Влияние молекулярного рассеяния света зеркалами оптического резонатора на захват мод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние молекулярного рассеяния света зеркалами оптического резонатора на захват мод

К.А. Хатамова

А.К. Горбунов

Производится описание действия упругих поверхностных волн с помощью фазовой модуляции отраженной волны. Оценивается влияние рассеяния на работу квантового генератора. На основе найденных условий рассмотрена возможность захвата мод резонатора.

Как известно, свободная поверхность любого тела имеет шероховатость, обусловленную тепловым движением молекул поверхности. Это тепловое движение молекул поверхности можно описать с помощью упругих поверхностных волн различного типа. Эти волны оказывают существенное влияние на отражение света. Их действие можно описать с помощью фазовой модуляции отраженной волны. Возможность такого рассмотрения связана с тем, что отношение амплитуды поверхностной волны к длине волны видимого света много меньше единицы. Для типичных материалов при комнатной температуре

- амплитуда поверхностной волны; - длина волны света деленная на . Допустим, что на поверхность тела под углом падает плоская волна. По поверхности бежит волна, амплитуда которой при описывается простой гармонической зависимостью

В этом случае поле отраженной волны на больших расстояниях от отражающей поверхности можно представить в виде:

- коэффициент отражения, определенный по формула Френеля; - амплитуда падающей волны; - функция Бесселя первого рода . При имеем правильно отраженную волну.

При имеем две диффузно отраженные волны с частотами и распространяющиеся под углом , где

- волновой вектор поверхностной волны; - волновой вектор падающей.

Диффузно отраженный свет может присутствовать благодаря несовершенству обработки поверхности, но надо отметить, что поверхностные тепловые колебания принципиально неустранимы. Поэтому представляет интерес оценить влияние рассеяния на поверхностных волнах на работу квантового генератора.

Помимо частотного и углового уширения, а так же потерь, это рассеяние при определенных условиях может привести к образованию связи между различными модами резонатора. Действительно, максимумы пространственного Фурье-спектра различных поперечных мод разнесены на некоторое угловое расстояние, определяемое геометрией резонатора. Благодаря рассеянию на поверхностных колебаниях квант света из одной моды может перейти в другую. Для этого достаточно, чтобы равнялся угловому расстоянию между соседними модами. К этому условию добавить еще одно: условие устойчивости синхронного генерирования двух мод, связанных через поверхностное рассеяние. Считая, что различные поперечные моды пространственно разнесены и не связаны между собой через нелинейность среды условие устойчивости можно записать в виде:

- коэффициент связи;

- частоты связанных поперечных мод, , - частота соответствующей поверхностной волны; - некоторая средняя частота. К этому условию добавляется, как было сказано выше, условие углового согласования

- угловое расстояние между модами.

На основе условий и была рассмотрена возможность захвата мод в конфокальном резонаторе и в резонаторе с плоскими зеркалами. Оказалось, что для конфокального резонатора обычных размеров (длина резонатора метра) связь через поверхностное рассеяние недостаточна для захвата мод. Наоборот, для резонатора с плоскими зеркалами коэффициента связи достаточно велики для синхронной генерации нескольких мод сразу. Надо отметить, что анализ проводился в предположении, что добротность для всех мод одинакова. фазовый волна электромагнитный

Интересно оценить и обратное влияние электромагнитного поля на поверхностные волны. Расчет показывает возможность генерации поверхностных волн, благодаря пондеромоторным силам, действующих на поверхность. В случае резонанса при обычных длинах затухания звуковых волн амплитуда генерируемых волн становится больше амплитуды тепловых поверхностны волн, когда мощность электромагнитных волн превышает 1 квт. Приведенная оценка справедлива для стационарного случая, то есть когда время воздействия электромагнитного излучения на поверхность превышает

В заключении отметим, что иногда поверхностное рассеяние рассматривают как процесс поглощения или испускания поверхностного фонона квантом света. В этом процессе выполняется лишь закон сохранения энергии, в то время как закон сохранения импульса для фотона и фонона не выполняется: часть импульса забирает все тело. Это связано с тем, что фотон может поглотить фонон при взаимодействии только под определенными углами.

Литература

1. Г.С. Ландберг, Оптика, М. "Наука" 2011.

Размещено на Allbest.ru