Экспериментальным путем было обнаружено, что при превышении определенной толщины слоя рассеивающего вещества в некотором интервале плотности мощности возбуждающего излучения при вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР) возникает ряд физических эффектов, ранее неизвестных при молекулярном рассеянии света. Было обнаружено, что ВКР, распространяющееся в направлении, противоположном возбуждающему излучению - "назад", по яркости, расходимости и ряду других параметров становится близким к возбуждающему лазерному излучению, падающему на рассеивающую среду. При введении в пучок накачки трехмерного объекта - транспаранта в пучке ВКР восстанавливается его объемное изображение, подчиняющееся законам голографии. Именно при ВКР, благодаря значительному смещению частоты рассеянного света относительно частоты

возбуждающего излучения, удалось обнаружить голографическую природу явления. В пучках ВКР "вперед" и "назад" восстанавливаются амплитудные и разовые характеристики пучка накачки. Волновой фронт ВКР "вперед" с некоторой степенью точности подобен волновому фронту накачки, волновой фронт ВКР "назад" является с некоторой степенью точности "обращенным" по отношению к волновому фронту накачки. Пучок ВКР, распространяясь в среде, распадается на ряд фокальных областей. Продольные и поперечные размеры фокальных областей определяются плотностью мощности ВКР света. Самофокусировка ВКР света в ряде случаев является причиной, приводящей к нарушению эффекта восстановления волнового фронта света.

1. Восстановление амплитуды и фазы интенсивных

ВКР света возбуждалось в жидком азоте (Δν = 2300 ρм^-1); монокристалле кальцита (Δν = 1085 ρм^-1), сероуглероде (Δν = 656 ρм^-1), пиперидине (Δν = 2936 см^-1), ацетоне (Δν = 2921 ρм^-1), нитробензоле (Δν = 1345 см^-1),бензоле (Δν = 992 ρм^-1), толуоле (Δν = 1003 ρм^-1), циклогексане (Δν = 882 ρм^-1) гигантскими импульсами рубинового и второй гармоникой неодимового лазеров при длительности 20∙10^-9 нс и 20∙10^-12 нс.

Согласно общепринятым представлениям, ВКР возникает в результате усиления импульсов спонтанного шума КР. Действительно, эксперимент показывает, что в тонком слое среды, даже при возбуждении одномодовым лазером, ВКР некогерентно. Яркость ВКР много меньше яркости, а расходимость значительно больше расходимости исходного лазерного излучения (см.рис.1а). Однако, при достижении определенных значении накачки и толщины слоя вещества расходимость, распределение интенсивности в дальнем поле, яркость ВКР "назад" и лазерного излучения становится близки (см.pиc.1б). При прохождении через среду излучения одномодового лазера при ВКР "назад" восстанавливалась практически плоская волна. Среда как бы отражает "назад" лазерное излучение со смещением частоты, равным наиболее интенсивному внутримолекулярному колебанию веществ. При вынужденном рассеянии Мандельштамма-Бриллюэна (ВРМБ), когда частота возбуждающего излучения близка к частоте рассеянного света, это явление получило название "обращения" волнового фронта света /2/. Отметим, что получение обращенного пучка рассеянного спета, как при ВРМБ, так и ВКР вовсе не требует введения в возбуждающий пучок света /2/ "фазовой" пластины. Об общности явлении при ВКР /1/ и ВРМБ /2/ сообщалось в работе /3/. Восстановление ряда параметров лазерного излучения при ВКР "назад" получает объяснение, если принять во внимание характер распределения плотности мощности накачки вдоль кюветы с рассеивающим веществом при возбуждении ВКР сфокусированным импульсом спета длительности 10 нс (рис.2). В объеме среды, ограниченном пучком накачки вблизи фокуса линзы, плот-

ностъ мощности возбуждающего света I₀ наиболее велика.

Рис.1. Расходимость - θ, яркость - В, распределение интенсивности в дальнем поле лазерного излучения - Л₀, ВКР - Л_s "вперед" и "назад" в слое жидкого азота толщиной а) 8 мм при мощности накачки 10 1 Мвт/см²,

б) 100 мм при мощности накачки 10 Мвт/см².

В этих областях уже при сравнительно небольшой энергии гигантского импульса лазера плотность мощности возбуждающего излучения достигает уровня насыщения ВКР и распределение интенсивности в поперечном сечении пучка ВКР не зависит от распределения интенсивности лазерного излучения. Распространяясь преимущественно в объеме, ограниченном пучком возбуждающего излучения при определенной величине инкремента усиления glI₀, ВКР становится направленным и когерентным. Высокая направленность и когерентность ВКР связаны с преимущественным усилением компонент спонтанного шума с волновыми векторами, параллельными и антипараллельными волновому вектору накачки. Интересно отметить,

что направленность пучка ВКР становятся близкой к направленности лазерного излучения при значении величины инкремента усиления glI₀>15.

Рис.2. Распределение плотности мощности накачки – I₀ вдоль кюветы при возбуждении ВКР сфокусированным импульсом света. I₀' - мощность накачки при насыщении ВКР.

2. Восстановление изображения при ВКР света

В работах /5-9/ было обнаружено, что введение в пучок лазерного излучения трехмерного полупрозрачного объекта сопровождается восстановлением его объемного изображения в пучках ВКР "вперед" и "назад". Экспериментальная схема с транспарантом принципиально не отличается от предыдущей схемы. Введение в оптическую схему транспаранта с определенными размерами неоднородностей позволяет регулировать относительную интенсивность пучков света разного порядка дифракции, что удобно для изучения свойств рассматриваемой своеобразной оптической системы и исследования природы восстановления изображения при В.Р.

О голографической природе восстановленного изображения при вынужденных рассеяниях света В.Р. свидетельствуют следующие экспериментальные результаты. Изображение в пучке В.Р. восстанавливалось независимо от того, на каком расстоянии был расположен объект от кюветы; вне или внутри среды находились действительное изображение объекта, полученное с помощью линзы (см.рис.4). Увеличение и положение восстановленного в пучке ВКР изображения было таково, что минимумы и максимумы интерференционных картин пучка накачки и ВКР "назад" всегда совпадали с "входным" для лазерного излучения и "выходным" для ВКР окном кюветы. Зная из эксперимента положение и масштаб действительного изображения объекта (¶ _s), восстановленного при ВКР, по формуле линзы можно определить положение соответствующего мнимого изображения (m_s), являющегося как бы источником восстановленных при ВКР волн. Можно принять, что пространственная интерференционная картина поля накачки создается парой точечных источников, один из которых совпадает с фокусом линзы (F), другой - с произвольной точкой (С') действительного изображения объекта. Тогда при ВКР "назад" интерференционная картина создается как бы другой парой источников, один из которых совпадает с соответ-

ствующей точкой (C_ms) мнимого изображения (m_s), положение другого не сложно определить из условия совпадения интерференционных картин ВКР и накачки вблизи выходного окна кюветы. Как показал эксперимент, увеличение изображения ¶ _s всегда таково, что второй источник интерферирующих волн ВКР совпадает с фокальной областью линзы. В этом случае увеличение - N положение v_s изображения m_s в пучке ВКР описывается простыми соотношениями:

где , λ₀, λ_s - длины волн накачки и ВКР.

Рис.4. Схема восстановления изображения объекта в пучке ВКР "назад". Т-объект-транспарант, П-поворотная пластина, Л-линза, К-кювета, ¶ _s- действительное изображение объекта, восстановленное при ВКР.

Толщина слоя эффективной дифракции и энергетическим интервал существования эффектов зависят от ряда причин. Кроме насыщения усиления существенное значение имеет степень оптической неоднородности среды. Экспериментальное сравнение толщины слоев эффективной дифракции осуществлено в средах, значительно отличающихся степенью оптической неоднородности: в монокристалла кальцита (марка "экстра" для призм Глана), охлажденном до температуры жидкого азота, и жидком азоте.

увеличения восстановленного при ВКР изображения позволило установить, что в среде с высокой степенью оптической однородности (монокристалле кальцита) толщина слоя эффективной дифракции (10-15 см) значительно превосходит толщину слоя эффективной дифракции в жидком азоте (2-5 см) в тех же условиях опыта. В среде с высокой степенью оптической однородности восстановление волнового фронта света имеет место как в направлении "вперед", так и "назад", в близких энергетических интервалах. В среде существенно оптически неоднородной (жидком азоте) восстановление волнового фронта света ВКР "вперед" имеет место в интервале энергий накачки, значительно более узком, чем в кальците и чем при ВКР в жидком азоте "назад". При прохождении света сквозь оптически неоднородную среду волновой фронт ВКР и накачки существенно искажается из-за рассеяния на неоднородностях.

3. "Обращение" волнового фронта света при ВКР

Опыт показывает, что при определенных условиях (толщина слоя, освещенности, достаточной оптической однородности среды) имеет место явление восстановления волнового фронта света при ВКР "вперед" и "назад". Волновой фронт ВКР "вперед" с некоторой степенью точности воспроизводит волновой фронт лазерного излучения, падающего на среду. Волновой фронт ВКР "назад" является "обращенным" также с некоторой степенью точности (комплексно сопряженным) волновому фронту возбуждающего лазерного излучения, падающего на кювету с рассеивающим веществом. Ориентацию волновых фронтов при ВКР "вперед" и "назад" можно наблюдать, если поместить в пучок возбуждающего лазерного излучения несимметричный объект (см.рис.4). Из рисунка видно, что изображение, вос-

становленное в пучке ВКР "вперед", ориентировано так же, как действительное изображение объекта в пучке накачки, полученное с помощью линзы, фокусирующей лазерное излучение в вещество. "Отражение" от среды радикально отличается от отражения от обычного плоского зеркала, но подобно отражению от голографического зеркала /10/ (см.рис.4). Когда на кювету с веществом направляется лазерное излучение, то "назад" лазер возбуждает ВКР так, что возбуждающий падающий луч и "отраженный" почти совпадают. В плоскости восстановленного при ВКР изображения при отражении от окошка кюветы наблюдается амплитудная модуляция, соответствующая мнимому перевернутому изображению объекта. При "отражении" от среды восстанавливается действительно изображение, ориентированное точно так не, как объект. Т.е. волновой фронт при ВКР "назад" с некоторой степенью точности является комплексно-сопряженным падающему. Все не отличие в масштабе и рассогласование в пространстве волнового фронта ВКР и накачки весьма существенно и зависит от разницы длин волн возбуждающего и рассеянного света и от ряда других факторов. В связи с этим обычные методы анализа фронтов с помощью фазового элемента, используемые в динамической голографии /11/, не применимы к ВКР. Так, например, при расположении травленной в плавиковой кислоте стеклянной пластины близко к линзе, ее изображение в пучке ВКР смещается для исследованных сред на 5-10 см. Получение в указанных условиях данных о ВКР, идентичных данным о ВРМБ /12/, свидетельствует о непригодности такой методики изучения восстановления волнового фронта при ВКР. В частности, используя методику /12/, нельзя обнаружить голографическую природу явления и определить отличие волнового фронта ВКР от волнового фронта накачки. Своеобразная ориентация изображения при "отражении" от среды может быть использована как удобный способ выделения рассеянного света от отраженного от окошек кюветы с веществом или граней кристалла. Особенно этот метод удобен при малом смещении частоты рассеянного света (ВРМБ, ВРКР) относительно возбуждающего света.

Опыт показывает, что степень точности воспроизведения волнового фронта зависит как от параметров среды (диэлектрической проницаемости, оптической однородности), так и от условий возбуждения (толщины слоя среды, энергии накачки, конфигурации освещенности, длительности импульса). Например, поскольку контраст интерференционной картины в среде нелинейно зависит от мощности накачки, то контраст изображения в пучке ВКР меняется с плотностью мощности накачки. При возбуждении BКР с помощью импульса пикосекундной длительности /13/ в слое циклогексана постоянной толщины изменение мощности от 15 до 50 МВг/см² приводило к изменению контраста и увеличение изображения, восстановленного при ВКР, менялось в три раза. Одним словом, существуют оптимальные условия эксперимента, при которых восстановление волнового фронта света при ВКР оказывается наиболее полным. Непременным условием такого восстановления, как показал эксперимент, является существование направленного нулевого порядка дифракции (близкого по направленности к лазерному излучению) и наличие в среде слоя, играющего роль динамической голограммы. Для практических применении представляет интерес не только полное восстановление волнового фронта, но также возможность фильтрации частот в спектре объекта методами нелинейной оптики. Осуществление такой фильтрации, в принципе, возможно при восстановлении волновых фронтов света в средах, активных в В.Р.

В работе рассмотрена качественная модель явления восстановления волнового фронта света при ВКР, позволяющая объяснить все основные закономерности, наблюдаемые экспериментально. В настоящее время существуют теоретические работы /14-17/, в которых объясняются некоторые стороны явления восстановления, однако ряд известных важных экспериментальных факторов находится в противоречии с предлагаемыми объяснениями. Так, например, в работе /13/ модовая теория объемных голограмм, развитая в /17/, использована для объяснения восстановления волнового фронта при ВКР. Согласно /13/, эффект восстановления может наблюдаться при смещении частоты рассеянного света не более, чем 2000 см^-1. На опыте восстановление наблюдается при значительно больших смещениях частот, и пока

Следует отметить, что в принципе волновой фронт света может регистрироваться путем записи в среде, активной в ВКР, смешанных амплитудно-фазовых голограмм. Регистрация может быть связана не только с модуляцией усиления, но и с изменением действительной части диэлектрической проницаемости, т.е. показателя преломления /7,18/. Показатель преломления может меняться под действием лазерного излучения из-за высококачественного эффекта Керра, электрострикции, изменения поляризуемости молекул при возбуждении и т.д. По существу те же самые причины приводят к другому эффекту - самофокусировке света.

4. Самофокусировка ВКР света

Эксперименталъные исследования широкого класса веществ с разными оптическими характеристиками и вероятностью комбинационного рассеяния света показали, что наблюдаемая картина развития самофокусировки света в средах с большим эффективным сечением комбинационного рассеяния радикально отличается от общепринятых представлений.

В средах с большим эффективным сечением комбинационного рассеяния плотность мощности излучения, необходимая для достижения дорога самофокусировки, достигается значительно раньше в пучке ВКP, чем в пучке возбуждающего лазерного излучения /1,19/. Это происходит вследствие двух основных причин: 1) экспоненциальный закон усиления ВКР приводит к уменьшению диаметра пучка ВКР, увеличению его яркости и когерентности при распространении в объеме, ограниченном пучком накачки с распределением интенсивности, убывающим от центра к краям; 2) мощность лазерного возбуждающего излучения падает, прежде всего в областях максимальной интенсивности, при преобразовании его в ВКР. Коэффициенты преобразования могут достигать 60-70%. В связи с этим необходимая для самофоку-

5. Заключение.

Результаты исследований показали, что вещества, активные в ВКР, можно разделить на три группы /3/. Группа А: вещества с большой постоянной Керра (K≈20 ед. CYSЕ), большим коэффициентом усиления (g≈1 см/Мвт) и отношением энергии ВКР при насыщении к энергии лазерного излучения (E_s/Е₀ 10^-1). Группа В: K близко к 0, g≈0,1 Мвт/см² и E_s/E₀≈10^-1. Группа С: вещества с малой постоянной Керра K≈10 ед. CYSE и величинами g≈0,01 Мвт/см², Е_s/E₀≈10^-3. Вещества типа А и В, имеющие большие величины g и E_s/E₀, несмотря на большую разницу постоянных Керра, имеют общие свойства. В пучке ВКР при максимальной его интенсивности наблюдаются фокальные области размером 10 ммк. Для этих веществ характерен скачок интенсивности при достижении определенной величины инкремента усиления. Однако целый ряд свойств для веществ типа А и Б различен. Сильно отличаются постоянные Керра, плотность мощности и суммарная энергия, сконцентрированная в фокальных областях минимального диаметра, много меньше в веществах типа В, отношение порогов ВКР для возбуждающего излучения с круговой и линейной поляризацией различно. Одинаковая мелкомасштабная фокальная структура BКР в веществах типа А и В и в то же время существенные отличия ряда важных свойств позволяют предположить, что основные механизмы, ответственные за изменение действительной части поляризуемости, в средах этих типов могут быть отличны. Теоретические оценки /25/ и сравнения с экспериментом в средах с малыми постоянными Керра дают результаты в пользу механизма, связанного с изменением поляризуемости молекул при возбуждении /19,26/. В веществах типа С точки самофокусировки диаметром 10 ммк возникают. Появление мелкомасштабной фокальной структура в пучке BКР характерно для веществ с большой величиной коэффициента преобразования лазерного излучения в ВКР. В средах группы А, где концентрация интенсивности в областях самофокусировки особенно велика, многофокусная структура в пучке ВКР нарушает эффект восстановления волнового фронта света при ВКР. Эффект существует лишь в небольшом энергетическом интервале. Если при таком же значении Е_s/Е₀ коэффициент усиления не очень велик, энергетический интервал существования восстановления расширяется. В средах групп В и С восстановление волнового фронта при В.Р. наблюдается в значительно более широком интервала энергий возбуждения, чем в средах группы А.

5. А.И.Соколовская, Г.Л.Бреховских, А.Д.Кудрявцева. ДАН СССР, 233, 3, 356, 1977.

23. В.В.Коробкин, В.Н.Луговой, А.М.Прохоров, Р.В.Серов. Письма ЖЭТФ, 16, 5951, 1971.