Светоиндуцированный ток в разреженном газе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

П К 9®

Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения российской академии наук

На правах рукописи

Ермолаев Игорь Михайлович СВЕТОИНДУЦИРОВАННЫЙ ТОК В РАЗРЕЖЕННОМ ГАЗЕ

ОХ.04.05 оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

л

Новосибирск - 1992

Работа выполнена в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения Академии наук.

научные руководители: кандидат физико-математических наук

дтутов С.Н.,

член-корреспондент РАН Шалагин A.M.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Еетеров и.м.,

кандидат физико-математических наук Шапиро Д. А. '

Ведущая. организация: институт спектроскопии Российской

академиии наук.

защита состоится -/Г- U^t-frH^ 1992 Г. В и час. на заседании специализированного совета К 003.Об. 01 в

Институте автоматики и электрометрии СО РАН, бзоозо, Новосибирск, Университетский пр. 1.

С диссертацией ыохно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и электрометрии со РАН.

Автореферат разослан .¿г. ЛССС,1\ 1992 Г.

Ученый секретаре* ^ t ^

специализированного совета J

. 3. T*,irt"'afiT?

- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

> 1';. ( (

Актуальность темы. В настоящее время активно развивается новая область физики взаимодействия лазерного излучения с: веществом - газовая кинетика в поле лазерного излучения, толчком к ее зарождению послужило теоретическое предсказание эффекта светоиндуцированного дрейфа (СИЛ) [1] и его экспериментальное обнаружение в атомарных [2] и молекулярных [3] объектах. В настоящее время помимо СИД предсказан и изучается ряд новых эффектов. Среди них: эффект светоиндуцированного дффузионного втягивания (выталкивания) атомов в световой пучок [4], возникновение светоиндуциро-ванных диффузионных вихрей в газе [5], генерация звука за счет эффектов СИД и светоиндуцированного диффузионного втягивания атомов в световой пучок [6], столкновительно-радиационное охлаждение газа [7], ток в слабоионизованном

• газе [8], возникновение ЭДС при селективном по скоростям возбуждении нейтрального газа [9]. Светоиндуцированный ток в разреженном газе, являющийся предметом исследования диссертации, также принадлежит к классу явлений, родственных СИД, и его изучение актуально в свете развития знания о газовой кинетике в поле лазерного излучения.

К началу работ по Теме диссертации был хорошо изучен так называемый оптогальванический эффект, основанный на изменении проводимости газоразрядной плазмы или газа при воздействии резонансного излучения на атомы и ионы. На основе этого явления создан и широко используется метод оптогаванической спектроскопии газов [10]. светоиндуцированный ток представляет собой оптогальванический эффект при нулевом внешнем поле, ЭДС при этом возникает за счет начальной кинетической энергии ионов. До начала данной работы при исследовании оптогальванического эффекта не учитывалась начальная кинетическая энергия ионов, возникающая за счет селективных по скоростям возбуждения и ионизации. При определенной геометрии опыта это может приводить к сдвигу оптогальванического сигнала относительно центра линии

з

поглощения и соответствующей систематической погрешности метода оптогальванической спектроскопии. Этот факт указывает на актуальность исследования светоиндуцированного тока.

Актуальность работы возросла после появления работы [11], в которой показано, что возникновение электрического тока при селективном по скоростям оптическом возбуждении может претендовать на объяснение феномена магнитных пекулярных звезд, поэтому важно было в лабораторных условиях убедиться, что механизм возникновения тока соответствует нашим представлениям о его природе.

Цель работы состояла в качественном и количественном. теоретическом исследовании эффекта, необходимом для постановки экспериментов, а также в обнаружении эффекта и его детальном экспериментальном исследовании.

Научная новизна результатов: 1. Соискателем совместно с А.М.Щалагиным предсказан новый фотогальванический эффект -светоиндуцированный ток в разреженном газе.

2. . впервые зарегистрирован и изучен на качественном и количественном уровне светоиндуцированный ток в парах натрия. Эксперименты были проведении соискателем совместно с с.н.Атутовым.

Основные роложения. выносимые на защиту:

1. При лазерном возбуждении и последующей ионизации возбужденных частиц разреженного газа в нем возникает электрический ток без участия внешней разности потенциалов. Эффект антисимметричен по отстройке частоты излучения от центра линии поглощения газа.

2. При малой плотности заряженных частиц эффект как функция частоты излучения изменяется вблизи центра линии поглощения на масштабе, порядка однородной ширины линии. Вследствие этого эффект может лечь в основу нового метода внутридопплеровской спектроскопии атомов.

3. при больших плотностях заряженных частиц светоиндуцированный ток как функция частоты излучения изменяется на масштабе, определяемом допплеровской шириной линии.

4. При ассоциативной ионизации из возбужденного состоя-

ния светоиндуцированныя ток как функция частоты излучения пропорционален производной по частоте от квадрата поглощенной в ячейке мощности.

5. Величина эффекта уменьшается с ростом давления буферного газа.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзном семинаре "Элементарные процессы в плазме - процессы с участием высоко возбужденных атомов" (Новосибирск, 18-20 марта 1986 г.), на XII Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 26 -29 августа 1985 г.), на конференциях и семинарах ИАИЭ СО АН ссср и в основном отражены в публикациях. Результаты диссертации отражены в обзорах по газовой кинетики в поле лазерного излучения [12] и по оптогальваническому эффекту [10].

• Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения, она изложена на 97 стр., содержит 24 рисунка. 52 библиографических названия.

Содержание работы Первая глава посвящена теоретическому описанию эффекта. В.§1.1 дается качественное описание физической природы возникновения светоиндуцированного тока на примере двухуровневой модели. Пусть разреженный газ двухуровневых частиц взаимодействует с монохроматическим излучением, частота которого сдвинута на величину П относительно центра линии поглощения. Для простоты будем считать линив поглощения уширенной неоднородно (типичная для атомарного газа при низком давлении ситуация), т.е.

Г « XV, V = У2Т/И, к = |Й|, где Г. - однородная ширина линии поглощения, )с - волновой .вектор, V - средняя тепловая скорость атомов, Т- температура .(в единицах энергии), т - масса атома.

В оговоренных условиях из-за эффекта допплера излучение будет взаимодействовать тольхо с теми атомами, проекция скорости которых на волновой вектор лежит в окрестности

величины О/к. Если рассмотреть одномерную функцию распределения возбужденных частиц по скоростям, то она будет представлять собой пик, шириной Г/к, с максимумом при V = Л/к. Это давно известный и хорошо изученный на многих объектах пик Беннета. Такое распределение по скоростям означает, что все возбужденные частицы движутся в направлении волнового вектора с примерно одинаковыми скоростями, равными П/к. Далее предположим, что атом ионизуется из возбужденного состояния каким-либо способом, например, дополнительным квантом света или в реакции ассоциативной ионизации из возбужденного состояния. Дефект энергии ионизации передается главным образом электрону, как легкой частице, и скорость изотропного разлетания электронов существенно выше скорости их направленного движения П/к - V, другими словами, движение ионов в лабораторной системе отсчета практически изотропно, а значит они приходят на стенки "справа" и "слева" в одинаковом количестве. Ионы же после ионизации сохраняют направленность и, двигаясь со скоростями близкими к й/к, приходят преимущественно на одну из стенок, справа или слева в зависимости от знака й. Если эти стенки изготовить из проводящего материала и соединить в цепь через измеритель тока, можно зарегистрировать этот ионный ток. В точном резонансе (А = 0) ток отсутствует.

В § 1.2 дано теоретическое описание эффекта в приближении свободных ионов, когда их начальная кинетическая энергия ,больше энергии взаимодействия с объемным зарядом. Расчеты проводились для плоскопараллельной геометрии электродов, рассчоянис между -которыми много меньше их размеров, а излучение распространяется ортогонально к ним^ рис. 1. Показано, что в такой геометрии величина тока определяется количеством рождающихся в ячейке ионов- и знаком их начальной скорости и не зависит от абсолютной величины этой скорости. По этой причине, в условиях неоднородного уширения ток как функция отстройки частоты излучения от центра линии поглощения вблизи нуля отстройки нарастает на масштабе порядка однородной ширины линии, что позволяет рассматривать эффект

как основу нового метода внутридоппле-ровской спектроскопии. Вычислена величина эффекта для простейшей модели двухуровневой системы при фотоионизации из возбужденного состояния.

В § 1.3 эффект рассматривается в приближении квазинейтральной плазмы, когда плотность ионов достаточно велика, чтобы радиус Дебая был много меньше расстояния между электродами, к началу нашей работы аналогичные задачи были рассмотрены при изучении разряда низкого давления [13-14]. однако специфическая особенность нашей задачи (необходимость учесть начальную скорость ионов и обусловленный ею сдвиг максимума потенциала самосогласованного электрического рис. 1 поля заряженных частиц) не позволила

впрямую воспользоваться результатами этих работ. Задача о движении ионов с начальной скоростью в самосогласованном электрическом поле решена в § 1.3 методом кинетического уравнения в предположении, что температура газа много меньше температуры электронов. Получено выражение для потенциала самосогласованного поля плазмы, показано, что максимум его сдвигается относительно центра в направлении начальной скорости иойов. Вычислена величина светоиндуцированного тока в условиях квазинейтральной плазмы, показано, что в отличие от случая свободных ионов величина тока определяется не только знаком начальной скорости ионов, но и ее величиной.

В § 1.4 задача о возникновении тока решена в гидродинамическом приближении, в предположении, что дисперсия скорости ионов много меньше квадрата скорости звука в плазме. В бесстолкновительной ситуации это приближение работает с точностью на уровне 10%, когда же частота транспортных столкновений велика по сравнению с обратным временем ухода ионов на стенки, точность приближения выше.

Гидродинамическое приближение позволяет учесть роль транспортных столкновений, в том числе резонансной перезарядки ионов. ,-.'.'

В § 1.5 рассмотрена задача о возникновении светоиндуци-рованного тока в парах натрия, где ионы возникают по механизму ассоциативной ионизации из возбужденного состояния. Атом натрия при этом, моделируется трехуровневой частицей, два уровня которой соответствуют сверхтонким компонентам основного состояния, а третий уровень - возбужденному состоянию. Решены уравнения для матрица плотности в системе отсчета атома, пролетающего через световой пучок. Показано, что оптическая накачка по сверхтонким компонентам атомов с резонансными скоростями приводит к дополнительному, (помимо полевого) уширению беннетовских структур. Получена оценка величины тока, связывающая ее с-мощностью, излучения. Показано ,, что для большего проявления эффекта излучение в ячейке следует как можно сильнее фокусировать."

Получено феноменологическое соотношение, связывающее величину эффекта с поглощенной в ячейке мощностью излучения. Показано, что зависимость светоиндуцированкого тока в парах натрия от частоты излучения определяется зависимостью, от частоты хвадрата поглощенной в ячейке мощности излучения. Этот результат справедлив для произвольной оптической накачки, а также для немонохроматичлского излучения.

в § 1.6 приводятся численные оценки величины светоинду-цированного тока для различных способов ионизации из возбужденного состояния: фотоионизация, ассоциативная ионизация, столкновительная »ионизация. Проделанные оценки показывают, что эффект может быть зарегистрирован серийными прибирай;:.

Глава 2 посвящена экспериментальному исследованию свето-индуцированного тока в парах натрия с использованием модуляционной методики регистрации.

В § 2.1 дано описание экспериментальной установки, включающей в себя лазер на красителе, поглощающую ячейку с электродами и регистрирующую аппаратуру. Описана конструкция поглощающей ячейки, удовлетворяющая требованиям, необходимым

для исследования, эффекта: способность удерживать хороший вакуум при нагреве ' до 120-150°С, наличие электродов и проводов внводящих сигнал и. оптические окна для ввода излучения.

Описан селектирующий элемент; изготовленный нами для того, чтобы добиться квазимонохроматического перестраивомого режима генерации лазера на красителе. Селектирующий элемент представлял собой кварцевую пластинку, игравшую роль интерферометра Фабри-Перо, наклонкоторого задавался электромагнитом. . ..

В § 2.2 приводятся и обсуждаются результаты экспериментов. Описано проявление маскирующего эффекта; он выражался в том, что при настройке на центр линии '.натрия существовал ненулевой ток. Токовый сигнал как функция-отсройки частоты лазера от центра линии вместо специфической для светоиндуци-рованного • тока антисимметричной зависимости давал почти симметричную по. П. Возможны два варианта происхождения маскирующего эффекта. Вотпервых, он.'ног .быть связан с обычным фотоэффектом, который возникал из-за облучения внутренней поверхности электродов .светом' резонансной флуоресценции паров натрия, и поэтому"его.зависимость от величины отстройки должна быть симметричной.

второй возможной .причиной симметричной составляющей тока могла быть неконтролируемая разность потенциалов, возникающая из-за эффектов- тёрмо-ЭДС при неравномерном прогреве ячейки. Если•эта .разность потенциалов существенно выше тепловой энергии ионов, тй. все. рождавшиеся в ячейке ионы под воздействием этого напряжения "отсасывались" на один из электродов, давая сигнал тока,' почти симметричный по П. отличие этого сигнала • от полностью симметричного определялось бы в таком случае'соотношением между разностью потенциалов и температурой газа.

Характерная для светоиндуцированного тока антисимметричная зависимость от отстройки частоты излучения от центра линии поглощения была выделена на фоке сигнала маскирующего эффекта с помощью модуляционной методики при сканировании

частоты излучения, симметричном относительно центра линии поглощения натрия, рис 2. Описан проверочный эксперимент, показывающий, что в стоячей волне величина антисимметричной части сигнала уменьшается.

Глава 3 посвящена экспериментальному исследованию свето-индуцированного тока.

В § 3.1 дано описание конструкции поглощающей ячейки, собранной с помощью термостойкого клея из стеклянных деталей, описан затвор для паров натрия и печь для прогрева ячейки.

В § 3.2 описаны результаты исследования маскирующего эффекта. Показано, что он связан с паразитной разностью потенциалов на электродах ячейки. Обсуждается происхождение этой разности потенциалов.

В § з.з приводятся результаты экспериментов по исследованию эффекта при компенсации паразитного напряжения на

Ь Ю-10, А

{1

Л, гп

рис. 2

Эспериментальная зависимость токового сигнала J на частоте модуляции от амплитуды модуляции й.

ю

электродах внешним источником. Получена характерная для светоиндуцированного тока антисимметричная зависимость от частоты излучения, знак эффекта, его величина, зависимость от знака волнового вектора излучения соответствуют нашим представлениям о его природе. Зависимость величины светоиндуцированного тока от отстройки частоты излучения от центра линии поглощения совпадает в пределах точности эксперимента с производной по частоте от квадрата интенсивности резонансной флуоресценции, рис. 3.

рис. з

1 - зависимость величины светоиндуцированного тока от П;

2 - производная по £3 от квадрата интенсивности резонансной

флуоресценции.

В § 3.4 дано описание конструкции поглощающей ячейки, свободной от паразитного напряжения на электродах. Для этого стекло было изолировано от металла с помощью сапфира и бериллиевой керамики рис. 4.

8 § 3.5 описаны экспериментальные результаты исследования светоиндуцированного тока в парах натрия. Из соотношения между величинами эффекта и тока насыщения, возникающего при

рис.4

схема ■ поглощающей ячейки, свободной от.паразитного напряжения.

1 - электроды; 2 - стеклянные окна; .3 - сапфировые подложки;

4 -. трубочки из. бериллневой керамики;- 5 - отросток с металлическим натрием.

подаче напряжения на ячейку в присутствии излучения, получена величина начальной скорости ионов, которая оказалась порядка тепловой схорости атомов. Начальная скорость-оценена также из величины внешнего напряжения, достаточного, чтобы эффект перестал менять знак при перестройке частоты.

Приведена зависимость величины светоиндуцированного тока в максимуме от величины резонансной флуоресценции в.центре линии при различных величинах мощности излучения, попадающего в ячейку. Квадратичный характер зависимости подтверждает, что ионы рождаются по механизму ассоциативной ионизации из возбужденного состояния, рис. 5..

описаны эксперименты по исследованию зависимости.величины эффекта от давления буферного газа. На рис. б приведены экспериментальные графики зависимости от давления буферного газа .(• - гелия, ■ - неона) величины J/J0, где Jo~ величина светоиндуцированного тока без буферного газа, из зав'исимос-

рис. 5

рис. 6

тей рис. 6, используя гидродинамическое приближение (§ 1.4), можно оценить коэффициенты диффузии ионов Na* в гелии и в неоне при г = 400°к. в пересчете на давление 760 торр измеренные нами коэффициенты диффузии составляют 0.53 ± 0,05 смг/с в гелии и 0,18 ± 0,04 си2/с в неоне. Измеренные значения хорошо согласуются со справочными данными. Вычисленные по приближенной формуле из [15] соответствующие значения диффузионных коэффициентов Na* составляют 0,55 сн2/с в гелии и 0,20 смг/с в неоне.

В Заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Предсказан новый фотогальванический эффект - светоин-дуцированный ток в разреженном газе. Показано, что эффект может стать основой нового метода внутридопплеровской спектроскопии атомов.

2. Получено выражение для величины тока с учетом влияния самосогласованного электрического поля на движение ионов. В гидродинамическом приближении величина эффекта вычислена с учетом тормозящих упругих столкновений, в т.ч. резонансной перезарядки ионов.

3. Проведен анализ эффекта в трехуровневой системе в учетом оптической накачки. Показано, что в пролетной ситуации оптическая нахачка приводит к дополнительному (помимо полевого) уширению беннетовских структур, показано, что для случая возникновения ионов по механизму ассоциативной ионизации из возбужденного состояния величину тока можно связать просткк феноменологическим соотношением с поглощенной в ячейке мощностью излучения.

4. Разработана методика и создана экспериментальная установка для регистрации и исследования эффекта. Впервые зарегистрирован эффект светоиндуцированного тока на примере паров натрия.

5. Показано, что в широком диапазоне экспериментальных условий величина эффекта, его знак, зависимости от знака волнового вектора, от отстройки частоты излучения относительно центра линии, от давления буферного газа, от

интенсивности резонансной флуоресценции хорошо согласуются с теорией и разработанными представлениями о природе эффекта, измеренные на основе проведенных экспериментов коэффициенты диффузии ионов Na* в гелии и в неоне хорошо согласуются со справочными данными.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

AI. Атутов С.Н., Ермолаев И.М., Шалагин A.M. Светоиндуциро-ванный ток в разреженном газе. - Письма в ЖЭТФ, 1984, т. 40, вып. 9, С. 374 - 377. А2. Ермолаев И.И. Теория светоиндуцированного тока в разреженных газах в плазменных условиях. - Автометрия, 1985, № 4, С. 80 - В5. A3. Атутов С.Н., Ермолаев И.М., шалагин A.M. светоиндуциро-ванньгй ток в разреженном газе. - В кн.: Тез. докл. 12 Бсесоюз. конф. по когерентной и нелинейной оптике, ч.2. Москва, 1985, С. 626 - 627. A4'. Атутов С.Н., Ермолаев И.М., Иалагин A.M. Светоиндуциро-ванный ток а парах натрия. - ЖЭТФ, 1986, т. 90, вып. б, с. 1963 - 1971.

А5. Атутов С.Н., Ермолаев И.М, Частотна* зависимость эффехта светоиндуцированного тока в парах натрия. - Новосибирск, 1991, - 11 с. (Препринт/Институт автоматики и электрометрии СО АН СССР: » 447.).

Цитированная литература

1. Гельмуханов ф.х., Шалагин A.M. Светоиндуцированная диффузия газов. - Письма в жэтф, 1979, т..29, вып. 12, с. 773-776.

2. Анцыгин В.Д., Атутов С.Н., Гельмуханов Ф.Х., Телегин г.г., Шалагин A.M. Светоиндуцированная диффузия паров натрия - Письма в ЖЭТФ, 1979, т. 30, вып. 5, с. 262-265.

3. Chapovsky P.L. , Shalagin A.M., Panfilov V.N., Strunin V.P. Light-Induced Drift of CH3F Molecules. - Opt. Comm., 1981, v. 40, N. 5, p. 129 - 134.

4. Атутов С.Н., Подъячев С.П., шалагин A.M. Индуцированное излучением диффузионное втягивание паров натрия в световой пучок. - ЖЭТФ, 1986, T 91, вып 8, С. 416 - 427.

5. Гельиуханов Ф.Х., Ильичев Л.В. Светоиндуцнрованные вихри в газе. - Изв. АН СССР. Мех. жидк. и газа, 1985, »2, с. 118 - 125.

6. Гельмуханов Ф.Х. Возбуждение звука светом. - ДАН СССР, 1984, Т. 274, » 2, С. 308 - 311.

7. Гельмухаков Ф.Х.,Пархоменко А.И., Прокопьев В.Е., Шалагин A.M. Столкновительно-радиационное охлаждение и нагрев газа. - квантовая электроника, 1980, т. 10, вып. 10, С. 2246 - 2248.

8. Гельиуханов Ф.Х., Шалагин A.M. Светоиндуцированный ток в слабоионизированной плазме. - Квантовая электроника, 1981, т. 8, вып.з, с. 590 - 594.

9. Пархоменко А.И., Прокопьев В.Е. Светоиндуцированная ЭДС в газах. - оптика и спектроскопия, 1982, т. 53, вып. 6, с. 1000 - 1004.

10. Очкин В.Н., Преображенсхий Н.Г., Соболев H.H., Шапарев Н.я. Оптогальванический эффект в плазме и газе. - УФН, 1986, т. 148, вып. 3, с. 473 - 507.

11. Шалагин A.M. Светоиндуцированный дрейф и его проявления, в частности, в астрофизике. - УФН, 1989, т. 157, вып. 3, С. 547 - 550.

12. Гельиуханов Ф.Х. Газовая кинетика в поле лазерного излучения. Автометрия, 1985, № 1, с. 49 - 77.

13. Цендин Л.Д. Переход плазмы низкого давления в высоко-ионизованное систояккс. - 5ТФ; 1972, т. 43, вып. 8, с. 1595 - 1602.

14. Шапиро д.А. Дуга низкого давления в поперечном газовом потоке. - ЖТФ, 1985, Т. 55, ВЫП. 10, с. 1913 - 1919.

15. ( Кикоин И.К. Таблицы физических величин. Справочник. -

М.I Атомиздат, 1976, - 1008 с.