синхронизм

СИНХРОНИЗМ (от греч. synchronismos - одновременность) - условие эфф. обмена энергией при взаимодействии волн, заключающееся в сохранении определённых фазовых соотношений между волнами на протяжении всей области взаимодействия.

В условиях С. интенсивности взаимодействующих волн меняются в первом приближении пропорционально квадрату длины области взаимодействия z² (рис.).

При нарушении С. интенсивности волн осциллируют вдоль оси z с пространственным периодом, достигая макс. изменения на длине, называемой длиной когерентного взаимодействия. Макс. изменение интенсивностей волн пропорционально и при сильном нарушении С. очень мало. Термин «С.» получил широкое распространение при описании взаимодействия эл--магн. волн. Для плоских эл--магн. волн частоты w, распространяющихся в нелинейной среде вдоль оси z, в приближении медленно меняющихся амплитуд интенсивность волны (см. Нелинейная оптика)где k, k_P - волновые векторы собственной эл--магн. волны и волны нелинейной поляризации, sin c(x)= sin x/x. При этом . Поскольку k = w/v_ф и, где v_ф, v_фP - фазовые скорости эл--магн. волны и волны нелинейной поляризации соответственно, то условие С. можно записать как v_ф = v_фP. Т. о., условие С. заключается в равенстве фазовых скоростей собственной эл--магн. волны и волны нелинейной поляризации среды на частоте w.

Волна нелинейной поляризации на частоте и возникает, напр., при распространении в среде эл--магн. волн с частотами w₁ и w₂, причём , и волновыми векторами k₁ и k₂. Условие С. в этом случае принимает вид k₁ + k₂ = k или, в общем случае, k₁ + k₂ = k. Этот процесс наз. генерацией суммарной частоты, частным случаем к-рого является генерация второй гармоники (при w₁ = w₂). Условие С. можно трактовать как сохранение суммасного импульса взаимодействующих волн: . При нарушении условия С. импульс волн частично передаётся среде, в к-рой они распространяются.

В СВЧ-приборах, напр. лампе бегущей волны (ЛБВ), вместо волны поляризации следует рассматривать волну конвекционных токов, фазовая скорость к-рой совпадает со скоростью потока электронов. В этом случав условие С. заключается в совпадении фазовой скорости эл--магн. волны со скоростью электронного потока. Это рассмотрение соответствует приближению, не учитывающему обратного влияния эл--магн. волны на поток электронов (в нелинейной оптике подобный подход наз. приближением заданного поля). При учёте этого влияния наиб. усиление эл--магн. волны в ЛБВ достигается при нек-ром превышении начальной скорости электронов над фазовой скоростью эл--магн. волны.

При акустооптич. взаимодействиях (см. Акустооптика. Дифракция света на ультразвуке)условие С.: , где - волновые векторы падающей, дифрагированной (рассеянной) и акустич. волн соответственно, называют Брэгга - Вулъфа условием.

Для выполнения условия С. в общем случае приходится принимать спец. меры, напр. использовать замедляющие системы в СВЧ-приборах, или двулучепреломляющие кристаллы в нелинейной оптике, подбирать частоту акустич. волны в акустооптич. устройствах.

Спектральная ширина С. определяется как ширина частотного интервала , в пределах к-рого фазовое рассогласование взаимодействующих волн в области взаимодействия не превышает

где l - длина области взаимодействия. Поскольку где v_гр - групповая скорость ,то спектральная ширина С. велика в случае равенства групповых скоростей взаимодействующих волн. Это условие т. н. группового синхронизма (в отличие от группового С., условие k_p = k называют фазовым или волновым С.). При выполнении условия группового С. ограниченные в пространстве волновые пакеты распространяются с одинаковой групповой скоростью и их эффективное взаимодействие происходит на большой длине даже при малой длине волновых пакетов (т. е. при широком спектре). Так, в ЛБВ с однородной замедляющей системой дисперсия эл--магн. волн очень мала и групповые скорости взаимодействующих волн практически совпадают, что обусловливает широкую полосу усиления ЛБВ (октава и выше). В лампе обратной волны (ЛОВ), напротив, групповая скорость эл--магн. волны и скорость потока электронов противоположны, поэтому усилители на ЛОВ не могут быть широкополосными и ЛОВ часто используется как узкополосный перестраиваемый регенеративный усилитель.

В нелинейной оптике из-за сильной дисперсии групповой скорости С. наблюдается только в отд. случаях. В акустике, напротив, из-за малой дисперсии условия фазового и группового С. выполняются одновременно для большого числа спектральных компонент, что приводит к накоплению нелинейных эффектов на больших длинах и образованию ударных волн.

При взаимодействии волновых пучков, ограниченных в поперечном сечении, условие группового С. принимает более общий вид, а именно - как равенство векторов групповых скоростей взаимодействующих волн. При отличии направления векторов групповых скоростей ограниченные в пространстве волновые пучки испытывают боковой снос относительно друг друга.

что приводит к уменьшению области эфф. взаимодействия. Это явление обычно характеризуется угл. шириной С.- расходимостью взаимодействия, в пределах к-рой фазовое рассогласование не превышает. В нелинейной оптике боковой снос взаимодействующих пучков наз. апертурным эффектом и обусловлен отличием направления векторов фазовой и групповой скоростей для необыкновенных волн в анизотропных кристаллах (см. Оптическая анизотропия), Апертурный эффект полностью отсутствует при т. н. 90-градусном С., когда все взаимодействующие пучки распространяются перпендикулярно оптич. оси. При 90-градусном С. угл. ширина С. резко возрастает и ограничена дифракц. расплыванием пучков, так же как спектральная ширина С. при групповом С. ограничена дисперсионным расплыванием волновых пакетов.

Лит.: Цернике Ф., Мидвинтер Д ж., Прикладная нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1976; Виноградова М. Б., Р у д е н к о О. В., Сухоруков А. П., Теория волн, 2 изд., М., 1990; А х м а н о в С. А., Д ь я к о в Ю. Е., Ч и р к и н А. С., Введение в статистическую радиофизику и оптику, М., 1981; Дмитриев В. Г., Тарасов Л. В., Прикладная нелинейная оптика, М., 1982. С. М. Копылов.

   <<      Предметный указатель      >>