Введение к работе
іГтзуД{Актуальность проблемы. Нелинейная спектроскопия - это
' совокупность методов измерения и вычисления нелинейных
восприимчивостей различных сред в резонансных условиях. На основе расчетов можно извлекать из измеренных зависимостей выходных параметров излучения от входных информации как о внутренних характеристиках отдельных атомов, так и об их окружении: внешних полях, столкновениях, движении. Выделение нелилейной спектроскопии в отдельную область исследований можно отсчитывать с открытия узких резо-нансов насыщения в спектрах поглощения и усиления газов на фоне широкого допплеровского контура. Вторым вакным классом явлений нелинейной спектроскопии стали нелинейные интерференционные эффекты (двухфотонные резоналсы), связанные с интерференкней волновых функций квантовых состояний атомов из-за их перемешивания резонансным полем. Наряду с полевым расшеплением уровней, эти эффекты составляют основу нелинейной спектроскопии неподвижных невзаимодействующих атомов. Учет таких явлений, как спонтанное излучение, поляризация света, движение излучателей, парные столкновения и т.п. превратил нелинейную спектроскопию в прецизионный метод измерений. Основные ее приложения связаны как с физикой лазеров, так и с диагностикой различных сред с предельно высокими чувствительностью, разрешением и точностью, измерением фундаментальных физических постоянных и проверки основных физических законов .
К середине 70-х годов нелинейная спектроскопия стала вполне разработанной областью исследований конденсированных сред и газов1. Среди достижений нелинейной спектро-
'Летохов B.C., Чеботаев В.П. Приникли нелинейной лазерной спектроскопии.- И.:Наука, 1975. - 279 С. Раутиан С.Г., Смирнов Г.И., Шаяагин A.M. Нелинейные резонансы в спектрах атомов и молекул. - Новосибирск: Наука, 1979. - 310 С.
скопни твердого тела можно отметить, например, спектроскопию фононов, поляритонов, эеснтонов и других элементарных возбуждений, а также центров окраски в кристаллах. 6 жидкости измерены спектроскопически, в частности, параметры сверхбыстрых пикосекундных релаксационных процессов (дефаэировки колебаний, коллективных биений, переноса энергии, распада заселенностей колебательных состояний) в органических растворителях. В спектроскопии газов была подробно изучена роль столкновений в поле лазерного излучения.
В то хе время нелинейная спектроскопия плазмы была разработана гораздо менее глубоко и детально по сравнению со случаем газов. Интерес к плазме в качестве активной среды возник сразу же после появления ионных лазеров2. Эксперименты по спектроскопии насыщения переходов иони--зованного аргона доказали, что провал в спектре генерадии одночастотного ионного лазера в несколько раз шире, чем следует из теории Лэмба, предназначенной для лазеров на нейтральных атомах. На необходимость разработки методик нелинейной спектроскопии плазмы указывалось также в работах по диагностике плазмы. Эти методики предлагалось применять как более точные по сравнению с линейными и позволяющие обнаружить новые эффекты, например, непосредственно наблюдать динамику ионного микрополя3.
Главной особенностью иона по сравнению с нейтральным атомом является электрический заряд и как следствие сильное влияние на его движение внешних электрических, магнитных полей и дальне-действующего кулоновского взаимодействия с другими заряженными частицами. , В газораэ-
2Bridges W.B. Laser oscillation in singly ionized argon in the visible spectrum// Appl.Phys.Lett. - 1964. - V.4, No7. - P.128-130. [Erratum: Appl.Phys.Lett.- 1964. -V.&, No2.- P.39].
Барышников Ф.Ф., Лисила B.C. Контуры атомных линий поглощения лазерного излучения в плазме// Физика плазмы. - 1977. - Т.З, Вып.2. С.701-709.
рядной плазме, в отличие от традиционных газовых сред, могут существовать коллективные колебания электрического поля, распространяться волны, раскачиваться неустойчивости. Взаимодействие излучения с плазменными волнами и флуктуацияки поля также отражается на форме спектральных резонансов. Решению этого круга задач и посвящена данная диссерталия. Описаны также приложения нелинейной, спектроскопии низкотемпературной плазмы к физике ионных лазеров.
Цель работы заключается в построении теории нелинейных резонансов в ионных спектрах плазмы, в частности, плазмы ионных лазеров. Решение этой проблемы включало следующие этапы:
исследование влияния постоянных внешних полей на ионные спектры,
выявление роли колебаний плазмы в формировании нелинейных спектральных резонансов,
изучение кулоновских ион-ионных столкновений и их действия на спектры,
обработка и интерпретация данных измерения контура провала Лэмба, нелинейного резонанса в спектрах генерации и спонтанного излучения в присутствии сильного поля на смежном переходе,
разработка теория сильноточного газового разряда с учетом нарушения симметрии поперечным потоком и повторной ионизании,
— установление физической природы неустойчивости плазмы
ионных лазеров.
Научная новизна работы определяется ее основными положениями:
1. Статическое или квазистатическое электрическое поле обуславливает уширение и расщепление резонансов в ионных спектрах генерации за счет ускорения. В высокочастотном поле плазменных колебаний возможно резонансное параметрическое рассеяние фотонов на плазмонах. Сильное импульсное поле может инвертировать населенности
состояний.
-
В магнитном ноле ионные спектры расщепляются на эквидистантную решетку циклотронных резонансов, причем расстояние между соседними компонентами в нелинейных спектрах вдвое меньше, чем в линейных. Характерными особенностями циклотронных резонансов являются сильная пространственная анизотропия и резкое увеличение коэффициента усиления в центре линии. Наличие у иона ядерного спина служит причиной появления нелинейных резонансов в излучении с круговой поляризацией.
-
Флуктуадионные продольные электрические поля заряженных частил в плазме вызывают диффузионное блуждание пробного иона в пространстве скоростей при рассеянии на ионах в основном состоянии. За счет диффузии начинается заметное кулоновское ушкрение нелинейных резонансов насыщения, уменьшение амплитуды нелинейных интерференционных пкчков. С полевым уширекием кулоновское складывается неаддитивно. Кроме распределения населенностей по скоростям кулоновское рассеяние заряженных частил влияет также на фазу излучения, что проявляется в дополнительном затухании сигнала светового эха я сужении контура линейного поглощения.
-
Помимо диффузии, на излучающий ион в плазме действует динамическая сила трения, приводящая к сужению, сдвигу и появлению асимметрии нелинейных резонансов в схеме пробного поля. Кулоновсхие эффекты могут применяться для диагностики ионных концентраций в низкотемпературной плазме, увеличения мощности генерации комбинационных ионных лазеров.
Б, В режиме сильной ионизации в газовом разряде низкого давления возникают новые эффекты: смещение максимума плотности заряженных частил навстречу потоку, провал в пространственном распределении ионов за счет рождения ионов высшей кратности, появление в приосевой области
разряда ионоз со скоростями, направленными от стенки к оси.
6. Высокочастотная ионно-акустическая токовая неустойчивость частично ионизованной плазмы имеет непрерывный спектр, а низкочастотная - дискретный за счет отражения волн от границ разрядной трубки. ВЧ колебания раскачиваются вследствие неравновесности функции распределения заряженных частил по скоростям, а НЧ ветвь - из-за гидродинамической неустойчивости. Те и другие неустойчивости имеют порог на ява порядка больший, чем в известном случае сильно неизотермической неограниченной однородной плазмы.
Практическая значимость результатов диссертации заключается в возможности применения их для оптимизации параметров ионных лазеров, создиния новых ультрафиолетовых комбинационных лазеров повышенной мощности и разработки методик диагностики низкотемпературной плазмы на основе спектроскопии купоновского уширения.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международной конференции по квантовой электронике и лазерам (Анагейм, 1992); XV (Минск, 1981), XIX (Белград, 1989) и XX (Пиза, 1991) Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах; IX (Торунь, 1988), X (Остин, 1990) и XI (Иарсель, 1992) Международных конференциях по форме спектральных линий; X (Киев, 1980), XII (Москва, 198S) Всесоюзных и XIV (Санкт-Петербург, 1991) Международной конференциях по когерентной и нелинейной оптике; XXVI Международном коллоквиуме по спектроскопии (София, 1989), I Международной конференции по физике плазмы (Киев, 1987), II Симпозиуме по лазерной спектроскопии (Печ, 1989), X Международной Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск, 1990), VI Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Ленинград, 1983), III Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1982), XX Всесоюзном съезде по спектроскопии (Киев, 1988), III Всесоюзном симпозиуме по све-
товому эху и хогерентнон спектроскопии (Харьков, 1985), IV Всесоюзном симпозиуме "Световое эхо и его применения" (Куйбышев, 1989), Всесоюзных совещаниях "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск, 1986) и "Активные среды плазменных и газоразрядных лазеров" (Гродно, 1987), а также на семинарах "Элементарные процессы в плазме - процессы с участием вы-соховоэбузденншс атомов" (Новосибирск, 1986), "Спектроскопия низкотемпературной плазмы" (Петрозаводск, 1990), "Атомная спектроскопия" (Ростов Великий, 1990), Физико-технического института (Йена, ФРГ, 1988, 1990), Физического института им. П.Н.Лебедева, Московского государственного университета, Института химической кинетики и горения, Института автоматики и электрометрии СО РАН.
Структура и объем. Диссертация содержит введение, б глав, заключение, в котором перечислены основные положения, и 4 математических приложения. Обший объем диссертации составляет 315 си включает 40 рисунков и список литературы (249 наименований).
