Современная электроника №8/2021

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ 55 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2021 три световода осуществляется на осно- ве несколько иного механизма распро- странения, нежели это предполагается в общепринятой классической трактов- ке механизма многократного после- довательного полного внутреннего отражения. Так что же за механизм рас- пространения светового потока внутри световода мы имеем на самом деле? Волноводно-резонансный механизм Особенность образования интерфе- ренционной картины стоячей оптиче- ской волны в условиях стационарного режима полного внутреннего отраже- ния квазимонохроматического опти- ческого потока состоит в том, что раз- мер области интерференции в среде {1} (рис. 2) пространственно ограничен, в то время как интерференционное воз- буждение в среде {2} распространяет- ся на весь её объём. Ограниченность размера области интерференции в среде {1} связана с тем, что интерфе- ренционное взаимодействие исчеза- ет, когда фазовый сдвиг между взаимо- действующими оптическими потоками достигает значения ϖ (180°) [18]. На пер- вый взгляд представляется, что размер этой области определяется только вели- чиной сечения падающего оптического потока. Однако физически он является прямым следствием степени монохро- матизации потока отражаемой оптиче- ской радиации [18, 27]. Поэтому шири- на зоны интерференционного поля стоячей оптической волны ограниче- на фазовым критерием [18]: . Поскольку фаза оптической волны падающего излучения меняется на 180° (на « π ») на линейной дистанции, соответствующей полуволне, фазовые ограничения, накладываемые выраже- нием (17), могут быть преобразованы в линейный масштаб: , где параметр L представляет собой дли- ну когерентности излучения, формаль- но характеризующую продольный раз- мер радиационного кванта [28]. Для оптического излучения этот параметр зависит от типа излучающей систе- мы. Например, красная линия излу- чения атомов кадмия в газовой среде характеризуется средней длиной вол- ны λ 0 = 643,8 нм, а степень её монохро- матичности определяется величиной Δλ = 3 × 10 –4 нм. Таким образом, длина когерентности этого излучения состав- ляет 1,3 метра. А для высококогерент- ных лазерных источников оптических лучей этот параметр составляет сотни метров [29]. Поскольку для возникно- вения интерференции необходимо, чтобы продольный размер интерфе- ренционной зоны не превышал вели- чины, определяемой выражением (18), эта величина и определяет с физиче- ской точки зрения продольный размер интерференционного поля стоячей оптической волны. При этом понят- но, что в некоторых случаях этот пара- метр может конкурировать с шириной (или сечением) пучка падающего излу- чения. Оценки поперечного размера, выполненные на основе концепции пространственной когерентности [27], показали, что он совпадает с продоль- ным размером, т.е. соответствует поло- вине длины когерентности излучения. Схема явления многократного последовательного полного внутрен- него отражения в симметричном опти- ческом волноводе, представленная на рис. 3, позволяет отойти от трактовки распространения светового потока в световоде как явления многократно- го полного внутреннего отражения, описываемого в рамках геометриче- ской оптики, и представить его более реалистично: с учётом появления набора локальных интерференцион- ных полей стоячих оптических волн. На рисунке представлена визуализа- ция подхода, предполагающая появле- ние локальных интерференционных зон как с учётом сдвига Гуса-Хан- сен (рис. 3а), так и без него (рис. 3б). Представленная на рисунке ситуа- ция соответствует случаю примене- ния световода, толщина световодно- го слоя которого превышает величину поперечного размера интерференци- онной области стоячей оптической волны ( s > L /2). При падении опти- ческого квазимонохроматического потока на торец оптического волно- вода под одним из «магических» углов будет реализовываться его самосогла- сованное распространение в свето- водном слое. В материале обкладок, покрывающих световодный слой, каждое последовательное отражение вызывает появление интерференци- онного поля стоячей оптической вол- ны, затухающей по мере удаления от места отражения, но при этом распро- страняющейся на весь объём материа- ла обкладок. Наличие самосогласован- ности последовательных отражений не вызывает перевозбуждения этого материала, и поток распространяется в световодном слое практически без ослабления. Механизм распространения квазимо- нохроматического оптического потока в симметричном оптическом волново- де путём многократного последователь- ного полного внутреннего отражения вполне ожидаем, когда ширина свето- водного слоя превышает поперечный размер локальных областей интерфе- ренции стоячей оптической волны. В то же время возникает вопрос, что будет наблюдаться в случае сравнимости этих размеров и дальнейшего уменьшения ширины световодного слоя – что чрез- вычайно важно для нано- и радиофо- тоники. В этом случае произойдёт сли- яние локальных интерференционных областей с образованием однородно- го интерференционного поля стоячей радиационной волны, как это было экс- периментально доказано для случая распространения потока квазимонох- роматического рентгеновского излу- чения в узком протяжённом щелевом зазоре [30, 31, 32]. Эффект образования однородного интерференционного поля стоячей оптической волны оказы- вается связанным лишь с соотношени- емширины световодного слоя и попе- речного размера ожидаемых локальных интерференционных полей, возни- кающих вследствие взаимодействия падающего и отражённого от одного из интерфейсов оптических потоков. Образование этого поля, показанно- го на рис. 4, не связано с углом паде- ния оптического квазимонохромати- ческого потока на торец световода, т.е. вопрос о «магических» углах и модо- вой структуре транспортировки света перестаёт быть актуальным. Механизм распространения радиационных пото- ков в условиях образования однородно- го интерференционного поля стоячей радиационной волны во всем объёме радиационно-транспортной структуры был назван механизмом их волновод- но-резонансного распространения [30]. Поскольку этот механизм не связан с углом падения радиационного пото- ка на торец световода, он позволяет почти полностью транспортировать излучение, захваченное им в апертуре двойного критического угла полного внутреннего отражения. При этом рас- пределение интенсивности поля стоя- чей оптической волны внутри световод- ного слоя и за его пределами визуально может быть представлено на рис. 5. (13) (14)