Эффекты асимметрии во взаимодействии излучения с веществом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

л

ъ ?

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

На пршшс рукописи УДК

535.33:621.373.8.

БАРАНОВА Надежда Борисовна

Эффекты асимметрии во взаимодействии излучения с веществом

Специальность 01.04.21-Лазершя фите»

Аггорефергг дяссерт&дма я» ссмсхмм ученой статей дсястор& фнхко-штема-пгкспх н&ух

Москва 1994

Работа, выполнена в Вузовско- академической лаборатории нелинейной: оптики Института электрофизики Уральского отделения Российской Академик Наук к Челябинского Государственного Технического Университета,

Официальные .оппоненты: Доктор физико-математических наук,

профессор В. П. Крайнев Доктор физико-математических наук, профессор М. В. Федоров Члеи-корресвондент РАН A.M. Шапагин

Ведущая организация: Институт Проблем механики РАН, Москва.

Заьлта состоится " 31 » м а р > а 1994 Г- в 15^ час. на заседании специализированного Совета N 3 Института Обшей физики РАН по адресу: 117942, г. Москва, В-333, ул. Вавилова 38, Институт Общей Физики РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Общей Физики РАН.

Автореферат разослан " /б* "февраля 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета N 3 доктор физико-математических наук

В. П. Быков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Лазерное излучение, частично преобразованное во вторую гармойику, представляет собой пример световой волны, каждодневно используемой в лабораторной практике и обладающей полярной асимметрией. Органические молекулы биологического происхождения, состоящие из сферически-симметричных атомов, как правило обладают право-лево-несимметричной структурой взаимного расположения составных частей. При .зондировании молекул светом эта несим метрик проявляется в виде оптической активности и других эффектах пространственнойдисперсии. Из сказанного становится ясным, что исследование эффектов асимметрии во взаямодйствии света с веществом является актуальной задачей.

В связи с этим целью настоящей диссертации является теоретическое* исследование эффектов взаимодействия света с веществом, возникающих при нарушении той или другой симметрии. Это может быть либо асимметрия среды (в частности, право-левая асимметрия молекул жзатропной жиДкости или газа, или полярная асимметрия кристалла), . лзйоасимметрия светового поля.

з

Научная новизна исследований, проведенных в диссертационой ра-

шт<\

1 Показано, что в полярно-асимметричном световом поле на свободный электрон действует сила., которая может быть представлена в виде градиента эффективного потенциала, кубичного по полям.

2. Показало, что двукратное рассеяние электромагнитных' волн на неоднородное!ях скалярнок \д тензорной ¿омлонент диэлектрической проницаемости (распределенно-дипольнын подход к учету пространственной дисперсии) приводит к качественно новым эффектам: двулреломлению и гиротрошш в рентгеновском диапазоне за счет почти Брэггоаских процессов; к зависимости фазовой скорости о-ьолны в нематике от направленна распространения.

">. Предсказана и обнаружена полярная асимметрия вылета электронов при ионизации полярно-асимметричным световым полем.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Лазерное излучение, распространяющееся совместно с его второй гармоникой, обладает полярной асимметрией: при (Е(1)] = 0 средний куб ноля отяичен от нуля, {Е3({)) Ф 0. Предсказана и в инициировав ых автором экспериментах обнаружена полярная асимметрия вылетевших при фотоионизации электронов, пролорциональ-

нал {Е3) и обусловленная новым видом интерференции в оптике -между одно- и двухфотонным процессами ионизация.

2. Фундаментальное явление электродинамики движущихся сред, а именно, вращательный эффект Фнзо, т. е. увлечение поляризации света локально изотропной вращающейся средой, качественно отличается от поступательного эффекта Фиэо тем, что в первом случае меняются свойства самой среды из-за действия силы Ко-риолиса.

3. Предсказан рад эффектов воздействия внешних полей на оптические свойства среды и дана их классификация с точки зрения пространственной и временной симметрии. Один из них — электрический (токовый) аналог Фарадея — обнаружен »последствие экспериментально в работе других авторов1.

Практическая ценность работы.

1. Сформулированы представления о моделях механизмов многочастотной записи голограмм квадратичной поляризуемости. Исследование этих голограмм перспективно с точки зрения создания дешевых н эффективных удвоителей частоты лазерного излучения.

'Л. Б. Воробье», Е. Л. Имежго, Г. Е. Пигус, Я. И. Фц>6пп*Лж, В. К. Шииш, К. В. Штурбп, "OimecxM кхтохоегь » тмжуре, жххуяжронхжи иеи" 1Г»сuu > ЖЭТ<&, 3», 48S-489 (18Т?).

5

2. В связи с теми же задачами выдвинута идея эффективной адиабатической трансформации лазерной накачки во вторую гармонику.

3. Схемы формирования острофокусированных лазерных пакетов, предложенные в диссертации, могут служить для ускорения заряженных частиц и для прзобразования энергии в рентгеновское излучение.

4. Явление "неискаженного пропускания" обыкновенной волны через немагический жидкий кристалл может быть использовано для передачи изображения сквозь толстые слои мутного нематиха.

Объем работы. Диссертация изложена на 199 стр., включая 30 рисунков, 3 таблицы и 9 страниц библиографии, содержащей 160 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Гцава 1 посвящена эффектам право-левой асимметрии. Источником этих аффектов может стать право-левая асимметрия самих молекул для случая изотропной жидкости, либо право-левая асимметрия

в

кристаллической решетки, наложение внешних полей, либо макроскопическое вращение вещества. В §1.1 дана общая классификация возможных электро- и магнито-оптических эффектов в изотропной жидкости по двум параметрам: право-левой симметрии среды и симметрии по отношению к обращению времени. Предсказан ряд неизвестных ранее оптических эффектов — электрический аналог эффекта Фарадея, линейный магнито-оптический эффект и рад других. Даны оценки констант новых эффектов и дала интерпретация механизмов их появления. Электрический аналог эффекта Фарадея был впоследствне обнаружен экспериментально в твердом теле в работе других авторов. В §1.3 проведено сравнение двух подходов к учету пространственной дисперсии в молекулярном рассеянии света. Именно эффекты пространственной дисперсии несут отпечаток симметрии строения молекул. Один из подходов — локально-мультипольиый — состоит в учете высших мульти-полей, наведенных в молекуле и высших мультиполей поля падающей волны. Второй подход — распределение-дипольпый — состоит в учете пространственной корреляции рассеивающих частиц, в том числе движения излучающей частицы (например, в газе). Дано уточнение формулы для интенсивности излучения заряженной частицы с точностью до (в/Л)1 включительно. В рамках локально-мультипольного подхода предсказаны новые линии в комбинационном рассеянии в метане и на молекулах НО. В §1.4 рассматриваются эффекты "увлечения

эфира" вращающейся средой. Даны поправки к величине коэффициента увлечения за счет учета силы Кориолиса. В §1.5 рассматривается задача о вращательном эффекте Физо для газа. В §1.6 раслределенно-дипольный подход использован для описания двупреломления в гиро-тропии в кристаллах при шюговолновой диффракции. 6 §1.7 в рамках раслределенио-дилольного подхода получены поправки к показателю преломления нематика из-за флуктуаций.

В Гладе 2 введено и рассмотрено понятие полярной асимметрии светового поля. В §2.1 показано, что количественной характеристикой полярной асимметрии светового поля может служить средний по времени куб поля. В связи с такими полями, обладающими полярной асимметрией, в §2.2 рассмотрены возможности расширения понятия голограммы на случаи, когда при записи и считывании использованы поля разных частот, а сама голограмма реализована в вида модуляции не только диэлектрической проницаемости, но и высших поляри-зуемостей. В §2.3 получено выражений для пондеромоторной силы, действующей на заряженную частицу в поле с отличным от нуля средним кубом. В §2.5 рассмотрены возможности ускорения заряженных частиц в вакууме квадратичной и кубичной пондеромоторной силом < В связи с проблемой ускорения частиц предложены специального вида пакеты, сопровождлогцие ускоряемую частицу. В этих пакетах световая энергия фокусируется под некоторым углом на ось, вдоль которой световой

зайчик бежит с любой требуемой скоростью: большей, меньшей или равной скорости света.

Глава 3 посвящена теоретическому рассмотрению полярной асимметрии процесса ионизации под действием светового поля с отличным от нуля средним кубом. Дала модель появления полярной асимметрии углового распределения ионизованных электронов. Эта модель была впоследствие подтверждена в специально пост ленных экспериментах. (Экспериментальная часть этих работ не включается в состав настоящей диссертации). Рассмотрены режимы туннельной и многофотонной ионизации. Найдена связь фазы интерференционного слагаемого в угловом распределении вылетевших при ионизации электронов с величиной квантового дефекта и найдена зависимость этой фазы от превышения энергии фотонов над порогом ионизации.

В главе 4 рассмотрены эффекты, для которых существенную роль играет наличие пространственной модуляции ориентации полярной оси нецентросимметричной среды. В §4.1 речь идет о возможности получения фазово-сопряженной (обращенной) волны в среде со знакопе-рсменной-величинойВ §4.2 терминах модовых решений в средах, допускающих генерацию второй гармоники, par ютрен эффект адиабатического изменения параметров моды при изменении расстройки волновых векторов. Предложено использовать среду с переменным периодом доменной структуры для полной перекачки энергии накачки во

вторую гармонику. Преимущество такого способа по сравнению с точным синхронизмом состоит в том, что поле второй гармоники оказывается параметрически устойчивым относительно обратного преобразования в накачку. В §4.3 рассмотрен предсказанный автором теоретически и впоследствии обнаруженный экспериментально эффект неискаженного распространения обыкновенной волны через мутную среду неоднородного нематического жидкого кристалла. Эффект основан на идее адиабатического следования собственных поляризаций за локальным направлением директора, а также на том простом обстоятельстве, что показатель преломления обыкновенной волны не зависит от ориентации директора.

• В Заключения сформулированы основные результаты, полученные в диссертации:

1. Предсказан электрический аналог эффекта Фарадея, т. е. вращение плоскости поляризации света, обусловленное током, протекающим под действием приложенного электрического поля. Такого рода эффект был »последствие обнаружен экспериментально в работе других авторов (со ссылкой на нашу работу).

2. Дана последовательная теория одного из фундаментальных эффектов классической оптикк: эффекта Ферми-Джонса, заключающегося в увлечении поляризации света вращающимися телами. Законченная формулировка теории данного эффекта для твердых тел,

жидкостей и газов связана с учетом качественного отличия от известного поступательного эффекта Физо, а именно, с присутсвием силы Кориолиса в системе координат, связанной с телом,

3. В рамках распределенно-дипольного подхода к учету пространственной дисперсии расчитаиы эффекты двупреломления и гиро-тропии в рентгеновском диапазоне за счет почти брэгговских процессов рассеяния, а также зависимость фазовой скорости о-волны в нематихе от направления распространения.

4. Развитие локально-ыультиполытого подхода привело к уточнению известного электродинамического разложения интенсивности аз-лучения системой зарядов размером ~ а по степеням (о/А) < 1.

5. Введено понятие полярной асимметрии светового поля, характеризуемой, в частности, средним по времени значением куба поля (Е3) ^ 0 при (Е) = 0. Дана интерпретация наведенной генерации второй гармоники в неходко аморфном кварцезом волокне (эффект Остерберга-Маргулиса) в терминах голографичесхой записи интерференционной картины х^ ос (Е3).

3. Предсказана и расчитана попдеромоторная сила, пропорциональная градиенту среднего куба поля, действующая на свободную заг ряженную частицу. Предложено ускорение элементарных частиц

за счет такой силы; отличительная особенность схемы состоит а

И

»

использовании квазимонохроматических импульсов света, фокусируемых в вакууме.

7. Построена теоретическая модель полярной асимметрии , углового распределения вылета фотоэлектронов при ионизации атомов и молекул под действием бихроматяческого светового поля, представляющего собой когерентную суперпозицию поля основной частоты и ее второй гармоники.

8. Полярная асимметрия углового распределения электронов исследована теоретически при различных режимах фотоионизации: когда потенциал ионизации I удовлетворяет условию Аш < I < 2для случая, когда I > Ли, сформулирован единый Подход, из которого следуют два предельных случая — туннельной ионизации (согласно классификации Келдыша отвечающий условию 2т1и2/е2Е2 < 1) и многофотонной, ионизации (когда 2т1и2/е2Е2 » 1). Для режима туннельной ионизации предсказана полярная асимметрия остаточной скорости электрона.

9. В раыках теоретической модели найдена фаза слагаемого, интерференционного между одно- и двухфотонным процессами ионизации в зависимости от превышения частоты поля над порогом ионизации, поляризации волн и от квантовомеханической фазы рассеяния. При небольшом превышении частоты света над порогом

ионизации фаза рассеяния может быть шсражена через величину квантового дефекта, получаемую из спектроскопических данных о ридберговских уровнях. Предсказания о полярной асимметрии вылета электронов подтверждены в экспериментах по наблюдению

- * 1

фотоионизации с поверхности фотокагода и в парах Иа. Подтверждено также различие фаз интерференционных слагаемых для разных поляризаций бихроматического излучения в соответствии с представлением о роли квантовомеханических фаз рассеяния.

10. Предсказан теоретически и подтвержден в инициированных автором экспериментах эффект неискаженного прохождения о-волны через толстую кювету с тематическим жидким кристаллом, непрозрачную в обычном смысле из-за неоднородностей ориентации директора в объеме. Экспериментально было реализовано пропускание изображения через жидкокристаллическую кювету толщиной ~ 0,5см и неискаженной плоской волны через кювету с рекордной толщиной 3 см.

(Экспериментальная часть работ, упоминающихся в пунктах 9 и 10, не выносится на защиту в настоящей диссертации)

11. Предложено использовать нелинейную среду с короткопериодиче-ской Л/2) пространственной модуляцией тензора нелинейной поляризуемости для обращения волнового фронта при трехвол-новом смешении. Это дает возможность получения обращенной

водны в направлении назад при высоком качестве обращения.

12. Предложен новый метод эффективного (до 10096) адиабатического преобразовали* накачки во вторую гармонику за счет пл&вно-то изменения волновой расстройки от больших отрицательных до больших положительных значений. Это позволяет избежать парат : метрической неустойчивости второй гармоники, присущей точному синхронизму.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались па VIII, IX Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике, на V и X Вавиловских конференциях по нелинейной оптике, на Конференциях по лазерам и электрооптике С1Л50*90, СЬЕО'91, на IV Европейской конференции по атомной и молекулярной физике ЕСАМР'92, на VI Международной конференции по многофотонным процессам ЮМР'93 и др.

Основные результаты диссертации опубликованы я работа:«

[1] Н. Б. Баранова, Ю. В. Богданов, Б. Я. Зельдович, "Новые электрооптические и магнитооптические эффекты в жидкости", Успехи Физически» Наук 123, 349-310 (1077); Препринт ФИАНN 36 (№8).

[2] N. В. Baranova, В. Ya. Zel'dovich, "Electrical anafog of the Ftoiay effect and other new optica] effects in liquids" Optics Comm. 22, 213

(1977).

[3] N. B. Baranova, B. Ya. Zel'dovich, "Theory of a new linear magnetoreir active effect in liquido", Molecular Physics 38, 3085-1098 (1979). H. Б. Баранова, Б. Я. Зельдович, "Теория нового линейного магнитооптического эффекта в жидкости", Препринт ФИАН N 65

(1978).

[4] N. В. Baianova, В. Ya. Zel'dovich, "Antisymmetric Light Scattering of. Molecules with Non-degenerate Electronic State", Journ. of Raman Spectroscopy 7,118-124 (1978). H. Б. Баранова, Б. Я. Зельдович, "Рассеяние света антисимметричного типа на молекулах с невырожденным электронным состоянием", Препринт ФИАН N 197 (1977).

[5] Н. Б. Баранова, Б. Я. Зельдович, "Два подхода к учету пространственной дисперсии в молекулярном рассеянии света", Успехи Физи-

4.CC.KLX Наук, 127, 4?2:4.50 (1979); Прел ринг ФИАН N 36 (1978).

(ill В. Вагглоуа, В. Ya. Zel'dovicli, "Resonant optical activity induced in ga.ios by collisions with right-left-Roimyuimetrical molecules" Opt. Lett. 3 1-3 (197S). И. Б. Баранова, Б. Я. Зельдович, "Резонансная естественная оптическая активность газов, индуцированная столкновениями с право-лево-несимметричными молекулами" Препринт

' ФИ А НИ 11. (1978).

¡7J N. В. Baianova, В. Ya. Zel'dovich, "On the expansion of radiation intensity into (a/A) power series in electrodynamics", Opt. Comm. 22, 53 (1977).

j8j П. Б. Баранова, Б. Я. Зельдович, В. С. Либерман, "Поправки к показателю преломления из-за флуктуаций. Нематики", ЖЭТФ 99, 150/ (1991).

[9] N. В. Baranova, В. Ya. Zel'dovich, "Coriolis contribution to the rotary ether drag", Proc. Roy. Soc. London, A-368, 591 (1979);

[10] H. Б. Баранова, Б. Я. Зельдович "К теоретической интерпретация опыта Джонса по измерению увлечения плоскости поляризации света вращающейся средой", Препринт ФИАН N 213 (1978).

[11J Н. Б. Баранова, Д. П. Воердман, Б. Я. Зельдович, "К вопросу о том, можно ли "заставить атом вращаться?", ЖЭТФ, 104,2969-2974

16

(1993).

[12] Н. Б. Баранова, Б. Я- Зетьдашч, "Днуире.лсмлегглг: и г.яротроиии & рентгеновской области за счет почти брзггоясхих сроцесатв", ЖЭТФ 79,1779 (1980).

[13] Н. Б. Баранова, Б. Я. Зельдович, "Рш-.ттгрение гологафии иг. «но гочастотиые поля", Письма ь ЖЭТФ 45, стр..Ж-Ж (1987).

[14] N. В. Baranova, В. Ya. Zel'dovich, "Physical effects in optical fields with nonzero average cube, <£*) ф 0", JOSA В 8, 27 (1991).

[15] H. Б. Баранова, M. О. Скалли, В. Я. Зельдович, "Ускорение зар«-женных частиц лазерными пучками", ЖЭ'ГФУ103 (1994),

[16] N. В. Baranova, А. N. Chudinov, В. Ya. ZelYovich, "Polar jisjanmetry of photoionization by a field with (Ex) f- 0", Opt. Comm. 79,116 (1990).

[17] N. B. Baraaova, A. N. Chudinov, A. A. Sb%mov, B. Ya. Zel'dovich, "Polarization dependence of the phase oi interference between single and two-photon ionization", Opt. Lett. 16, 1346 (1990).

[18] Д. 3. Андерсон, H. Б. Баранова, К. Грин, Б. Я. Зельдович, "Интерференция одно- и двухфотодяого процессов при ионизации атомов и молекул", ЖЭТФ 102, 397 (1992).

[19] N. В. Baranova, В. Ya. Zel'dovich, "Velocity distribution of electrons for tunnel ionization by a light field with polar asymmetry", Frontier!

in nonlinear optics — The S. A. Akhniauov Memorial Volume, Edited by E. Walther, N. Koroteev, M. 0. Scully, IOP, Bristol-Philadelphia, p.79-83 (1993).

[10] N. B. Baranova, H. R. Reiss, B. Ya. Zel'dovich, "Multiphoton and tunnel ionization by aa optical field with polar asymmetry", Phys. Rev. 48, 1497 (1993).

[21] H. Б. Баранова, И. M. Бетеров, Б. Я. Зельдович, И. И. Рябцев, А. Н. Чудинов, А. А. Шульгинов, "Обнаружение иитррференции оинл-и двухфотонного процессов ионизации 4.8-состояния натрия",77ucb.ua в ЖЭТФ 55, 431 (1992).

[22] Н. Б. Баранова, Б. Я. Зельдович, А. Н. Чудинов, А. А. Шульгинов, "Полярная асимметрия фотоионизации в поле с (Е3) ф 0 (Теория и эксперимент)", ЖЭТФ 98,1857-1869 (1990).

[23] Н. Б. Баранова, Б. Я. Зельдович, "Брэгговское трехволновое смешение при обращении волнового фронта", Докл. АН СССР 27 222 (1982).

[24] Н. Б. Баранова, Б. Я. Зельдович, "Повышенная прозрачность не-матика для обыкновенной волны", Письма в ЖЭТФ 32, 636 (1980).

[25] Н. Б. Баранова, И. В. Гусев, Б. Я. Зельдович, В. А. Кривоще-ков, "Высокая прозрачность нематйкадля о-волны — эксперимент",

Письма в ЖЭТФ 52, 745 (1990).

[26] Н. Б. Баранова, Б. Я. Зельдович, И. В. Гусев, В. А. Крнгвоадеко», Б. Я. Метелица, "ГГеисхажающее действие неоднородной среди но матического жидкого кристалла на обыкновенную волну", ЖЭТФ 101,1541 (1992).

[27]N. В. Baranova, I. V. Goosev, V. A. Kxivoscbekov, В. Ya. Zel'dovich, "Distortionless Propagation of Ordinary Wave through Inhomogeneoiw Nematic (Theory and Experiment)", Mol. Crytt. & Liq. Cryst. 210,155 (1992).

[28] N. B. Baranova, "Adiabatic transition of the pump into second optical harmonic", Письма в ЖЭТФ 57, 777 (1993).

19

Подписано в печать 14 февраля 1994 года Заказ И 31. Тираж 100 экз. Объем 1,25 п.л.

Отпечатано на ратапринте в РИйС ФИАН. Москва, В-333, Ленинский проспект, 53.