звуковых возмущений и влиять на параметры среды. Изменение характеристик звуковой волны позволяет получать информацию о свойствах среды, а также определять исходные параметры звуковой волны.
Практическое значение исследований процессов самовоздействия обусловлено необходимостью создания мощных звуковых полей заданной локализации для технологических и медицинских целей. Другой аспект этих явлений - повышение точности акустических измерений, а также определение предельных возможностей передачи акустической энергии в толстые слои жидкости.
Анализ процессов теплового самовоздействия акустических волн в резонаторной схеме, феноменологически сходной с бистабильной оптической системой, показывает, что здесь реализуется мультистабильность, регулярные и хаотические релаксационные
13
колебания. Исследование нелинейных акустических резонаторов перспективно для создания широкополосных перестраиваемых по частоте источников ультразвука.
Цель работы составляет:
развитие и анализ методов генерация и формирования коротких импульсов света с помощью процессов вынужденного рассеяния в оптических резонаторах;
исследование нелинейно-оптических явлений и механизмов самовоздейсгвия лазерных импульсов в жидких растворах;
изучение теплового самовоздействия мощных ультразвуковых пучков в жидкостях и анализ резонаторной схемы организации теплового самовоздейсгвия.
Научная новизна работы состоит в том, что:
1. Экспериментально обнаружена синхронизация многих стоксовых компонент ВРМБ, возбуждаемых в лазерном резонаторе с селекцией типов колебаний. Предложена и впервые осуществлена самосинхронизация мод лазерного резонатора, генерируемых в пределах контура линии ВРМБ.
2. Экспериментально реализована методика получения синусоидальных биений между стоксовыми компонентами ВКР, возбуждаемыми в бинарной смеси и получен эталон интервала времени в пикосекундном диапазоне.
3. Экспериментально обнаружен и исследован эффект селективной по температуре, инициируемой внешним затравочным излучением, операции мощною импульса света в системе, состоящей из регенеративного усилителя и кюветы с расслаивающимся водным раствором триметилпиридина. Проведенный для выяснения природы обнаруженной температурной аномалии раствора цикл нелинейно-оптических, акустических, магнитных и спектроскопических исследований, показал, что в водных растворах гетероциклических соединений с одним либо двумя азотными замещениями при определенном значении температуры происходит фазовый переход с параметром порядка - число водородных связей.
4.Прсдложсна и экспериментально опробована нелинейно-оптическая методика, основанная на нестационарном концентрационном механизме нелинейности в расслаивающихся растворах, когорая позволяет провести измерения параметров фазового перехода вне кр1гтической области.
14
5. Экспериментально обнаружена и детально исследована нестационарная тепловая самофокусировка ультразвуковых пучков в текучих и вязких жидкостях.
6. В жидкостях с сильными температурными зависимостями акустических параметров обнаружены и исследованы качественно различные режимы теплового самовоздействия мощных ультразвуковых пучков: акустическое самопросвстление и самозатсмнснис жидкой среды пол действием ультразвука, эффект самоконцентрацни акустической энергии в малой пространственной области, как следствие совместного действия двух процессов -самофокусировки и самопросвстлсния.
7. Экспериментально обнаружены и изучены различные бистабильные режимы теплового самовоздейсизия ультразвуковых волн в нелинейном акустическом резонаторе и определены условия *гх реализации в зависимости от входной интенсивности.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для:
1. Разработки нелинейно-оптических систем операции сверхкоротких лазерных импульсов.
2. Создания калибровочных эталонов времени в пикосекундном и фемтосекундном диапазонах, основанных на генерации узкополосных стоксовых компонент ВКР в жидкостях.
3. Реализации нелинейно-оптических экспериментальных методик измерения кинетических параметров расслаивающихся растворов.
4.Разработки технологических процессов основанных на свегоиндуцированном изменении концентрации компонент смеси в градиентном поле лазерного излучения.
5. Создания приборов и технологий локального воздействия ультразвукового поля на глубинные слои вещества и биоткани, без заметного воздействия на поверхность.
6. Реализации новой методики измерения абсолютной интенсивности ультразвуковой волны и калибровки источников и приемников ультразвука.
7. Создания широкополосного акустического излучателя с плавной перестройкой рабочей частоты.
15
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Предложение и реализация методов внутрнрезонаторной синхронизации лазерных мод с использованием ВРМБ.
2. Реализация бистабильного ограничителя интенсивности лазерных импульсов в керровской жидкости.
3. Предложение н использование рассеяния в расслаивающихся растворах для распределенной обратной связи в регенеративных лазерных усилителях с жестким режимом возбуждения.
4. Предложение экспериментальной нелинейно - оптической методики изучения кинетических свойств расслаивающихся растворов.
5. Развитие нового научного направления - тепловое самовоздействис ультразвуковых волн в жидкости с сильными межмолскулярными связями и реализация новых акустических эффектов теплового самовоздействия
ультразвуковых волн в жидкости: фокусировка, просветление, затемнение и
пространственно-временная концентрация энергии.
6. Предложение и применение обнаруженных акустических эффектов самовоздействия для измерения абсолютной интенсивности ультразвуковой волны и расширения диапазона плавной перестройки частоты пьезокерамичсского
излучателя.
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на II Международной конференции “Лазеры и их применения'" (Дрезден, ГДР, 1973 г.), IX Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград. 1978 г.), XIV Международном кошрессе но высокоскоростной фотографии и фотоникс (Москва, 1980 г.), VI Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом (Паланга. 1984 г.), V Всесоюзной конференции “Оптика лазеров" (Ленинград, 1987 г.), XI Международный симпозиум по нелинейной акустике (Новосибирск, 1987 г.), Межреспубликанской школе-семинаре “Современные проблемы нелинейной оптики и квантовой электронике” (Минск. 1987 г.), IV Всесоюзном семинаре по гидромеханике и тепломассообмену в невесомости (Новосибирск, 1987 г.), XI Применение ультразвуковых методов для изучения свойств конденсированного вещества (Жилина, ЧССР. 1988 г.), Международная конференция
16
Оптической Ассоциации Америки (Торонто, Канада, 1993 г.), на научных семинарах МГУ. ФИАН. МИРЭА и ИОФАН.
Основные материалы диссертации опубликованы в 40 статьях и одной заявке на патент, список которых приведен в конце автореферата. Общий список публикаций по теме диссертации включает 69 статей.
Личный вклад автора. Все результаты, включенные в диссертацию, получены лично автором или при его непосредственном участии и руководстве. Автору принадлежит выбор научного направления, постановка конкретных экспериментальных задач, определение метода решения, получение и обработка основных результатов и их интерпретация. Постановка задач по нелинейной оптике растворов и самофокусировке ультразвуковых пучков осуществлена под руководством Ф.В.Вункина. Генерация пккосскундных импульсов света в условиях вынужденного рассеяния в оптическом резонаторе изучалась совместно с Т.А.Шмаоновым, М.А.Давыдовым и Н.С.Воробьевым, исследования нелинейно-оптических явлений в расслаивающихся растворах проводились совместно с Г.А.Ляховым, С.А.Гнедым и Ю.П.Свирко, а эксперименты по тепловому самовоздснствию ультразвуковых пучков в жидкости при участии А.К.Проскурякова и В.А. Ассмана.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и цитированной литерату ры. Объем работы составляет 212 страниц, включая 62 рисунка, 2 таблицы и библиографию из 233 работ. Каждая глава завершается сводкой основных результатов в форме кратких выводов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснован выбор направления исследований, показана актуальность поставленных задач, сформулирована цель работы. Здесь же приведены основные положения работы, выносимые на защиту. Приведено краткое содержание работы.
17
В первой главе рассмотрены результаты теоретических работ по исследованию режима генерации стоксовых компонент ВРМБ в лазерном резонаторе. Согласно проведенному анализу, если в резонаюре лазера находится широкополосный нелинейный поглотитель, то фазы стоксовых компонент ВРМБ будут связаны между собой и выходное излучение будет представлять собой последовательность коротких импульсов.
Для проведения исследования этого механизма синхронизации лазерных мод была создана установка, которая использовалась и в некоторых других экспериментах.
В качестве источника накачки использован стабилизированный рубиновый одномодовый лазер с энергией до 50 мДж в импульсе длительностью 20 30 не. Спектральные характеристики излучения контролировали с помощью интерферометров Фабри-Псро с разными областями дисперсии. Для измерения длительностей и периодов повторения коротких импульсов использованы электронно-оптические преобразователи (ЭОП) типа УМИ-93м с предельным разрешением около 1 пс. Для калибровки длительностей и линейности коротких разверток ЭОПов был предложен и успешно использован метод оптических биений между стоксовыми компонентами ВКР в смеси двух жидкостей.
Проведены исследования влияния модового состава лазерного излучения, явления самофокусировки, условий и схем возбуждения на процессы формирования коротких импульсов ВКР. В результате показано, «по устранить влияние самофокусировки на форму импу'льса и спектр излучения ВКР практически полностью удается в оптической схеме с внешней поперечной накачкой широким пучком. В этой геометрии эксперимента получена генерация сигнала оптических биений между первыми стоксовыми компонентами ВКР в смеси бензол - толуол. Период полученных биений составил 3 пс.
Специфика эксперимента по исследованию процесса генерации и синхронизации многих компонент ВРМБ, возбуждаемых в лазерном резонаторе потребовала точной настройки резонатора. Толщина выходного селектора подбиралась исходя из требования, «побы свободный интервал частот селектора А\\ равнялся величине частотного сдвига стоксовых компонент ВРМБ ДуиЬ в исследу емой активной среде. Кроме того, для обеспечения кратности частотного сдвига ВРМБ расстоянию между аксиальными модами лазерного резонатора осуществлялась точная перестройка
18
базы резонатора. В эксперименте были исследованы бензол, нитробензол, четыреххлористый углерод, ацетон н этиловый эфир. Во всех веществах удалось возбудить достаточно большое число стоксовых компонент ВРМБ, но режим синхронизации зарегистрирован только в случае этилового эфира, который обладает наименьшей среди использованных сред, керровской нелинейностью. Получена генерация цуга пикосекундных импульсов длительностью ~ 32 пс, следующих с периодом ~ 260 пс. Если настройка резонатора не удовлетворяла предъявляемым требованиям, режим синхронизации стоксовых компонент не реализовывался.
Полученные результаты являются подтверждением предложенного теоретически механизма генерации коротких импульсов света при синхронизации стоксовых компонент ВРМБ.
В следующем параграфе сделано предположение, что при возбуждении процесса ВРМБ многомодовой накачкой в резонаторе лазера, вследствие дискриминационною выделения максимального флуктуационного выброса на периоде межмодовых биений импульса накачки, из-за экспоненциального закона преобразования накачки в ВРМБ, должна наблюдаться фазнровка спектра излучения и выделение интенсивною одиночного импульса в рассеянном свете в пределах периода межмодовых биений, точно также как это имеет место в случае ВКР. Проведены опенки условий для наблюдения самопроизвольной синхронизации мод лазера с помощью ВРМБ.
Для экспериментального исследования использован рубиновый лазер, работающий в режиме свободной генерации, в резонатор которого помещалась кювета длиной 80 см с четыреххлористым углеродом. Оптическая длина резонатора составляла 4 м, так что в пределах ширины линии стоксовой компоненты Манделыхлама-Брпллюэна можно возбудить более 10 лазерных мод. Для того чтобы ширина линии свободной генерации не превышала линии усиления ВРМБ, в качестве выходного зеркала использован двухзеркальный селектор с базой 15 см. Кювета с
четыреххлористым углеродом тсрмостабнлизировалась с точностью 102 °С.
Развитое импульса генерации происходило следующим образом: в начале развиваются случайные пички, которые достаточно быстро преобразуются в две периодические структуры с близкими периодами, но с заметно различными амплитудами. В дальнейшем структу ра с меньшей амплитудой практически полностью затухала, тогда как вторая периодическая структура с периодом 27 не, что
19
соответствует расстоянию между аксиальными модами лазерного резонатора, резко возрастала по амплитуде. Длительность пичков составляла - 3 не. Импульс излучения принимал вид характерный лля случая синхронизации продольных мол лазерного резонатора. Дзя достижения этого режима требовалась точная подстройка лазерного резонатора. Результат эксперимента однозначно подтверждает возможность самосинхронизации лазерных мод, возбуждаемых в пределах контура линии усиления
ВРМБ.
Далее изложены результаты исследования формирования импульсов света наносскундной длительности на основе процесса ВРМБ-компрссснн. На основании проведенного численного анализа взаимодействия волн накачки и стоксовой волны и обзора различных схем реализации компрессии лазерных импульсов обоснованно выбрана экспериментальная геометрия, в которой кювета с нелинейной средой является одновременно генератором и усилителем стоксовой волны.
В качестве нелинейной среды изучены гьгексан, ССЬ и вода, различающиеся величиной инкремента вынужденного рассеяния и временем релаксации гиперзвука. Излучение рубинового лазера (тР ~30+40 не, ЕтЮ~0,15Дж, 6ур~0.01 см'1), пройдя через поляризационный затвор (призма Глана, ромб Френеля), фокусируется длиннофокусным сферическим зеркалом (Г-> 3 м) в двухпроходную кварцевую кювету' с исследуемой жидкостью. Получены зависимости эффективности преобразования энергии, длительности стоксова импульса и величины компрессии от энергии импульса накачки. Максимальное преобразование энергии составляло 50%. Для каждой жидкости получена оптимальная величина энергии накачки, необходимая для достижения максимальной компрессии. С повышением энергии накачки выше оптимальною значения длительность стоксова импульса плавно растет, при этом, если длительность импульса накачки превышает время двойного прохода кюветы с активной средой, возможно появление второго стоксова импульса. Минимальная длительность стоксова импульса -1,2 не получена в ССЬ, обладающем малым временем релаксации гиперзвука.
Таким образом, в результате оптимизации параметров лазерной системы получена ВРМБ-компрессня лазерного импульса более чем в 30 раз при энергетической эффективности 50% и воспроизводимости формы и длительности стоксова импульса, мало зависящей от стабильности параметров накачки. Эта лазерная система была