Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство

Один из таких приборов назван ВКР-лазером, т. лазером на вынужденном комбинационном рассеянии. Для создания такого лазера оказалось достаточным поместить прозрачную жидкость, газ или твердое тело внутрь оптического резонатора и облучить его достаточно мощным лазером. Резонатор должен быть настроен на частоту одной из компонент комбинационного рассеяния, определяемой разностью частоты, излучаемой лазером, и одной из частот колебаний молекул выбранного прозрачного вещества. Рассеянное излучение, многократно отражаясь от зеркал резонатора, каждый раз способствует увеличению интенсивности рассеяния именно этого же излучения. В результате мощность рассеянного таким образом излучения лавинообразно возрастает, как возрастает мощность излучения обычного лазера, когда в нем начинается процесс генерации излучения. Возникающее вынужденное комбинационное излучение обладает всеми характерными признаками лазерного излучения, его узкой направленностью, его высокой когерентностью, то есть способностью к образованию четких интерференционных полос. Таким образом ВКР-лазеры способны создавать излучение, не отличающееся от излучения обычных лазеров, причем создавать его и на тех частотах, для которых не существует обычных лазеров.

Самовоздействие рассеянного излучения возникает не только в процессе комбинационного рассеяния, но и при рассеянии других типов, например при рассеянии, предсказанном Мандельштамом в 1918 году, а затем независимо изученном Л. Бриллюэном. Это вынужденное рассеяние возникает только при больших лазерных мощностях падающего излучения и не может быть получено при помощи нелазерных источников. Его называют вынужденным излучением Мандельштама — Бриллюэна.

Как и обычное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, оно вызвано хаотическими (тепловыми) процессами в прозрачных веществах. Здесь имеются в виду хаотические движения, в которых каждая молекула участвует как целое. Конечно, и в этом случае свет взаимодействует непосредственно с электронами, входящими в атомы, а атомы (или ионы) входят в состав молекул и колеблются относительно центров масс соответствующих молекул. Эти колебания, как известно, проявляются в процессах Комбинационного рассеяния (свободного и вынужденного).

В рассеянии Мандельштама — Бриллюэна существенны те движения, в которых молекула участвует как единое целое, это движения ее центра масс. Они проявляются в форме местных изменений плотности при случайных возникновениях небольших сжатий и разрежений. Такие сжатия и разрежения могут быть следствием звуковых, сверхзвуковых или даже гиперзвуковых волн, движущихся внутри вещества. Если даже не возбуждать каким-либо регулярным образом звуковые (гиперзвуковые) волны, то тем не менее в веществе постоянно возникают и исчезают случайные флуктуационные волны, проявляющие свое присутствие только в форме местных изменений плотности вещества.

Наряду с такими флуктуациями плотности внутри вещества всегда существуют флуктуации температуры, флуктуации теплоемкости и других величин, средние значения которых характеризуют внутреннее состояние вещества.

Рассеяние, возникающее при больших мощностях лазерного излучения, повышает интенсивность хаотических процессов в веществе, интенсивность флуктуации всех этих величин, что в свою очередь увеличивает рассеяние излучения. При этом тоже возникает самовоздействие, в результате чего любое увеличение рассеяния приводит к его дальнейшему возрастанию.

Отличается ли вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна от вынужденного комбинационного рассеяния?

Да, отличается. Попробуем найти физическую причину наблюдаемого различия. Величина молекул много меньше длины световой волны. Поэтому на расстояниях, соизмеримых с длиной волны, излучение взаимодействует со множеством атомов, входящих в молекулы, находящиеся в различных состояниях внутренних колебаний. В отличие от этого, масштабы тепловых флуктуации, в которых молекулы участвуют как целое, много больше размеров молекул, а их возникновение и рассасывание происходит более медленно. При этом внутримолекулярные колебания не проявляют свои особенности, а возникающие более плавные неоднородности лишь незначительно влияют на длину волны рассеянного излучения. При лазерных мощностях и обратное влияние — самовоздействие — имеет соответственно плавную пространственную структуру. Такое самовоздействие возникает вследствие совместного влияния на вещество двух световых полей, обладающих малым различием длин волн.