- •Оглавление
- •1. Идеальный газ
- •1.1. Общие положения. Состояние системы. Температура
- •1.2. Уравнение КлапейронаМенделеева
- •1.3. Кинетическая теория идеальных газов
- •1.4. Распределение энергии по степеням свободы молекулы
- •1.5. Смеси газов
- •2. Элементы термодинамики
- •2.1. Первое начало термодинамики
- •2.2. Работа идеального газа в различных процессах
- •2.3. Теплоемкость системы
- •2.4. Адиабатный процесс
- •2.5. Уравнение Ван-дер-Ваальса
- •2.6. Влажность
- •3. Распределение молекул по скоростям и координатам
- •3.1. О закономерностях в мире хаоса
- •3.2. Распределение молекул по скоростям
- •3.3. Характерные скорости молекул
- •3.4. Распределение молекул по координатам
- •3.5. Распределение Максвелла-Больцмана
- •4. Явления переноса
- •4.1. Столкновения молекул
- •4.2. Законы процессов переноса
- •4.3. Кинетическая теория переноса
- •4.4. Броуновское движение
- •4.5.Методические указания к решению задач
- •5. Второе начало термодинамики
- •5.1. Циклы и кпд тепловых машин
- •5.2. Цикл Карно
- •5.3. Второе начало термодинамики
- •5.4. Энтропия
- •5.5. Статистический смысл энтропии
- •5.6. Двигатель внутреннего сгорания
- •5.7. Внутреннеобратимая тепловая машина
- •6. Взаимодействие излучения с веществом
- •6.1. Вывод формулы м. Планка по а. Эйнштейну
- •6.2. Понятие о лазерах
- •6.3. Нелинейные эффекты в оптике
- •6.4 Методические указания к решению задач
- •7. Теплоемкость кристаллов. Квантовая статистика
- •7.1. Классические представления
- •7.2. Квантовая теория теплоемкости Эйнштейна
- •7.3. Теория теплоемкости твердых тел Дебая
- •7.4. Фононы
- •7.5. Неразличимость тождественных частиц
- •7.6. Статистика ФермиДирака
- •7.7. Статистика Бозе-Эйнштейна
- •7.8. Макроскопические квантовые явления
6.3. Нелинейные эффекты в оптике
Распространение в среде световых волн, излучаемых обычными источниками света, описывается линейными дифференциальными уравнениями (линейная оптика), что означает независимость оптических характеристик среды от интенсивности света. Создание лазеров сделало возможным получение световых волн с напряженностью электрического поля, сравнимой по величине с напряженностью микроскопического внутриатомного поля (порядка 1010 В/м). В таких полях показатель преломления и другие оптические характеристики среды обнаруживают зависимость от напряженности поля Е световой волны. В этом случае нарушается принцип суперпозиции полей, то есть принцип независимого распространения электромагнитных волн в веществе, а соответствующие дифференциальные уравнения становятся нелинейными. Это приводит к существенному изменению характера протекания в среде известных оптических явлений, а также к возникновению совершенно новых, так называемых нелинейных эффектов в оптике. К ним относятся:
нелинейное поглощение света (самопросветление и самозатемнение среды);
преобразование частоты (генерация гармоник, параметрическая генерация и вынужденные рассеяния света);
эффекты самовоздействия света (самофокусировка и самодефокусировка пучков);
многофотонные процессы.
Нелинейный эффект насыщения поглощения света наблюдался задолго до появления лазеров. В 1923 г. С.И. Вавилов и В.Л. Левшин обнаружили уменьшение коэффициента поглощения света урановым стеклом с ростом интенсивности облучения. Этот первый нелинейно-оптический эффект объясняется тем, что вследствие сильного облучения значительная доля поглощающих частиц среды переходит в возбужденное состояние и уже не может далее поглощать свет.
Нелинейные эффекты преобразования частоты и самовоздействия света возникают вследствие того, что в поляризации среды появляется нелинейная составляющая, которая растет с увеличением интенсивности электромагнитной волны. Наличие такой нелинейной составляющей объясняется ангармонизмом колебаний частиц среды в поле мощной световой волны. Из-за этого ангармонизма отклик среды на гармоническое внешнее электрическое поле становится нелинейным, то есть перестает повторять форму внешнего воздействия. Таким образом, в электрическом поле, переизлученном атомами и молекулами вещества, появляются новые гармонические составляющие происходит генерация высших оптических гармоник падающего на среду оптического излучения. Наибольшее распространение в практических приложениях имеет процесс генерации второй гармоники в «нелинейных кристаллах» со специально подобранными свойствами. Так, например, невидимое глазом ИКизлучение Nd:YAG-лазepa с длиной волны =1.064 мкм в кристалле KDP (дигидрофосфата калия) преобразуется в зеленый свет с длиной волны /2=0.532 мкм.
Нелинейная поляризация среды является также причиной зависимости показателя преломления от интенсивности электромагнитной волны. Если показатель преломления увеличивается с ростом интенсивности световой волны, то лучи изгибаются к оси пучка, и при превышении некоторой критической мощности наблюдается явление самофокусировки света расходящийся световой пучок становится сходящимся. Возможен и противоположный процесс самовоздействия света самодефокусировка пучка, если показатель преломления уменьшается с ростом интенсивности волны.
При многофотонных процессах нелинейного взаимодействия оптического излучения с веществом в одном элементарном акте происходит одновременное поглощение (или испускание) двух и более фотонов. Вероятность таких процессов увеличивается с ростом интенсивности волны. Многофотонный фотоэффект или фотоионизация сопровождаются поглощением нескольких фотонов, энергия каждого из которых меньше работы выхода или энергии ионизации, соответственно. К нелинейным процессам взаимодействия со средой относится и явление комбинационного рассеяния света.
Можно продолжить перечисление процессов, таких, как нелинейное рассеяние света и т. п., происходящих при взаимодействии мощного лазерного излучения со средой. Таким образом, с появлением лазеров возникла новая область физики нелинейная оптика.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ
по теме
«Физические основы термодинамики»