Didelio intensyvumo lazerio spinduliu gali pasireikšti fazinis perėjimas • Jurijus Erinas • Mokslo naujienos "Elementai" • Fizika

Didelio intensyvumo lazerio spindulys gali patirti fazinį perėjimą.

Pav. 1. Iš pradžių lazerio impulso struktūra yra tokia, kad didžiausias šviesos intensyvumas patenka į centrinę sritį. Kairėje: schema, rodanti, kaip spinduliuotės intensyvumas svyruojasi, kai juda nuo jo ašies. Centre: kadangi oro lūžio rodiklis didėja didėjančiu spinduliuotės intensyvumu (Kerro efektas), oro aplinka pradeda veikti kaip lazerio spinduliu kaip rinkimo lęšis, todėl jis sufokusuoja (fokusuojasi savarankiškai). Dėl šio fokusavimo radiacijos intensyvumas tampa pakankamas aplinkiniam orui jonizuoti ir plazmos susidarymui ribotame aplinkos terpe. Dešinėje: Plazmos lūžio rodiklis yra mažesnis nei oro. Todėl plazma vaidina lazerio spinduliuotės sklaidos lęšį. Paveikslas iš americanscientist.org

Fazinio perėjimo fenomenas dažniausiai nustatomas keičiantis tam tikrų cheminių savybių ar parametrų – tai yra atomų, elektronų, branduolių ar kitų dalelių, kurių nelyginė masė yra. Ispanijos teoriniai fizikai atrado, kad fazinis perėjimas taip pat gali patirti fotonų (dalelių su nulinio poilsio masė) rinkinį, sudarantį didelio intensyvumo lazerio spindulį.Jie parodė, kad lazerio spindulys, judantis bet kurioje terpėje (pvz., Ore), gali radikaliai pakeisti savo vidinę struktūrą, didinant lazerio intensyvumą.

Nedelsdami užsiprenumeruokite, kad ne kiekvienas lazerio spinduliuojamas spindulys gali pereiti nuo vienos fazės į kitą. Dėl to šviesos impulsą generuojančio prietaiso galia turi būti labai didelė – ji turi viršyti tam tikrą slenkstinę vertę, nustatytą pagal terpės charakteristikas ir šviesos bangos ilgį. Pavyzdžiui, radiacijos su 800 nm bangos ilgiu, dauginančiu ore, ši riba yra maždaug 3 GW (1 gigawatt = 109 W). Esant tokioms sąlygoms, sija yra tokia didelio intensyvumo, kad ji beveik nebegali būti difrakcinė, ji gali būti fokusuota, o ne keletą dešimčių ar net šimtų metrų.

Lazerio spinduliuotės difrakcinė elgsena yra paaiškinta Kerro efektu – vidutinės lūžio rodiklio pasikeitimas, per kurį skleidžia šviesa. Nustatyta, kad skirtumas tarp terpės lūžio rodiklio prieš matomą spinduliuotę per ją ir po jo yra lygus jo intensyvumo produktui tam tikru koeficientuproporcingumas. Daugumai medžiagų proporcingumo koeficientas yra didesnis už nulį. Tai reiškia, kad šviesos sklidimas padidina medžio lūžio rodiklį. Tačiau norint nustatyti, ar nustatomas skirtumas, šviesos intensyvumas turi būti labai didelis.

Pateikime aiškų pavyzdį. Dėl oro proporcingumo koeficientas yra 3 · 10-19 žr2/ W Pagal Pasaulio meteorologijos organizacijos duomenis (PDF, 355 Kb) saulės spindulių intensyvumas yra 120 W / m2. Todėl šviesa nuo saulės sukelia oro refrakcijos indekso padidėjimą nereikšmingu kiekiu – 3.6 · 10-20% Ir vis dėlto, nepaisant tokio labai, labai nedidelio pakeitimo, Kerro efektas neleidžia lazerio pluoštui, kurio intensyvumas didesnis už nurodytą ribinę vertę, skirtis.

Kaip Kerro efektas padeda lazerio impulsui? Paprastai šviesos intensyvumas lazerio spindulio ašyje yra maksimalus (1 pav. kairėje) ir simetriškai mažėja iki ribų. Tarkime, kad lazerio spindulys juda ore. Tada, remiantis Kerro efektu, oro lūžio vidurkio lūžio rodiklis bus didesnis nei kraštuose.Dėl šio optinio nehomogeniškumo, oro terpė formaliomis sąlygomis veikia lazerio spinduliuotę kaip rinkimo lęšį: šviesos storis mažėja (1 pav. centras), o šviesos intensyvumas didėja. Tai reiškia, kad sija, kai ji sutelkia dėmesį, atsiranda savikoncentravimas.

Iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad sija gali nulupti iki nulio storio. Tačiau, kai šviesos intensyvumas pasiekia tam tikrą vertę, įvyksta daugiafotoninė jonizacija. Lazeriniai fotonai trankuoja elektronus iš oro molekulių (azoto ir deguonies molekulių). Išlaisvinti elektronai sudaro plazmą. Palyginti su oru, plazma turi mažesnį lūžio rodiklį, todėl jis formaliai elgiasi kaip difuzuojantis objektyvas ir pradeda šviesos fokusavimą, mažinant jo intensyvumą (1 pav. dešinėje) Praėjus plačiajai sričiai, sija tęsia judesį ir pakartoja situaciją.

Dėl to balansavimas tarp savaiminio fokusavimo ir defokusavimo procesų, šviesos, be nukrypimų, įveikia dešimčių ir šimtų metrų atstumus (2 pav.).

Pav. 2 Savikoncentravimas (savaiminis fokusavimas) ir defocusing (defocusing) procesai leidžia lazerio spinduliuotę, neatsižvelgiant į skirtumus, įveikti dešimčių ir šimtų metrų atstumus.Tokiu atveju pluoštas daugiausia paplitina terpėje per specialiai sukurtas gijas (siūlus); žr. paaiškinimus tekste. Patvirtintas piešinys iš americanscientist.org ir apžvalga: A. Couairon, A. Mysyrowicz. "Femtosecond" filamentas žurnalui skaidriomis terpėmis Fizikos ataskaitos

Reikėtų pažymėti, kad be didelio intensyvumo, lazerinis impulsas taip pat turi būti trumpas – femtosekundo (10-15 sekundes). Priešingu atveju, vietoj daugialypio terpės jonizacijos, per kurią jis praeina, gali atsirasti kaskadinė jonizacija: išsiskiriančių elektronų koncentracija tampa tokia, kad jie pradeda jonizuoti molekules net toli nuo tolimojo lazerio spindulio. Tai sukelia pusiausvyrą tarp savęs sufokusavimo ir defocusing. Sija nustoja būti fokusuota ir greitai išsiskiria.

Faktas, kad didelio intensyvumo lazerio spindulys gali savaime fokusuoti ir diferencijuoti terpėje nedifrakciniu būdu, 1994 m. Pirmą kartą eksperimentavo JAV amerikiečių fiziologai iš Mičigano universiteto, kuriuose buvo naudojamas 10 ng laidais generuojantis impulsas, kurio trukmė siekė 200 nm, kurio bangos ilgis buvo 800 nm.Šių eksperimentų metu mokslininkai netikėtai atrado, kad lazerio impulso judėjimas terpėje vyksta daugiausia išilgai labai plonų gijų, kurios jam atlieka bangolaidžių vaidmenį. Mokslininkai vadino juos siūlais (2 pav.) Ir lazerio pluošto suskaidymo į filamentus – filamentaciją procesą. Pav. 3 juodos apvalios sritys – Tai yra gijų nuotraukos.

Pav. 3 Lazerio pulso ore, kurio bangos ilgis yra 800 nm, sukurtas teravato lazeriu, filmas. Parodytas spinduliavimo intensyvumo pasiskirstymas lazerio pluošto skerspjūvyje (profilyje). Juodi pleistrai, atitinkantis didžiausias šviesos intensyvumo vertes, yra gijiniai. G. Méchain ir kt. Pav. Žaisliniai filamentai, sukurti ore daugiasluoksniu femtosekundiniu lazeriu Optikos komunikacijos

Beje, šiandien pasirodė labai galingi (terawatt, 1012 W) lazerinių sistemų, filamentacijos reiškinys tapo vienu iš aktyviausiai ištirtų teorinės ir eksperimentinės optikos.

Taigi padarykime tarpinę išvadą: didelės intensyviosios lazerio spinduliuotės plitimo be dipokėjimo galima daryti dėl dviejų procesų konkurencijos: spinduliuojančio Kerro efekto savaiminis fokusavimas ir dėl plazmos defocusingumas.Atrodytų, kad kokybiniu lygiu viskas aišku. Tačiau šiais metais žurnale Optika išreiškia paskelbtas straipsnis, pavadintas "Aukšto užsakymo" Kerr "oro komponentų lūžio rodiklio rodiklio matavimas, kuriame buvo apklausiamas faktas, kad dėl plazmos atsiranda defekcija.

Prancūzijos mokslininkai, šio darbo autoriai, atliko daugybę eksperimentų su teravato lazerio spinduliais, judančiais įvairiose dujinėse terpėse: ore, deguonyje, argonyje ir azotoje. Kadangi buvo nustatyta, kad lazerio spinduliuotės intensyvumas viršija 26 TW / cm2 lūžio rodiklis neatitinka laukiamos tiesinės teisės. Paprasčiau tariant, Kerro efektas labai didelių intensyvumo verčių atrodo visiškai kitoks. Pasak autorių, lūžio rodiklio pokytis neturėtų būti rašomas tiesiškai kaip šviesos intensyvumo funkcija, kaip tai buvo dar anksčiau, nei Kerro efektas, bet turėtų būti atstovaujamas kaip ketvirtosios laipsnio polinomas, o koeficientai su nelyginiais intensyvumo laipsniais turi turėti teigiamas vertes, koeficientai netgi laipsniais yra neigiami.

Kaip dabar, remiantis "naujojo" įstatymu dėl Kerro efekto, interpretuoti šviesos difrakcinį sklaidą terpėje,ne pritraukti plazmos poveikį? Aiškinimą lengva duoti, jei pastatysime refrakcijos indekso priklausomybę nuo šviesos intensyvumo (4 pav.).

Pav. 4 Dujų terpės lūžio rodiklio pokytis (kambario temperatūra, slėgis 1 atmosfera) priklauso nuo lazerio spinduliavimo intensyvumo (TW / cm2), kuris yra platinamas per jį. Vertikalios brūkšninės linijos parodykite intensyvumo vertes, kurioms tam tikrų dujų lūžio rodiklio pokytis tampa neigiamas. Raudona dash kreivė atitinka azotą mėlynas – deguonis, žalia – argonas, juoda kieta – oru. Vaizdas iš V. Loriot ir kt. Kerr pagrindinių oro komponentų lūžio rodiklis Optika išreiškia

Grafikas rodo, kad kai intensyvumas pasiekia tam tikrą tam tikros terpės vertę, lūžio rodiklio padidėjimas tampa neigiamas. Pavyzdžiui, orui jis yra 26 TW / cm2. Tuo metu terpė pradeda elgtis kaip difuzuojantis objektyvas, aptemdo šviesą ir sumažina jo intensyvumą. Toliau vaizdas kartojasi. Pasirodo, kad savaiminio fokusavimo ir defocusavimo procesai gali būti paaiškinti atnaujinto nelinijinio Kerro efekto požiūriu.

Remdamiesi savo prancūzų kolegų eksperimentiniais tyrimais, Ispanijos teoriniai fizikai nusprendė iš naujo pažvelgti į didelio intensyvumo lazerio spindulių plitimą, ypač į filamento procesą. Jie pakeitė lygtį (netiesine lygtis Šriodingeris), kuri aprašo šviesos bangos sklaida netiesinėje terpėje, nauja priklausomybė nuo indekso lūžio Kerr efekte, o po to skaičiuojama atskirai deguoniui ir orui.

Pasirodo, kad, priklausomai nuo intensyvumo vertės, filamentacijos procesas yra dviejų etapų. Kol lazerio spindulio intensyvumas nubrėžtų tam tikrą kritinę vertę, kiekvienas kaitinamasis siūlas yra sferinių sričių (burbuliukų) grandinė, lokalizuota erdvėje su didžiausiu intensyvumu jų centruose ir palaipsniui mažėja iki nulio krašte (5 pav.). Šios sritys formuojasi lazerio spindulio (plokštumos, statmenos jo judėjimo krypčiai) profilio reguliariai nustatytos grotelės.

Norėdami išskirti galimas spekuliacijas, pastebime, kad nėra pokalbio apie fotonų kvantinės statistikos pokyčius (fotonai, kaip ir bozonai, išliko).Straipsnio autoriai apskaičiavo, kad lazerio pluošto slėgis šioje fazėje yra proporcingas jo intensyvumo kvadratui. Jei kiekvienas burbulas yra įsivaizduojamas kaip fermionas (dalelė su pusę sveikojo skaičiavimo) ir šviesos intensyvumas yra pavaizduotas kaip šių burbulų tankis, tada išvesties metu mes gauname kvadratinio slėgio priklausomybę nuo tankio, o tai yra išdegintojo fermiono dujų atveju. Naudodamiesi šia analize, autoriai savo straipsnyje pristatė terminą "fermiono burbulai", o šio etapo pavadinimas yra "fermiono šviesa".

Pav. 5 Lazerio pluošto intensyvumo padidėjimas sukelia jame fazinį perėjimą (pertvarkant jo vidinę struktūrą) – iš fermiono burbulų grandžių, sudarančių sutvarkytą grotelę, atstovaujančių erdvėje lokalizuotiems sferiniams regionams, kurių didžiausias intensyvumas yra jų centruose ir palaipsniui mažėja iki nulio jų kraštuose lašeliai, kur fermiono burbuliukai sujungti į vieną storą gijų gijimą. Ant šoninių panelių Parodytas intensyvumo pasiskirstymas lazerio pluošto profilyje: raudonos sritys atitinka maksimalų intensyvumą mėlynas – nulinė vertė. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Fiz. Rev. Lett

Kitas lazerio spindulio intensyvumo padidėjimas (tai gali būti pasiektas, pavyzdžiui, naudojant specialų surinkimo lęšį lazerio spinduliu), lemia laipsnišką fermiono burbuliukų ar gijų grandinių susiliejimą. Kai intensyvumas pasiekia kritinę vertę (kritinė oro vertė pagal autorių skaičiavimus yra apie 30 TW / cm2), burbuliukai sujungti į vieną storą gijų. Už jo ribų šviesos intensyvumas yra vienodai pasiskirstęs (5 pav.) Ir smarkiai sumažėja iki nulio už kaitinimo siūlelio. Autoriai apskaičiavo, kad šviesos slėgis, kurį sukelia naujai sukurta struktūra, yra atvirkščiai proporcingas jo spinduliui. Kadangi oficialiai gauta priklausomybė yra panaši į gerai žinomą Laplaso formulę, kuri lemia papildomą skysčio slėgį priklausomai nuo jo paviršiaus kreivumo, autoriai šią lazerio spindulio fazę pavadino skysčiu.

Taigi, koreguojant lazerio spindulio intensyvumą, galima stebėti fazinį perėjimą iš fermiono būsenos į skysčio lašą ir atvirkščiai. Žinoma, perjungimas tarp etapų iki šiol buvo aptiktas tik popieriuje.Tačiau straipsnio autoriai tikisi, kad jų teorija bus greitai išbandyta ir padės kitiems mokslininkams geriau suprasti didelio intensyvumo lazerio spindulio filamentavimo procesą. Be to, straipsnio išvadoje mokslininkai teigia, kad jų teorinių tyrimų rezultatai gali parodyti būdą, kaip pagerinti eksperimentų efektyvumą bandant kondensuotis vandens garus atmosferoje su lazerio spinduliais (žr.: "Lazerio pagalba galite kondensuoti vandens garus atmosferoje", "Elements" 2010.06.23).

Šaltinis: David Novoa, Humberto Michinel, Daniele Tommasini. Fermioninė šviesa į bendrąsias optines laikmenas // Fiz. Rev. Lett. 105: 203904 (2010 m. Lapkričio 12 d.).

Jurijus Yerinas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: