Inversión de frente de onda

La inversión del frente de onda (WFR) es el fenómeno de la formación de un haz de onda invertido (en particular, un haz de luz , que en cierta medida corresponde al patrón de propagación invertido en el tiempo del haz incidente (entrada). Este fenómeno se refiere a la óptica no lineal . y, en particular, a la física láser , donde ha recibido el mayor desarrollo y las principales perspectivas de aplicaciones [1] .

El frente de onda invertido se forma utilizando varios mecanismos físicos y soluciones de circuitos.

En la literatura extranjera, este fenómeno se denomina conjugación de fase óptica .

Historia de la apertura de la OVF

La historia del descubrimiento del efecto de conjugación de fase está indisolublemente ligada a la historia de los estudios de dispersión estimulada (SSR) de luz [2] . En 1965-1970, Brewer (EE. UU.), Rank (EE. UU.), M. M. Sushchinsky ( CCCP ) observaron una disminución en la divergencia de la luz reflejada durante la dispersión estimulada de Mandelstam - Brillouin ( SMBS ), también con la dispersión estimulada de Raman (SRS) , que indicó la presencia de una onda invertida en el medio. Sin embargo, la cuestión de la correspondencia mutua de los frentes de onda de la luz incidente y la luz dispersada estimulada se planteó en 1971 en el Laboratorio de Radiofísica Cuántica (LQR) del Instituto de Física Lebedev . Experimentos realizados por V.V. Ragulsky , VI . Popovich , F. S. Fayzullov en LKR [3] , condujo al descubrimiento en 1971 del fenómeno de la inversión del frente de onda en la dispersión de luz estimulada, y también hizo posible por primera vez obtener un rayo láser con una divergencia de difracción (mínima) de un láser en un medio activo ópticamente no homogéneo.

En 1972, se emitió la primera publicación oficial [4] , que contenía una interpretación teórica preliminar del efecto PC. B. Ya. Zel'dovich se convirtió en uno de sus coautores ; Posteriormente, hizo una contribución significativa a la creación de la base teórica necesaria para comprender el efecto PC. Por ello, en 1997, la Optical Society of America otorgó a B. Ya. Zeldovich , quien ha estado trabajando en los EE. UU. durante mucho tiempo, la Medalla Max Born por "... contribuciones fundamentales al descubrimiento y comprensión teórica de la fase óptica". conjugación." Sin embargo, de lo anterior está claro que el honor del descubrimiento experimental de la conjugación de fase pertenece a los científicos soviéticos V.V. Ragulsky , VI . Popovichev y F. S. Fayzullov y B. Ya. Zel'dovich lograron interpretar teóricamente el fenómeno descubierto.

La inversión del frente de onda va acompañada de una inversión del momento angular orbital de la onda de luz exactamente en la dirección opuesta. Esto se deriva del requisito de que los frentes de onda de las ondas incidente e inversa coincidan. [5]

Otro aspecto científico e histórico interesante, directamente relacionado con el problema de la PC, es una serie de estudios realizados por científicos ucranianos sobre holografía dinámica de cuatro ondas [6] . En este sentido, sería oportuno señalar que P.A. Apanasevich y otros han demostrado que la conjugación de fase se manifiesta en interacciones de cuatro fotones (cuatro ondas) de ondas de luz, dos de las cuales ( planas ) se dirigen una hacia la otra, la tercera es una "señal", la cuarta se invierte a lo largo el frente de onda [7] .

Descripción

El campo eléctrico de una onda electromagnética monocromática se puede escribir como [8] :

{\vec {E}}(t,{\vec {r}})={\frac {1}{2}}{\vec {E}}({\vec {r}})e^ {i\omega t}+{\frac {1}{2}}{\vec {E}}^{*}({\vec {r}})e^{-i\omega t}={\frac {1}{2}}{\vec {e}}A({\vec {r}})e^{-i{\vec {k}}{\vec {r}}}e^{i\omega t}+...

Entonces el campo de radiación reflejado por el espejo de la PC tiene la forma

{\vec {E}}_{c}(t,{\vec {r}})={\frac {1}{2}}r{\vec {e}}^{*}A^ {*}({\vec {r}})e^{i{\vec {k}}{\vec {r}}}e^{i\omega t}+...

donde r es el coeficiente de reflexión de amplitud.

De la expresión anterior se deduce que la onda conjugada idealmente tiene las siguientes propiedades: ${\vec {E}}_{c}(t,{\vec {r}})$

a) El vector de onda de radiación de una onda plana cambia de signo: . En la aproximación de la óptica geométrica, cada rayo de luz cambia su dirección al contrario. En la imagen cuántica, esto corresponde a la rotación del impulso de un solo fotón en la dirección opuesta: . [5] ${\vec {k}}\rightarrow -{\vec {k}}$ $\hbar {\vec {k}}\rightarrow -\hbar {\vec {k}}$

b) El momento angular de la onda de luz cambia su dirección a la opuesta [9] . En la imagen cuántica, esto corresponde a la rotación del momento angular de un solo fotón en la dirección opuesta:

${L}_{\text{neg}}=-\hbar \ell \rightarrow -{L}_{\text{pad}}=\hbar \ell$

Esto tiene lugar tanto para un solo vórtice óptico con un momento angular , donde es el número cuántico orbital, como en un campo moteado, que es un conjunto caótico de vórtices ópticos (singularidades de fase). [diez] ${\ estilo de visualización \ hbar \ ell}$ $\ana$

c) El vector de polarización unitario se convierte en . Por ejemplo, si la luz está polarizada circularmente, en la que , la polarización correcta permanece correcta y viceversa. Un espejo ordinario invierte la dirección de la polarización circular. ${\vec{e))$ ${\vec{e}}^{*}$ ${\vec {e}}_{\pm }=({\vec {e}}_{x}\pm i{\vec {e}}_{y}/{\sqrt {2}} )$

La aparición de una onda invertida desde un punto de vista matemático es equivalente a un cambio en la dirección del tiempo : $t\rightarrow-t$

{\vec {E}}_{c}(t,{\vec {r}})=r{\vec {E}}_{c}(-t,{\vec {r}})

Hay muchos métodos de OVF:

mezcla de cuatro ondas en un medio cúbico no lineal;
inversión del frente de onda en el caso de retrodispersión de luz estimulada;
PC de tres ondas en un medio cuadrático no lineal;
inversión del frente de onda por una superficie reflectante no lineal;
inversión del frente de onda en el caso de modulación espacialmente homogénea de las propiedades del medio a una frecuencia duplicada;
inversión del frente de onda por eco fotónico;
esquema de inversión de frente de onda híbrido.

El artículo considerará los métodos que han recibido la mayor difusión.

WFR en una interacción degenerada de tres ondas en un medio cuadrático no lineal

Al generar una diferencia de frecuencia (DFR) en un medio no lineal cuadrado en un modo degenerado en frecuencia ( ), se puede generar una onda conjugada [2] . No nos detendremos en una descripción teórica detallada de este proceso, sino que consideraremos solo uno de los esquemas, correspondiente al sincronismo vectorial en GRCH , para la implementación de PC. $2\omega -\omega =\omega$

La señal de onda, que tiene aberraciones de frente de onda , pasa a través de un cristal no lineal antes de interactuar con una onda de bomba plana . El espejo en este esquema refleja completamente la onda de frecuencia , y transmite completamente la onda de bombeo, es decir . $\omega$ $R(\omega )=1$ $R(2\omega )=0$

La señal de onda, habiendo “fotografiado” las faltas de homogeneidad de fase del cristal en el paso hacia adelante, se refleja en el espejo y, en el paso hacia atrás, interactuando con el bombeo con el vector de onda , da lugar a una onda inversa de frecuencia c que se propaga exactamente en la dirección opuesta con respecto a la onda de la señal incidente. Pasando en esta dirección inversa y estando completamente invertida, la onda de diferencia a la salida del cristal no lineal tendrá un frente de onda que coincide en forma con el frente de onda de la onda de la señal incidente. ${\ estilo de visualización 2 \ omega}$ ${\vec{k}}_{3}$ $\omega$ ${\vec{k}}_{2}$

PC en una interacción degenerada de cuatro ondas en un medio cúbico no lineal

La PC se puede obtener con mezcla de cuatro ondas (FWM) en medios cúbicos no lineales [2] .

Una onda de señal que se propaga a lo largo del eje interfiere con la onda de bombeo , generando una distribución de intensidad de interferencia en un medio cúbicamente no lineal. Ambas ondas se pueden considerar planas: . ${\ estilo de visualización A_ {3}}$ $z$ ${\ estilo de visualización A_ {1}}$ $A_{3}({\vec {r)))=ae^{-ikz},A_{1}({\vec {r)))=ae^{-ik(\sin(\alpha x )+\cos(\alfa z))}$

Entonces la distribución de intensidad en el medio tendrá la forma:

I({\vec {r)))\propto \left|A_{1}+A_{3}\right|^{2}=4a^{2}\cos ^{2}\left[{ \frac {k}{2}}\sin \alpha x-{\frac {k}{2}}(1-\cos \alpha )z\right],

Los máximos de intensidad estarán situados a lo largo de los planos, que formarán un ángulo con el eje , tal que: $z$ ${\ estilo de visualización \ beta}$

\tan(\beta )={\frac {1-\cos \alpha }{sin\alpha }}=tan\left({\frac {\alpha }{2}}\right).

Como resultado, el índice de refracción en un medio cúbicamente no lineal también cambiará según el valor de intensidad en cada punto del medio: aparecerá un holograma de fase no lineal volumétrico dinámico . Simultáneamente, la onda de lectura (la segunda onda de bombeo), propagándose hacia la onda , se dispersa sobre este holograma y aparece una onda , que está invertida con respecto a la onda de señal. ${\ estilo de visualización A_ {2}}$ ${\ estilo de visualización A_ {1}}$ $A_{4}$

Se dice que la interacción es degenerada en el sentido de que las cuatro ondas tienen la misma frecuencia. En este caso, si la bomba ondea y se propaga en direcciones estrictamente opuestas, en este proceso la condición de coincidencia de fase se cumple automáticamente: . En el caso general, no es necesario que las ondas de bombeo sean planas, es suficiente que estén invertidas entre sí. ${\ estilo de visualización A_ {1}}$ ${\ estilo de visualización A_ {2}}$ ${\vec {k}}_{1}+{\vec {k}}_{2}+{\vec {k}}_{3}+{\vec {k}}_{4} =0$

PC con dispersión estimulada de Mandelstam-Brillouin (SMBS)

El efecto de generar una onda inversa puede manifestarse en varios tipos de dispersión estimulada, pero solo la RT de Mandelstam-Brillouin tiene importancia práctica [11] .

El PC para la dispersión estimulada de Mandelstam-Brillouin (PCS- SMBS ) se implementa de la siguiente manera. Un potente haz de bombeo láser se dirige al medio activo SMBS, que primero pasa a través de un elemento distorsionador. El propósito de este elemento es crear una distribución de intensidad altamente no uniforme en el medio activo. Como resultado, en la dirección opuesta a la onda de bombeo , la onda de Stokes se desarrolla a partir del ruido espontáneo , amplificándose exponencialmente debido al proceso SMBS a medida que se propaga a la ventana de entrada de la celda con el medio. Debido al tiempo de asentamiento extremadamente largo, el proceso SMBS en la misma dirección que el bombeo no tiene tiempo para desarrollarse. Resulta que sin el uso de ondas de referencia especialmente preparadas, la onda de Stokes amplificada adquiere una estructura transversal, que se convierte en la estructura de la onda de bombeo con gran precisión. En este sentido, PC- SMBS se denomina a veces el fenómeno de autorreversión del frente de onda. ${\ estilo de visualización E_ {L}}$ ${\ estilo de visualización E_ {S}}$

El mecanismo físico de PC- SBS se basa en las siguientes dos propiedades del proceso SR: una gran amplificación total de la onda de Stokes (una ganancia del orden de ) y una fuerte falta de homogeneidad espacial de la amplificación local debido a la presencia de la bomba Inhomogeneidades de intensidad (múltiples máximos y mínimos de intensidad local). Como se mencionó anteriormente, los ruidos espontáneos excitan configuraciones de ondas dispersas con la estructura de campo transversal más diversa. Sin embargo, la mayor amplificación la experimenta una onda de este tipo cuyos máximos locales (motas) coinciden en todo el espacio con los máximos de la onda de bombeo . Evidentemente, esta condición corresponde a la onda inversa , ya que sólo en este caso se puede conservar la consistencia de las heterogeneidades de la intensidad de dos ondas durante su contrapropagación por todo el volumen del medio. En consecuencia, es la onda de Stokes frente a la bomba la que tiene la amplificación predominante, y en condiciones de una gran amplificación total, es esta onda la que se representa en la radiación dispersada por el medio con un peso abrumador. El resto de ondas son discriminadas por la menor amplificación. Por lo tanto, el mecanismo físico de PC- SBS se basa en la discriminación de amplificación de configuraciones no reversibles de una onda retrodispersada en un campo de bombeo no uniforme. $e^{30}$ $E_{S}({\vec{r)))$ $E_{L}({\vec{r)))$ ${\displaystyle E_{S}({\vec {r)),z)\sim E_{L}^{*}({\vec {r)),z)e^{-ikz))$

En la práctica, por regla general, se utilizan dos esquemas de espejos SMBS reflectantes : un esquema con una guía de luz en un medio SMBS (el espejo SMBS funcionó de acuerdo con este esquema en un trabajo pionero en el Laboratorio de Radiofísica Cuántica - 1971) y un esquema con radiación focalizada en el volumen de un medio dispersor [12] .

Comparación de los principales métodos para obtener una onda invertida

Hasta la fecha, la gran mayoría de los estudios se dedican a dos métodos principales: PCF -SMBS y PCF- FWS . Cada uno de ellos tiene sus propias ventajas y desventajas.

Una gran ventaja de PC- SMBS es el hecho de que implementa la autorreversión del frente de onda, lo que asegura una calidad de inversión suficientemente alta. Además, PC- SMBS no requiere la introducción de ondas de bombeo. Las deficiencias de PC- SMBS incluyen la naturaleza umbral del proceso SMBS , como resultado de lo cual se requiere una potencia suficientemente alta de la onda inversa.

En el método FWM , el requisito de potencia suficientemente alta se transfiere a la onda de referencia y la onda inversa puede ser mucho más débil. La gran ventaja de este método es la posibilidad de invertir una señal con un coeficiente de reflexión mayor que uno, es decir, con ganancia. Además, el método brinda más oportunidades para la selección de señales y el control de onda inversa. El principal inconveniente de este método son los estrictos requisitos de calidad óptica del medio no lineal y de la estructura espacial de la onda de referencia.

Aplicaciones OVF

Hasta la fecha, la PC ha encontrado muchas aplicaciones en varios campos de la física láser. A continuación se enumeran algunos de ellos.

1. Un aumento en la directividad de los rayos láser a la salida de los amplificadores de dos pasos debido a la autocompensación de las distorsiones del medio de trabajo durante el paso de una onda conjugada a través de él; creación de resonadores multipaso con conjugación de fase [11]

2. Compensación de distorsiones de imagen en fibras ópticas derivadas de la diferencia de velocidades de fase de diferentes modos transversales de la fibra óptica.

3. Reducción de la divergencia de los rayos láser durante su propagación en la atmósfera: compensación de las fluctuaciones de fase provocadas por las heterogeneidades atmosféricas utilizando sistemas con conjugación de fase [13] .

Homing en el objetivo [11] .

Como parte de la aplicación de PC, también consideraremos un esquema para enfocar la radiación láser en un objetivo en el problema de la fusión termonuclear láser con un dispositivo PC. Este método fue propuesto en las primeras etapas del desarrollo de esquemas de PC.

Un pulso láser auxiliar de potencia moderada ilumina el objetivo. Parte de la radiación reflejada por el objetivo ingresa a la apertura del láser de potencia, pasa a través del amplificador y entra al dispositivo de conjugación de fase. La onda inversa se vuelve a amplificar, eliminando la energía almacenada y, en el paso de retorno, se compensan automáticamente las distorsiones asociadas con las faltas de homogeneidad del amplificador y las imperfecciones en la fabricación y alineación del sistema de enfoque. Como resultado, la radiación llega exactamente al objetivo, como si no hubiera errores en el amplificador o en el sistema de enfoque.

Tenga en cuenta que la idea de tal orientación del láser al objetivo parecía bastante atractiva, sin embargo, en la práctica, este método no se utilizó, ya que la radiación láser reflejada desde el objetivo era demasiado débil.

Notas

↑ "Enciclopedia física" [en 5 volúmenes] / cap. edición A. M. Projorov. 3ra ed. - M.: Enciclopedia soviética, T.3, 1988. - p. 389, ISBN 5-85270-034-7
↑ 1 2 3 Dmítriev V.G. "Óptica no lineal e inversión del frente de onda" - M.: Fizmatlit, 2003. - 256 p.
↑ Nosach O.Yu., Popovichev V.I., Ragulsky V.V., Faizullov F.S. I/ Cartas a JETP. 1972. Vol. 16, núm. 11.c. 617
↑ Zeldovich B.Ya., Popovichev V.I., Ragulsky V.V., Faizullov F.S. Sobre la relación entre los frentes de onda de la luz reflejada y excitante en la dispersión estimulada de Mandelstam-Brillouin // JETP Letters. 1972. Vol. 15, núm. 3. c. 160
↑ 1 2 A. Yu. Okulov, "Estructuras helicoidales ópticas y sonoras en un espejo Mandelstam-Brillouin". JETP Lett., v. 88, núm. 8, págs. 561–566 (2008) Archivado el 22 de diciembre de 2015 en Wayback Machine .
↑ Odulov CF, Soskin MC, Khizhnyak A.I. Láseres sobre rejillas dinámicas.-M.: Nauka, 1990.
↑ Apanasevich P. A. Fundamentos de la teoría de la interacción de la luz con la materia. Minsk: Ciencia y tecnología, 1977.
↑ Boyd Robert W. Óptica no lineal 3.ª ed. - Elsevier Inc., 2008. - 620p
↑ A. Yu. Okulov, "Momento angular de fotones y conjugación de fase", J. Phys. Murciélago. mol. Optar. física v. 41, 101001 (2008) . Consultado el 4 de mayo de 2020. Archivado desde el original el 1 de marzo de 2017. (indefinido)
↑ Okulov, A. Yu (2009). "Entidades de motas retorcidas dentro de espejos de inversión de frente de onda". Examen físico A. 80 (1): 013837. arXiv : 0903.0057 . Bibcode : 2009PhRvA..80a3837O . DOI : 10.1103/PhysRevA.80.013837 .
↑ 1 2 3 Zeldovich B.Ya., Pilipetsky N.F., Shkunov V.V. "Reversión del frente de onda" - M .: Nauka. Edición principal de literatura física y matemática, 1985. - 240 p.
↑ Mak A. A., Soames L. N., Fromzel V. A., Yashin V. E. "Láseres en vidrio de neodimio" - M .: Nauka. cap. edición Phys.-Math. lit., 1990.— 288 p.
↑ Ermoláeva. E.V., Zverev V.A., Filatov A.A. "Óptica adaptativa". San Petersburgo: NRU ITMO, 2012. - 297 p.

Literatura

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Quantum Electronics, 2002, Volumen 32, No. 12, p. 1048-1064. - Académico Basov, láseres potentes y el problema de la defensa antimisiles .

Enlaces

Una explicación intuitiva de la inversión del frente de onda