Вчера и завтра

С квантовой точки зрения удвоение частоты выглядит так. Кристалл, обладающий нелинейными свойствами, превращает два кванта малой энергии (два кванта инфракрасного излучения) в один квант вдвое большей энергии (квант зеленого света).

Соответственно параметрическое возбуждение света представляет собой распад возбуждающего фотона на два вторичных фотона, причем их суммарная энергия равна его энергии, а их суммарный импульс его первоначальному импульсу.

Нелинейная оптика предсказывает большую рола других процессов, в которых участвует сразу по несколько фотонов. Красная граница фотоэффекта, послужившая Эйнштейну исходным пунктом для создания квантовой теории света, теряет свое значение при больших интенсивностях излучения, обеспечиваемых лазерами. В лазерном луче фотоны летят «так густо», что два или даже несколько фотонов могут одновременно отдают свою энергию одному электрону и выбросить его сквозь энергетический барьер, высота которого образует непреодолимое препятствие для одиночного фотона данной частоты.

Это же относится к ионизации. Обычно фотоны поодиночке участвуют в процессах возбуждения и ионизации атомов. Н. Делоне в лаборатории Физического института имени Лебедева, руководимой М. Рабиновичей изучал многофотонную ионизацию инертных газов и наблюдал акты ионизации, в которых одновременно участвовало одиннадцать фотонов.

Может быть, еще интереснее процессы, в которых участвуют не только несколько фотонов, но и кванты звука - фононы.

Один из таких процессов - рассеяние света из тепловых волнах, рассеяние Мандельштама - Бриллюэна. С квантовой точки зрения здесь все очень просто. Ведь звуковая волна может рассматриваться как поток квантов звука - фононов, - совершенно так же, как световая волна может быть представлена потоком квантов света - фотонов. Выбор того или иного представления зависит от характера рассматриваемого явления. В одних явлениях явственно выступают волновые свойства, в других преобладают квантовые.

В квантовой трактовке рассеяние Мандельштама и Бриллюэна сводится к столкновению фотона и фонона. Фотон исчезает, и одновременно рождается новый, имеющий другую частоту, меньшую, если при этом рождается и фонон, и большую, если фонон тоже исчезает. В таком процессе преобразуются не только энергии, но и импульсы взаимодействующих частиц: импульс вторичного фотона равен сумме импульсов первичного фонона и фонона, принимавшего участие в процессе.

Если же интенсивность падающего света очень велика, что легко достигается при помощи импульсных лазеров, то картина рассеяния Мандельштама - Бриллюэна резко меняется. При малой интенсивности света рассеяние пропорционально числу фононов. При большой - число фотонов резко возрастает за счет рождения новых фононов в процессе рассеяния. В результате быстро увеличивается и само рассеяние. Так возникает фотонно-фононная лавина. Такой процесс называется вынужденным мандельштам-бриллюэновским рассеянием. Фононная лавина может, как показали Прохоров и Бункин, вызвать разрушение материала, в котором происходит такой процесс. Так может произойти и саморазрушение лазера, ибо вынужденное мандельштам-бриллюэновское рассеяние происходит и в активных элементах лазеров.

Многочастичным процессом с участием двух фотонов и фононов является и комбинационное рассеяние, открытое в 1928 году Мандельштамом и Ландсбергом в Москве и Раманом и Кришнаном в Калькутте. Оно отличается от предыдущего тем, что фотоны, участвующие в нем, связаны не с тепловыми колебаниями среды как целого, не с тепловыми волнами, а с внутримолекулярными колебаниями.

При лазерных интенсивностях света может наблюдаться вынужденное комбинационное рассеяние, при котором так же резко возрастает интенсивность рассеянного света. На этой основе удалось создать новый специальный тип лазера, позволяющий получить чрезвычайно большую яркость когерентного света.

Нелинейная оптика - одно из молодых направлений Древней науки. У нее уже много достижений, но еще большего следует ожидать в будущем.