1.5. Квазиоптическое уравнение для изотропной нелинейной среды
В этом и следующем разделах мы рассмотрим восходящий к
работам Леонтовича и Фока [14, 15] квазиоптический подход, называемый
также методом медленно меняющихся амплитуд или параболического
уравнения. Этот подход является основным в нелинейной оптике и
широко используется далее. Здесь мы будем рассматривать
распространение излучения в немагнитной среде (
BH
, или магнитная
проницаемость среды µ = 1) без свободных зарядов и токов на основе
уравнений (1.4.6) и (1.2.32). Еще одним важным свойством среды служит
наличие существенной частотной дисперсии (пространственной
дисперсией мы пренебрегаем). Из-за этого фактора поле может быть
представлено в виде набора небольшого числа волновых пакетов (пучков-
импульсов), каждый из которых близок к
плоской монохроматической
волне, то есть обладает высокой степенью монохроматичности и малой
угловой расходимостью:
Re{ exp( )}
jjj
j
iit
ω
=
∑
EEkr
−
+
. (1.5.1)
Здесь огибающая (амплитуда)
считается меняющейся медленно и по
координатам, и по времени по сравнению со скоростью изменения
экспонент в (1). Аналогичные разложения следует написать и для
электрической индукции среды. В литературе распространено и
определение огибающей, вдвое отличающейся от даваемого (1):
j
E
exp( ) . .
jjj
j
iitкс
ω
=−
∑
EE kr
(к.с. означает комплексное сопряжение). Мы предпочитаем определение
(1), так как в этом случае, например, для монохроматического излучения
имеет обычный смысл амплитуды оптических колебаний.
j
E
Хотя нелинейность среды расширяет набор частот
j
и волновых
векторов
поля, например, за счет генерации высших гармоник, реально
этот набор ограничивается именно вследствие дисперсии. Действительно,
оптические свойства среды на основной частоте и частоте гармоник
заметно отличаются, вследствие чего необходимые для эффективной
генерации полей условия волнового синхронизма (см. ниже) обычно
выполняются только для небольшого числа волн. По этой причине далее в
этом разделе мы опустим суммирование по j в (1); в действительности
квазиоптические уравнения для волн с различными индексами j связаны
друг с другом через нелинейную поляризованность среды.
j
k
Не конкретизируя пока вида материального уравнения для индукции
или поляризованности (поляризации среды) , выделим в них
невозмущенную или линейную по полю часть (индексы 0 или l) и малое
возмущение
D
P
14