Межмолекулярное взаимодействие в поле резонансного лазерного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РГ6 од

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ-ФЕДЕРАЦИИ '*. ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

ТСЫСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 530.145

БРАЗОВСКИИ ШВД'ШР ЕВГЕНЬЕВИЧ

ЖИСШШШРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

В ЛОЛЕ РЕЗОНАНСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.ОЬ - Оптика

Авторе ф е р а т диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

То.лск 1ЭЭЗ

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. Й.И.Ползунова

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Творогов С.Д. доктор физико-математических наук профессор Бычков Ю.И.

Ведущая организация: Физический институт АН РФ

Защита состоится " " птгтяНрст 1993 г. на заседании специа.йзированногоСовета Д 063.53.02 по лрисуддению ученой степени доктора физико-математических наук при Томском государственном университете по адресу 634010, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

доктор технических наук профессор Холпанов Л.П.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного

Совета

Пойзнер Б. II.

__________________________________ ОБШ-ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ-----------

Актуальность темы. С целью получения сверхчистых материалов активно ведутся исследования по лазерному разделению веществ и, в частности, лазерному разделению изотопов. К настоящему времени в этой области наблюдался целый ряд кинетических и спектроскопических явлений, внешне, казалось бы, весьма разнородных, для которых предлагались различные интерпретации. Внимательный анализ «оказывает, что известные модели зачастую описывают явления в ограниченной области параметров, существенно расходясь с экспериментальными данными в других областях. Примерами могут служить расщепление линии сверхсветимости, фотоконденсация, светоиндуцировашшй дрейф, резонанс интенсивностей, светоиндуцированная проницаемость пористых мембран.

Большинство из указанных эффектов обычно рассматривается с точки зрения взаимодействия излучения с отдельными атомами или молекулами. Это соответствует случаю достаточно низких плотностей резонансных ¡лолокул. 3 то же время в оптике существует и активно развивается направление, изучающее коллективные свойства группы резонансных полю молекул. При этом плотность резонансных молекул /1 удовлетворяет соотношению И Л >1 . Здесь ¡А - длина волны внешнего лазерного излучения. Нетрудно проверить, что для многих активных лазерных сред, а также объектов воздействия лазерного излучения, используемых в конкретных экспериментах, удовлетворяется указанное соотношение. Это означает, что пренебрежение межмоле-кулярньи взаимодействием в таких задачах вряд ли оправдано.

Ряд задач взаимодействия двухуровневых систем с резонансным электромагнитным полем удобно решать в полукласси-чоскогл приближении, рассматривая резонансное лазерное излучение как классическую кьазиконохро.латическую волну. В этом случае рациональным методом учета коллективных эффектов является введение некоторого эффективного потенциала межмолекулярного взаимодействия.•

Делыо работы являлся учет влияния внешнего резонансного лазерного излучения на межмолекулярное взаимодействие и анализ с этой точки зрения ряда физических эффектов в лазерном поле.

Основные задачи исследования.

1. Исследовать влияние резонансного лазерного излучения на. межмолекулярное взаимодействие методами квантовой электродинамики.

2. Применить эти результаты для описания ряда явлений на поверхности и в газе, используя классические и квантовые методы.

3. Модифицировать систему уравнений Максвелла - Блоха для описания распространения импульса излучения в двухуровневой среде с учетом нелинейности, возникающей в результате изменения полем межмолекулярного взаимодействия.

В результате решения этих задач автором показано существенное влияние резонансного электромагнитного поля на межмолекулярное взаимодействие. Взаимодействие становится достаточно сильным, его энергия пропорциональна интенсивности внешнего излучения, и дальнодейсгвушщм. Эти особенности позволили предложить новые физические механизмы явлений, возникающих под действием резонансного лазерного излучения, что и составляет в совокупности новое научное направление, развиваемое автором. Научная новизна.

1. Построена модель влияния поля резонансного лазерного излучения на межглолекулярное взаимодействие.

2. Предложены новые механизмы следующих явлений в резонансном лазерном поле: I ~ фотокоцценсация, 2 - светоиндуцированная проницаемость пористых мембран, 3 - резонанс интенсивностей, 4 - отражение молекулярного пучка вблизи поверхности, 5 -коллективный механизм светоиндуцированного дрейфа молекул в газе, 6 - аномальный светоивдуцированный дрейф.

3 - Модифицирована система уравнений Максвелла - Блоха для описания распространения импульса излучения в двухуровневой среде с новой оптической нелинейностью. Один из новых эффектов - сокращение длительности импульса излучения в азотном усилителе впервые обнаружен и всесторонне экспериментально исследован автором.

Защищаемые положения. Г.-резонанслээлазорноензлучение существенно изменяет характер взаимодействия галокул в среде. Дня времен, бочыаих характерного ьремеш: рэлаксащга молекул, энергия взаимодействия прогторчиональла интенсивности излучения и обратно пропорциональна первой степени меяслолекулярього расстояния, его дадьно-дв!?стп:то 1ГП90Т порядок длины голнц внешнего из;:уто;гля.

2. В условиях принципиа 1Ыюк возможности естественной конденсации, индуцированное резонансным лазаршм излучением межмолекулярное взаимодействие шзырает коццвксацто, а всзнакаищпй натраб конденсата излучением снижает скорость конденсации, толщина слоя фотоко:щенсата обуславливается р?лювесием а ах ироце.сов.

3. Для молекул я сквозных каналах - порах чолкопористой мембран» в пределах капли фотококденсато имеет место оптический аналог слерхте!сучости, возникагвдш под действием резонанс¡это лазерного излучения.

4. Из-за дальнодействия взаимодействия сила, действующая на молекулу в однородной среде, зависит от градиента ;п;тэ ;ь.¡внести излучения и от градиента плотности молекул. В неоднородной средо на расстояниях менее длины волны излучения от поверхности фотоковдонсата частота излучения болытэ резонансной вызывает притяжение молекулы к коч-эпсату, значительно меньше резонансной - отталкивание.

5. При действии квазимонохроматичеоким резонансным лазирдам излучением на газы или смеси газон в случае неоднородного \иптрения ллнии гоглодажл ;-,;эют место конкурирующее мэ;кду собой коллективный механизм сватояндуцирояаниого дрз."фа и аномальный свототтцдупирорантай дрейф. Первый из ;е;ч обуолов-лен селективным по скоростям втягиванием мотекул в лазури-;!; луч, второй - селективными по скорости столкиозотьгми резонансных излучения молекул.

6. ;Леяг.:олеку.гтрное взэж.:одеЗт ло порогкдает оптическую л^-ли— нейность двухуровнево?': ерэд'.', суадссть-лшо ¡тпмтлул-' %рз усилен;::! лзлучешгя со нроменом когеь :п?:;о-:ель длительности импульса.

Достоверность измененного полем меполекулярпого взаимодействия подтверждавтся обоснованием с помощью методов квантовой электродинамики. Расчеты поверхностных явлонлЯ, новые механизмы которых изложены в настоящей диссертации", соответству-:от экспериментальным данным с поверхгостями, пористыми мембранами и капиллярами, пслучешшмл группой исследователей в ИОФ РАН (Ю.Н.Петров и др.). Предсказанное локальное повышение температуры фотоковдежеата в дальнейшем было подтверждено экспериментаторам СПГУ ('1.А.Варта.чян и др.). Механизмы кинетических явлений в газа сопоставлены с соответствующие оксперп-менталышми данными зарубежных авторов. Для обоснования теоретических расчетов новой оптчческо": нелинейности автор«,! проведено всестороннее экспериментальное исследование механизма формирования спектрально-пространственных характеристик излучетш безрезонаторного азотного лазера высокого давления получено согласие теоретических и экспериментальных данных в пределах точности эксперимента.

Научная ценность работы.

Автором показано существенное влияние поля резонансного лазерного излучения на взаимодействие молекул в среде, что имеет большое значение для нелинейной оптики резонансных сред, подвергающиеся воздействию лазерного излучения. Поскольку взаимодействие молекул является существенным фактором, опрэлеля-ющим термодиналческиб свойстве вещества, под действием резонансного лазерного излучения, в частности, происходит изменение параметров разового подхода в г.онденсированнов состояние. Существенно меняются представления о физике ряда кинетических процессов ь газе з на поверхности твердого тела под действием резонансного лазерного излучения.

Предоюзанныа автором ::аханиз:/.а ряда поверхностных и приповерхностных яме ни Г: имеют большое значение для объяснения шшэтлки мал:кул в молкоиористых мембранах л тонких капиллярах под действием лазерного Ио^учгсгя, когда сохраняется резо-нэнси/Г: характер молр-ултрнэго оптического перехода при *и-эчческо1' адсо'бц; .1. 3::лад этих геханпзмов позволит построить кэд1"!г?тве1шув теорию, дъчцуи вгесд-ороннее мглоаш;е разаооб-по яро-сале гаг..« резонанс,-г-к эц^вктов з сгстэме малскулн

+ :•:••. ¡у'Г'Чпю + поверхность. __________________________________ ____________

Пр;.алсг'.он:,пе *,rxarai3MH .сшетичвских явлогшй в газе яооб-хо,\.:;.;и для г», jwtt*« тооул:\ соответствующих явл<»пп!. Внчиоляа-мые с i.x по'отыо вирлдоигтя иэчертг.пп: ф;тзпч' наличии us СОДЧр*;.? свободных чара-ЛС гроя, ЧТО Г»031 .злит проводить проверку TyopjT'„'wc¡c;ix моделей по кезавил".;-.,1.1:-.: измерениям.

]!гч>ая о.ггпческ.чк •юллкэЛность проставляет интерес npjx-ди псого как полипе .люс'ъ двухуровневой активной сридн лазеров п лазернчх усилитолеЛ. Расчет конкретных о'"Сортов ири 1,':орч,1рован"ч параметров лазерных :кпулъсов отя*опи^ся возможным при использовании i с л: i J'lc ipo па i; ¡ го ¿1 автором системы ураг-Heroiü Мг:свелла - Блохе. с учетом данной нелинейное:.!.

Г'"фочпс.петше положения представляют общефизический ин-тор'^с и могут бить использотта для изучения в курсах нелинейной оптики и квантовой электроники.

Апробация паботц. Гозультатц работа били доложены и обсуздонн:

- на 3 Всесоюзном симпозиума по мочокулярноЛ спектроскоп^:* внеокого и сверхвксокого разрешения, Новосибирск, Т976;

- на 8 Вс> союзной кон^юретти по когерентной и нелинейной оптике, ^'лллси, 1976:

- Fía I Всесо'эзной хон^шегцтш "Оптика лазеров", Ленинград, 197?;

- на Сибирском сегещыпгя по спс-ктрос.гоп-ш "¡1;ггерсн.чг. лениость и генерация hp переходах в атомах :i молекулах", Томск, I98T;

- ча 8 Ваплсвсг.ой коиуеГ-нпт по нелинейной оптлко, Новосибирск, 193Í;

- :ц; Г Всесоюзном симпозиуме "Дтпалика ».-.эментпрних ат у wo -молекулярных процессов", Черноголовка, Í905;

- на Всесоюзных сешшарах по сптачэско/ орчонгацла ?. гомов и молекул, Лотпггряд, ВСООШ - IE8G, ВС00АМ2 - 10(39;

- на Всесоюзном се:.с»карр Пера ..лввенне 5с:эико-хк\г'чася»о процессы при пзахгодеЛстшги лазерного ..злуч-чия с ■5гп|1'.;птг,о,Г, Таикен1*, T9G6;

- на въездной сэссэт» «гяуп"ого Coro:то сггптлскс.т": Z0 /й. Б\лч'ул, 133?;

- на 13 Международной конференции по когерентной в нелинейной оптике, .'.¡писк, 1988;

- на 1275 заседании Одчемосковского семинаре. по теоретической физике под руководством ВЛ.Гинзбурга, Лосева, 19Э0;

- на 14 Мездународной конференции по когерентной и нелинеЕчой оптике, Ленинград, 1991;

- на .Международной конференции по нетрадиционным и лазерным технологиям, Москва, 1992;

- в обзорных докладах на научных семинарах ®1АН, ИОФАН» МГУ -Москва; ИТО, ИАЭ СОАН - Новосибирск; ИОА СОАН, ТГУ - Томск.

По материалам диссертации имеется 27 основных публикаций. Перечень приведен в конца автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Как становится ясно из перечисления эффектов, механизмы которых предлагаются автором, круг этих эффектов настолько широк и разнороден, что простое перечисление результатов, полученных в соответствующих областях другими авторами, оказывается в ршжах диссертационной работы физически невозможным. Поэтому при написании диссертации от этого пришлось отказаться; в тексте даются ссылки только на монографии, обзоры и наиболее существенные работы в соответствующих областях без раскрытия их содержания. Физические явления при взаш.:одейств1П1 излучения с вецествогл чрезвычайно многообразны; не может существовать какого-либо одного механизма в качестве панацеи от всех бед. Окончательное описание какого-либо явления должно состоять в корректном уче^е пкяадов различных механизмов. В этом смысле цель диссертации - показать свой путь в развитш: этих проблем, а при описании некоторого явления - показать лишь влияние механизма, защищаемого автором, отнюдь не отвергая существования других шзсанизмоз.

Объем диссертации: 201 страница, в кг.; чгзяв 13 рисунков; библиография 202 наименования.

ОСНОВНОЙ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулировано новое научное направление, рггзвиваемое автором, показано его место в общем развитии нелинейной оптики и сформулированы защищаемые положения. В связи с разнородностью явлении, новые механизмы которых предложены автором, остальные сведения, обычно составляющие ■ введение, вннесенн в специальные параграфы, предваряющие описание того или иного явления или группы явлений. Все рассматриваемые эффекты разбиты на три основные группы: поверхностные, явления в газе и эффекты самовоздействия излучения, что отражено в названиях последних трех глав диссертации.

ГЛАВА I. ЖаЛОПЕКУЛЯРНСЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВО ВНЕШНЕ.! РЕЗОНАНСНОМ ПОЛЕ

В первой главе рассматривается подосод к исследованиям иоляношшх оптических явлении в резонансном лазерном поле, связанны;! с введенном некоторого эффективного потенциала меж-..юлекулярного взаимодействия. Изменение ме:хмолекулярного взаимодействия резонансныл лазершсл нолем в рамках тале называемых оптических столкновении исследуется автором теоретически на основе использования методов квантовой электродинамики.

Внешнее лазерное поле увеличивает вероятность излучения фотона возбужденной молекулой и вероятность поглощения молекулой, находящееся в основном состояшы. Фактически это означает, что взаимодействуют мемду собой во внешнем поло у;.;е не сами исходные молекулы, а молекулы, "одетые полем". В результате происходит увеличение вероятности взаимодействия, что приводит к пропорциональности интенсивности взаимодействия средно^ плотности потока фотонов внешнего ноля, а изменение состоягатя молекул внешним полем - к изменению радиальной зависилостп энергии взаимодействия.

Пропорциональность интенсивности излучения позволяет выделить результат воздействия поля в виде отдельного слагаемого. Иными словами, воздействие резонансного поля дает следующее

выражение для энергии межмолекулярного взаимодействия:

- „^А^/з— / ЛЛ^.,

, с^СП) .

Здесь ¡А - матричный элемент дипольного момента резонансного перехода молекулы, $ - разность населенностей нижнего и верхнего уровней перехода, - его частота, Г; - константа релаксации, -оЭс , и)а- частота внешнего излуче-

ния, 10 - его интенсивность, & = ¿ТР'Л

Для случая'молекул, находящихся в одинаковых условиях при точном резонансе с излучением на расстояни, меньшем дайны волны, имеем:

ГЛАВА 2. ПОВЕРХНОСТНЫЕ И ПРИПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Для дальнейшего интерес представляют следующие два свойства взаимодействия - оно является далыюдействующим, его интенсивность пропорциональна интенсивности внешнего излучения. Дальнодействующий характер взаимодействия делает иго коллективным. Энергия молекулы в среде таких не молекул пропорциональна их плотности и интенсивности излучения и может достигать тепловой энергии О

I. Если на некоторой поверхности имеется ряд связанных в приповерхностном потенциале молекул, то данное взаимодействие приводит к притяаению и захвату молекулы газа, возникает [Ьотоконденсация. Расчет толщины слоя фотоконденсата при разных интенсивностях излучения выполнялся с использованием табличных значений параметров молекул исходя из следующих предполозошШ. Для описания конденсата использовалось уравнение Ваи-дер-Ваальса, параметры которого рассчитывались с использование.:! введенного - ^молекулярного взаимодействия. Учитывалась нагрев конденсата излучением и тепловой баланс на границах с поверхностью подлодки и с газом.

Численный расчет для молекулы брома показал, что под ■ действием азлучешш устанавливается квазиравновесное распределение конденсата, характеризующееся 'равномерной плотностью около 5-10 см-3. С ростом интенсивности излучения растет температура конденсата, при этом плотность его падает со скоростью ^,6-10^3см_3/град. В состоянии системы газ - конденсат можно выделить четыре области: плотный конденсат, переходной "рыхлый" ело." кечденсата со скоростью спада 3,5-10^с-"л~3/нм, уплотненный приповерхностны" слой газа, свободный газ.

Индуцированное излучением межлолекуляриое взаимодействие вызывает сдвиг точки конденсации системы. Если температура окружающей среды близка к точке естественной конденсации, то сдвиг ее излучением приводит к началу конденсации. Изменение температуры при нагреве излучением отодвигает систему от точки конденсации, что останавливает дальнейшую конденсацию, наступает равновесие.

2. .Молекула, подлетающая к конденсату, при точном резонансе захватывается в конденсат. При отрицательном отклонении от резонанса начинает действовать отталкивающая часть потенциала. При А = -2Г энергия отталкивания молекулы от поверхности, занятой .конденсатом, может достигать величины,.достаточной для отражения молекулы; минимальное расстояние, на которое подходит молекула к поверхности при отражении, составляет около четверти длины волны излучения.

3. В силу резонансного характера взаимодействия взаимодействуют ц поле излучения только молекулы с одинаковой по величине проекцией импульса на направление распространения излучения. Если, учитывая дальнодействие взаимодействия, записать гамильтониан системы молекул на поверхности в представлении вторичного квантования, окажется, что по формо он соответствует гамильтониану сверхтекучести. Подбирая преобразование для перехода к квазичастицам, диагонализируем гамильтониан и найдем спектр энергий квазичастиц. Спектр энергий состоит из двух ветвей, разделенных щелью, ширина, щели пропорциональна интенсивности излучения. Налндие щели свидетельствует о том, что в пределах капли фотоконденсат обладает свойством сверхтекучести. Если на входе пористой мембраны создать избыток резонансных молекул, то вследствие сверхтекучести произойдет . увеличение потока резонансных молекул через пористую мембрану.

4. Если пор много, а парциальное давление газа резонансных молекул мало, конденсат разбивается на отдельные капли. Необходимость переиспарения между отдельными каплями тормозит диффузию молекул через пористую мембрану в этих условиях. В кристаллической мембране все ямки приповерхностного потенциала идентичны и энергетические уровни молекул в этих ямках превращаются в соответствующие энергетические зоны. Резонансное электромагнитное поле возбуждает квазичастицы в системе конденсированных молекул. Если энергия квазичастицы не совпа- . дает с расстоянием между зонами, то энергия диссипирует в тепло, происходит нагрев кристаллической решетки мембраны.

При совпадении энергии квазичастицы с расстоянием.между зонами появляется другой канал диссипации энергии квазичастиц.

1.3

иоз передачи отторг ¡ч нрцстячлппзокои ретт;;е толоку^ пачтшя-'зт п преходить г, бол^е лноокно зоны и, в конце концов, впбпва-зтся ттз я"от:, лероходч в область тгапрврнвпого си^ктра эыерги". Молекулы р. этоЛ области чпчттся "токут п", т.е. пор-зскакп-вагат чз ял.тки в ямку и обеспечивают процесс дтлтЛ'узчгт через по-гг'ступ тбр°ну. Поскольку р области ь'онрт',':ту,ого спектра находится ;куюо число молекул, то небольшое искажение распределения по энергиям может привести к росту числа текущих молекул и несколько раз. В результата ня. ктпоч за»!*сг*остч относительного потока от интенсивности излучения появляются резонанспче пики - резонанс интенсквностеЦ.

ГЛАВА 3. ШЕтаЧНСКШ ЯЗДЕШЙ В ГАЗЕ

Чтобы найти энергию молекулы в газе, необходшо просуммировать вчраж^шле для оиоргии парного взаимодействия по всем

окружающим молекулам тт усреднить по "ястотач ппл-г лодеГ;Стлую!Т!х • юле кул. 3 результате получается внражеште ритгя

Здесь ¿р - не залшс^лая от положения -.толекулн величина, ^ - расстояние от центра луча.

Па ноле кулу в газе действует сттла

втягивающая. в случае точного резонанса, молекулы в центр луча. Причем втягивающая сила определяется не только градиентом интенсивности излучения, но и градиентом плотности молекул. Дня од»ородно уширенной линии из решетин уравнештя Бодьцмяяа с данной сшго;! получим связь средне!! ппотности резоттэгстсс молекул в отсутствие излучения с их птотностью в центре луча:

. П0 = П-гхр(-

Увеличение плотности частиц в луче,_первоначально возникающее за счет градиента интенсивности излучения, приводит к дополнительной силе, втягивающей молекулы в луч. Это может привести к неустойчивости решения, алекущей за собой конденсацию газа. Применимость уравнения Больцмана в таких задачах сомнительна и требует тщательной проверки. Мы используем его только для качественной оценки действия резонансного излучения. Подставляя значения для луча r^ I Вт/см^ при // ^ I Д , соотношении резонансного и буферного газов 1:4 и давлении 100 Topp может бить достигнуто 1А ~ О . Нагрев газа излучением в данном случае не учитывался.

При малом полном давлении газа, когда существенно неоднородное утирание лиши поглощения, бегущая волна взаимодействует только с молекулами, имеющими проекцию скорости на направление распространения излучения IT =S2/4 , где Si - сОо - - отстройка частоты лазерного излучения от

центра допплеровского контура. В этом случае происходит селективное по скоростям втягивание молекул внутрь луча. В ре' зультате распределение молекул приобретает добавку

которая приводит к движению резонансных полю молекул в направлении, совпадающем со знаком отстройки,- коллективному свето-иштшгованному дрейфу. Поток резонансных молекул

Z ПЛ а

П I Я/4

г-

\ß

Ш)

А

т

при тех лее параметрах, что и в предыдущем случае, но при

Т4 —^ —Т

давлении 10 Topp оценивается 10 см '"с .

Кроме коллективного эффекта парное мэтголокузптрпрв взаимодействие приводит к изменению сечения столкновений молекул. Если сечение столкновений молекул в отсутствие излучения есть ^JC > то сечение сильных столкновений долекул, летящих с относительной скоростью lf , при наличии излучения может быть найдено кис сечение падения на шар радиусом tue '•

Лг^Хг^и irfcrTtfTv^)-

Если для чистого газа в капилляре в отсутствие излучения имеет место кнудсеновский режим, то включение излучения выведет из киудсеновского режима только молекулы, летящие со скоростью V = / k по направлению распространения излучения. Для них длина свободного пробега в силу увеличения сечения столкновении стянет меньше диаметра капилляра. Столкновения резонансных излучению молекул М'?:::ду собой пр«вадет к их размазывает по допплеровскому контуру и образованию в области контура провала, что течет за собо'Л ноток

молекул в направлении, противоположном знаку отстройки -аIгр-тяяыг !Й светопндуципованннй дреП:1>.

ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКАЯ НЕЛИНЕЙНОСТЬ ДВУХУРОВНЕВОЙ СРЕДЫ

В данной главе описаны экспериментальные и теоретические исследования по поиску новой оптической нелинейности. Автором проведено комплексное экспериментальное исследование формирования спектральной и пространственной структуры излучения оозрезонаторных лазеров. Основным исследовавшимся объектом являлся лазер, работавший на молекулярном ионе азота в смеси гелия и азота при давлениях 4 * 10 атм. Длина волны излучения 427,8 нм, ширина линии 0,16 см-"*" независимо от давления в исследованном диапазоне. Лазер построен по схеме генератор -усилитель; возбуждение - двойной поперечный разряд.

Пространственная структура излучения является результатом нестационарной интерференции пространственно-некогерентного излучения и имеет характер объемных зерен - областей повышенной интенсивности. Статистические характеристики пространственной структуры совпадают в пределах точности эксперимента с теоретическими расчетами, в основу которых положена модель усиленного спонтанного излучения независимых молекул затравочной области лазера.

Стохастическая спектральная структура отдельного импульса есть результат преобразования Фурье сигнала со временем когерентности меньшим длительности импульса. Статистические характеристики спектральной структуры с точностью эксперимента совпадают с теоретической стохастической моделью. Анализом характеристик квазипериодичности показано, что в настоящее время отсутствуют какие-либо экспериментальные данные, как для наших исследований, так и для работ других авторов, которые показали бы отклонение квазипериодичности спектральной структуры от стохастической модели.

В то же время исследования преобразования импульса излучения в усилителе, работающем в режиме усиления слабого сигнала, когда на вход усилителя подается пространственно однородное излучения генератора, работающего в режиме сверхсветимости, показало наличие нелинейного преобразования сигнала, не укладывающегося в рамки известных теоретических моделей. Впоследствии данная нелинейность была идентифицирована как результат влияния индуцированного излучением межмолекулярного вз ажюдейс твия.

С помощью метода когерентных состояний исходя из гамильтониана в представлении вторичного квантования с учетом нашего межмолекулярного взаимодействия получена модифицированная система уравнений М'аксвелла - Блоха. Обозначая % и {р амплитуды поля и поляризации, ^ и ^ - их фазы, Д/ инверсную населенность активной среды, полученную- систему уравнений можно записать в виде:

2L.с1L - 2%£o?Sirt(*~¥y°QV

/VlS/г?

** t; £

T jryg ^^

+ ¿¿ж s .

учитывает чоллнай^ость, порождаемую указанным взаимодействием.

Решеште данной системы уравнений в приближении однородного ушир^кия линии усиления приводит к следующему счкоиу преобразования длительности и.чпул^са излучения при распространении в, усилителе: -

»[f + —(tf"!#)] .

Решение получено длн усилителя, работающего в режиа усиления слабого сигнал? Экспериментальные данные для азотного усяля-теля на"одятся з удовлетворительном согласии с расчетом не приводе¡:но'7 вирази'пл. При. увэли"Г:П*и! --t;;cro давления >';

газов происходит увеличение плотности возбуждения активной среды, которое в силу указанной нелинейности влечет за собой сокращение длительности импульсу при усилении от 2,7 не до 1,0 не при неизменной длительности импульса на входе усилителя. Сокращения длительности импульса пространственно неоднородного излучения не происходит. В последнем выражении

- длительность импульса излучения на входе усилителя, 1В к 10 - интенсивности излучения на выходе и входе усилителя соответственно.

Решете приведенной системы уравнений в приближении неоднородного уши рения лишга усиления приводит к следующему интегральному уравнению для изменения ширины спектра импульса

при усилении: ^

в °

где обозначено

Ь - Диктор Лоренца, Г0 - спектральная ширина импульса на входе усилителя.

Сопоставление решения данного интегрального уравнения с известными из литературы экспериментальными данными по уширениа спектра кмтгул'-да в неоди;-,овом лазере позволяют для ряда экспериментов идентифицировать нел/иейность неодимового лазера как нелинейность, поро.ждаемую индуцлрованн!и излученном мехлолекулярным взаимодействием.

В заключеш-и перечислены основные результаты работы, представляющие собой составные части развиваемого авторш нового нпуч :ого иапршлонкя. Обп-ий ряд ¡.отенциалов взаимодействия нейтральных нэполярных молекул выглядит теперь следую-цпм образом: нэвозбузденные молекулы - *£* , возбужденные -'С1 , молекулы во внелнзм резонансном поле - 1.

-------- ---------------ОСНОЗНЫГО РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ --------- ------

1. Автором исследовано влияние квазпмонохроматичьсхого резонансного лазерного излучения на мелаолекулярное взаимодействие. Взаимодействие оказывается интенсивным и да -г недействующим; радиус взаимодействия соответствует д/.-.нв волны и&^чения, энергия пропорциональна интенсивности .• «..у '-шт. Если точный резонанс молекулярного перехода с г.алучинием нарушен, знак взаимодействия в определенных условиях может измениться на противоположна. В обычных условиях и при наличии точного разон'лнса молекулы поглощающей среды притягиваются друг к другу, в усиливающей среде - отталкиваются. Указанные особенности использованы для объяснения рада физических явлений в поле резонансного лазерного излучения.

2. Предложен механизм Фотоковденсании, использующий равновесие пр.:тока молекул к конденсату за счет индуцированного полем взаимодействия и их испарения за счет нагрева конденсата излучением. Различаются равновесная и неравновесная фотоконденсапия. Расчеты подтвераздаются дальнейшими экспериментами других исследоватклай.

3. Рассчитана энергия молекулы вблизи поверхности для различных значений огстройю' излучения от центра линии поглощения молекул. Показано существование области параметров, при наличии ксторых подлетающий к поверхности под некоторым углом молекулярный пучок будет претерпевать зеркальное отречение.

4. Предложен оптический аналог сьарх™е:'учести молекул, адсорбированных на поверхности, в поле резонансного зазорного из луче ¡с. ш. На этой основа предложен механизм увеличения проницаемости пористых мамбоан под действием резонансного излучения.

5. Предложен механизм резонанса иптенсивко^тей, основанный на соЕпадеьл энергии квазичастицы е квантовой жидкости, которой является капля фотоконденер.та, а расстоянием мелис*

уровнями энергии молекулы в ггрилс: эрхне мгам потенциале кристатлнческо!1. мембраны. Нарушение распределения маюкул .7 5 энергетическим уровням в приповерхностном пот'л-ш^алэ лр/ьод/т л появлению рэ:онанс:шх пиков и* криво:', заюга «о:.: когъгл

молекул через кристаллическую мембрану от интенсивности излучения»

6. Предложен механизм втягиаания молекул в лазерный луч, использующий коллективный характер взаимодействия, основанный на дальнодействии последнего. Сила, действующая на молекулу в резонансном газе, зависит от градиента интенсивности излучения и от градиента плотности резонансных молекул.

7. Предложен коллективный механизм светоиндуцироврнного дрейфа, основанный на селективном по скоростям втягившп-;! молекул в лазерный луч.

8. Предложен механизм аномального светоивдуцированного дрейфа, основанный на селективном по скоростям увеличении сечения сильных столкновений резонансных полю молекул.

9. Автором модифицирована система уравнений Максвелла -Блоха для описания распространения импульса излучения в двухуровневой среде. Система уравнений содержит нелинейность, поротдаомуга светошщуцированним межмолекулярным ззаимодойст- : вием.

10. Решением указанной системы уравнений показано, что при распространении импульса с малым временем когерентности в усилившацей среде с однородним уиирением линии усиления происходит сокращение его длительности. Автором проведено всестороннее экспериментальное исследование гдотного лазера с большим коэффициентом усиления и сопоставление:.; теоретических и зкспернчен сальных данных показано существование данного э^Хюкта.

11. Решением той же системы уравнений показано уширение спектра импульса при усилении в случае неоднородного уширения линии усиления. Действие внешнего поля приводит к генерации за счот новой нелинейности дополнительных боковых компонент

в спектре импул.'^а, что приводит к увеличению ширшш его спектра. Результаты расчетов сопоставлен» с литературными данными по укспериментам с пеодимовнм лазером.

Основное содержшше диссертации опубликовано в следующих рпб:?ах.

ЛИТЕРАТУРА

*

1. Бразовский В.Е., Орлов А.Н. Аномальный светоиндуцированный дрейф // Известия АН (Россия). Серия физическая. 1992. Т. 56, И< 8. С. 47-57.

2. Brazovskiy V.E., Orlov A.N.- Molecules separation during refleolion from the surface in the presoncc of surface

a

electromagnetic wave // 1992 internal ¡nal confercncc on advanced and ]ascr technologies.- Moscow, 1992.- Part 1. P. 22-23

3. Бразовский В.E., Орлов А.Н. Многослойная фотоадсорбция // Препринт №57, ИОФ АН СССР. Москва, 1990. 34 с.

4. Бразовский В.Е., Еразовская Н.В. Квантовая теория движения адсорбата в резонансном поле // Известия АН СССР. Сер.физ. 1987. Т. 51. >2. С. 383-388.

5. Бразовский В.Е., Кравченко В.Л., Орлов Л.Н., Петров Ю.Н. Резонанс интенеивностсй в гетерогенных процессах // Теп. докл.: Х1У Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике. Т. 1. - Ленинград, 1991.- С. ВЗ-64.

6. Бразовский В.Е., Еразовская Н.В. Коллективный механизм оптической ориентации резонансных полю молекул // Второй всесоюзный семинар но оптической ориентации атомов и молекул (тезисы докладов)- Ленинград, 1989. C.I60-I6I.

7. Бразовский В.Е., Петров Ю.Н. Коллективное резонансное световое давление // Тез. докл.: XIII Международная конфоренцияя по когерентной и нелинейной оптике, 6-9 сентября 1988 г. - Минск, 1988. Ч. 2. С. 99-100.

8. Бразовский В.Е., Петров Ю.Н. Коллективное резонансное световое давление // Препринт ИОФ АН СССР Jí 83. Москва, 1989. 15 с.

9. Бразовский В.Е., Еразовская H.В. Диффузия молекул в газе, обусловленная взаимодействием ориентированных излучением диполей // Всесоюзный семинар по оптической ориентации атомов и молекул (тезисы докладов)- Ленинград, 1986. С.134

10. Еразовский В.Е., Орлов А.Н. Диффузия в капилляре под действием резонансного излучения // Препринт Х> 27, ИОФ Ail СССР. Москва, 1991. 17 с.

11. Бразовский В.Е., Лисицын В.11., Раков A.M. Формирование спектрально-пространствешншх характеристик импульсной сверхсветимости / Тез. докл.: Материалы 8 Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике.- Тбилиси,

1976.- С. 163.

12. Бразовский В.Е., Домбровский С.А., Лисицын В.11., Ражев A.M. О структуре линий сверхсветимости Nz и- -лазеров / Тез. докл.: 3 Всесоюзный симпозиум по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения.-Новосибирск, 1976,- С. 142-143.

13. Бразовский В.Е., Лисицын ВЛ., Раков A.M. Обратное рассеяние в сверхизлучающих средах / Тез. докл.: I Всесоюзная конференция "Оптика лазеров".- Ленинград,

1977.- С. 2.8-29.

14. Бразовский В.Е., Лисицын В.II., Раже в A.M. Одиочастотный режим работы азотного лазера // Квантовая электроника. 1977. Т. 4, № 2. С. 480--483.

15. Бразовский В.Е., Лисицын В.II. Пространственная структура сверхсветимости // Квантовая электроника. 1978. Т. 5, Jfc 10 С. 2293 2295.

16. Бразовский В.Е., Баженов C.B., Телегин Г.Г. Статистические явления в переходном ироцесео He-Ne лазера с заданным начальным распределением фотонов // Оптика и спектроскопии. 1973. Т. 35, Ji I. С. I08-II6.

17. Бразовский В.Е., .Лисицын В.Н., Телегин Г.Г. Некоторые особенности переходных процессов в He-Ne лазере при X -X - 0,63 мкм // ЖПС. 1972. Т. 17. * Ь. С.879-880.

j;pn:'.o!$cKirtt b.r., Телегин Г.Г. П<-'ре.ходнш> npoipwn' и статистические явления в гелий п^опоном лгкм• рр при медленном иамонрнии параметра покячки // оптика и спектроскопия. [974. Т. 36, » А. С. 739 W.

19. Brazovr.ky V.7e., LirsitFyn V.N. SpatJal.- г-peotral ctructure "T r-.Mpp-vlMminopiiy in л hit?h-proBüuro gnu disjoharge // Appricvl Phyn. 1979. V. 18, 1. P. A?.9.

2.0. Бразовский B.E., Бродовская H.B.. Знкин C.B. Спектральная структура импульсного излучения // Радиотехника и электроника. 1984. Т. 29, № 2. С. 287-292.

21. Бразовский В.Е. Преобразование спектральной структуры импульсной сверхсветимости газового разряда в нелинейно усиливающей среде / Тез. докл.: X Сибирское совещание по спектроскопии. Томск: ТГУ, Т9 °Л . пр.

У?.. Бразовский В.К., Бразовскан и.В. ос: одном критерии КИЯПШЮрИОДИЧНОСТИ СППКТрпЛЫЮЙ структур» импульсного излучения // Иопости.ч ну ион. Физика. UW. в. 2. С.г,[ ее.

23. Ирчсюркий В.Е., Вр.'кгсжокля Н.В. К вопросу о КЬазИПериоДИЧЦОСТИ СШ'КТрПЛМЮЙ CTp.VKT.ypU СНОру.гиеТИМООТИ // оптика и сипктроскопия. 1С,[«,. Т. 38, № 4. С. 939-94].

РА. НрапопгкиП В.К. Оптическая нелинейность дпух,урояп«вой среды // Оптика и спектроскопия. 1986. Т. 60, > Ь. С. Т0К7-ТП69.

23. Врэгювский В.К., Првзоискяя Н.В. Готическая нелинейность среды, индуцированная взаимодействием ориентированных излучением диполей // Всесоюзный семинар по оптической ориентации атомов и молекул (тезисн докладов)- Ленинград, 1986. С.196

2Р>. Бразовский В.Е., Бразовская Н.В. Укорачивание импульсов в нелинейном усилителе // Квантовая электроника. Т98В. Т. 13, )!• 7. С. 140[ -1403.

27. Бразовский В.Е., Бразовская Н.В. О природе нелинейности в неодимовом стекле // Оптика и спектроскопия. 1987. Т. 63, а 2. С. 433-434.