Содержание к диссертации
Введение
1. Фотонное эхо в газе и оптическая обработка информации 19
1.1. Первичное и стимулированное фотонное эхо -19
1.2. Методика расчета параметров сигналов фотонного эха. Условия пространственного синхронизма 26
1.3. Основные спектроскопические понятия, используемые в диссертации при описании полученных результатов 32
1.4. Известные способы возбуждения сигналов фотонного эха в газовых средах 38
1.5. Современное состояние разработок оптических эхо-процессоров и дальнейшие перспективы 48
Глава 2. Методика и техника эксперимента по фотонному эхо в парах молекулярного йода 56
2.1. Характеристика резонансной газовой среды. 56
2.2. Методика и техника подготовки резонансной среды - паров молекулярного йода 72
2.3. Оптический экспериментальный комплекс для исследования фотонного эха 77
2.3.1. Блок схема оптического экспериментального комплекса для исследования охлаждающих сверхзвуковых струй паров молекулярного йода в технике фотонного эха 79
2.3.2. Экспериментальный комплекс для исследования поляризационных свойств фотонного эха в продольном однородном магнитном поле 87
2.3.3. Оптический экспериментальный комплекс для исследования амплитудно-временных свойств фотонного эха 90
2.3.4. Экспериментальный комплекс для исследования свойств фотонного эха и разработки методов оптической обработки информации на их основе 91
2.4. Многократное фотонное эхо в парах молекулярного йода и его применение в технике эксперимента по фотонному эхо в газе
2.5. Особенности методики регистрации фотонного эха в парах молекулярного йода в зависимости от их давления
2.6. Методика и техника исследований поляризационных свойств фотонного эха в газе при воздействии продольного магнитного поля
2.7. Контрольно-измерительная аппаратура и методика измерений в экспериментах по фотонному эхо в парах молекулярного йода.
Глава 3. Фотонное эхо в охлаждающих сверхзвуковых струях паров молекулярного йода .
3.1. Методика формирования охлаждающихся сверхзвуковых струй паров молекулярного йода.
3.2. Методика эксперимента по исследованию паров молекулярного йода в сверхзвуковых молекулярных струях .
3.3. Измерение однородной ширины спектральной линии паров молекулярного йода, охлаждающихся в сверхзвуковой струе.
Глава 4. Оптическая обработка информации на основе амплитудно-временных свойств фотонного эха
4.1. Эффект корреляции амплитудно-временных форм сигнала первичного фотонного эха и первого возбуждающего импульса-кода в молекулярном газе
4.2. Эффект корреляции амплитудно-временных форм сигнала стимулированного фотонного эха и второго возбуждающего импульса-кода
4.3. Эффект ассоциативности фотонного эха: теоретическое предсказание и экспериментальное обнаружение
4.4. Амплитудно-временные свойства фотонного эха при формировании его на квантовых переходах различных типов ветвей
4.5. Метод оптической обработки информации составного первого возбуждающего импульса-кода на основе амплитудно-временных и 162 поляризационных свойств ФЭ 164
4.6.0птический эхо-процессор с ассоциативным доступом к информации 168
Глава 5. Поляризационные свойства фотонного эха в парах молекулярного йода при воздействии продольного однородного магнитного поля . 168
5.1. Эффект нефарадеевского поворота первичного фотонного эха в молекулярном газе. 175
5.2. Нефарадеевский поворот вектора поляризации стимулированного фотонного эха. 180
5.3. Визуальный метод идентификации типа ветви резонансной спектральной линии. 187
5.4. Амплитудно-временные свойства фотонного эха при его возбуждении составным импульсом-кодом в продольном магнитном поле. 191
5.5. Методика регистрации угла нефарадеевского поворота вектора поляризации фотонного эха при произвольных значениях напряженности магнитного поля. 198
Глава 6. Принципы зондирования атмосферы с помощь оптического эхо-лидара 198
6.1. Обоснование применения фотонного эха для зондирования атмосферы 200
6.2. Сигналы фотонного эха и их свойства
6.3. Возможные схемы реализации лидара на основе фотонного эха 204 (ФЭ-лидара) 211 Заключение. 214
Примечание 215
Литература
- Методика расчета параметров сигналов фотонного эха. Условия пространственного синхронизма
- Оптический экспериментальный комплекс для исследования фотонного эха
- Методика эксперимента по исследованию паров молекулярного йода в сверхзвуковых молекулярных струях
- Эффект корреляции амплитудно-временных форм сигнала стимулированного фотонного эха и второго возбуждающего импульса-кода
Введение к работе
Актуальность темы. Тема диссертации посвящена проблеме разработке физических основ оптической обработки информации в газе на основе техники фотонного эха (ФЭ) и связана с исследованием поляризационных и амплитудно-временных свойств ФЭ, возбуждаемого временной кодовой последовательностью лазерных импульсов как с простым, так и с составным импульсом-кодом, при отсутствии и наличии магнитного поля. Исследования проводились в парах молекулярного йода, находящихся в состоянии термодинамического равновесия или охлаждающихся в сверхзвуковой струе. Результаты работы предназначены для формирования фундаментальных основ создания новейших оптических средств вычислительной техники и отечественного приборостроения, выработки подходов для разработки конкурентоспособных информационных технологий. В силу своей актуальности выполненные исследования относятся к приоритетным направлениям современной российской науки.
В настоящее время известно много работ в области оптической эхо-спектроскопии твердого тела и газов. В области оптической обработки в основном ведутся исследования в твердотельных средах, находящихся при низких (гелиевых) температурах. Для газов все известные эксперименты выполнены в средах, находящихся при температурах в несколько сотен градусов по шкале Цельсия. Большое количество экспериментальных работ в газе и твердом теле показывают возможность обработки информации за счет модуляции одного из многих параметров ФЭ. Это может быть волновой фронт оптического сигнала при решении голографических задач как одноцветных [1, 2], так и многоцветных [3]. Используются свойства ФЭ, связанные с частотным размещением данных [4] и с управлением процессом оптической обработки информации путем варьирования частоты возбуждения [5] и воспроизведением и преобразованием информации, содержащейся в амплитудно-временной форме возбуждающих импульсов [6-9]. Известны работы по оптической обработке в технике ФЭ плоских транспарантов [10]. Ряд экспериментальных работ по долгоживущему ФЭ [11, 12], аккумулированному ФЭ [13] многократному считыванию информации в сигнале ФЭ [14], многоканальному по направлению тыванию информации в сигнале ФЭ [14], многоканальному по направлению распространения ФЭ [15] экспериментально показывают перспективу создания конкурентоспособной памяти на ФЭ. Имеются теоретические [16-21] работы о наличии специфического поворота вектора поляризации ФЭ в газе при воздействии продольного магнитного поля и их экспериментальное подтверждение для первичного ФЭ [22, 23]. Работы по созданию квантовой памяти на основе однофотонного возбуждения эхо-сигнала или под воздействием оптического импульса-кода малой импульсной площади [24, 25] задают мировой приоритет исследованиям по оптической обработке информации при создании оптической квантовой памяти на основе газовых сред.
Большинство всех известных экспериментов демонстрируют обработку информации, представленной в одном из параметров оптического сигнала. В силу особой сложности процесса возбуждения сигнала ФЭ перспективы применения этого явления в элементарных операциях обработки информации низки, поскольку есть простые наиболее надежные физические эффекты, которые быстрее всего будут востребованы в оптическом компьютере массового спроса и при решении специальных задач. Без исследования мультиплексного (многообразного) проявления свойств ФЭ, одновременно используемых при решении задач оптической обработки информации, невозможно обеспечить преимущества техники ФЭ перед другими методами, применяемыми в решении данных задач. В то время как хорошо экспериментально изучены возможности техники ФЭ по обработке информации, представленной в одном из параметров оптического сигнала, до сих пор не разработаны физические основы ее оптической обработки, использующей одновременную зависимость информации, воспроизводимой в сигнале ФЭ, от множества параметров возбуждающих импульсов и условий его формирования, являющиеся качественным показателем, дающим превосходство и обеспечивающим конкурентоспособность техники ФЭ при оптической обработке информации специального вида. Потому выполненное диссертационное исследование, посвященное обнаружению свойств и особенностей формирования ФЭ в газе и их мультиплексному прояв лению при оптической обработке информации, является востребованным современной наукой, а тема диссертации - актуальной.
Цель и задачи диссертационного исследования. Целью диссертации является экспериментальное исследование поляризационных и амплитудно-временных свойств ФЭ в молекулярном газе и разработка физических основ оптической обработки информации на основе этих свойств.
Поставленные задачи потребовали:
- изучения паров молекулярного йода с точки зрения требований, предъявляемых к носителю информации при ее оптической обработке, включая возможность формирования ФЭ при термодинамическом равновесии паров и при их быстром охлаждении во время движения в сверхзвуковой струе;
- исследования амплитудно-временных свойств ФЭ и возможности осуществить на их основе оптическую обработку информации, содержащейся в амплитудно-временных формах двух поляризационных компонент составного первого возбуждающего импульса-кода, при переключении резонансных спектральных линий, относящихся к различающимся типам ветви, а также путем изменении напряженности приложенного магнитного поля или направления вектора линейной поляризации второго возбуждающего импульса;
- осуществления идентификации типов ветви как одиночных, так и попарно задействованных квантовых переходов на основе техники ФЭ;
- выполнения исследовательских работ по совершенствованию техники и методики эксперимента по фотонному эху, вызванных необходимостью достижения поставленной цели.
Объект исследования. Объект исследования включает явление ФЭ в газе, лежащее в основе поставленной проблемы формирования физических, основ оптической обработки информации в газе на его основе. Исследовались амплитудно-временные и поляризационные свойства ФЭ. Разрабатывались методики и проводились исследования паров молекулярного йода как носителя информации при ее оптической обработке в технике ФЭ.
Научная новизна.
Впервые экспериментально обнаружено ФЭ в парах молекулярного йода, быстро охлаждающихся в сверхзвуковой струе, и при его исследовании обнаружен эффект сужения однородной ширины спектральной линии паров, продемонстрирована связь степени их охлаждения при движении в сверхзвуковой струе с интенсивностью упругих деполяризующих столкновений частиц газа.
Впервые экспериментально обнаружен эффект нефарадеевского поворота вектора поляризации стимулированного ФЭ (СФЭ) в газе при наличии продольного однородного магнитного поля. Выявлены соотношения интенсивно-стей сигналов ПФЭ и СФЭ, регистрируемых в фиксированной плоскости поляризации, испытавших этот поворот вектора поляризации, специфичный для различных типов ветви резонансного квантового перехода.
Впервые экспериментально обнаружен эффект ассоциативности ФЭ, показавший возможность одновременной записи и поэлементного считывания в эхо-сигнале по поляризационному признаку информации, содержащейся в амплитудно-временных формах и ортогонально ориентированных направлениях вектора поляризации двух лазерных импульсов, составивших первый возбуждающий импульс-код.
Экспериментально обнаружены новые амплитудно-временные свойства ФЭ и показана возможность их использования в оптической обработке информации, содержащейся в амплитудно-временных формах двух компонент, составляющих первый возбуждающий импульс-код и имеющих различные направления вектора линейной поляризации. Эти результаты получены при изменении направления вектора линейной поляризации второго возбуждающего импульса или напряженности приложенного магнитного поля, а также путем переключении резонансных спектральных линий, относящихся к различающимся типам ветви.
Научно обосновано использование паров молекулярного йода в качестве носителя информации при ее оптической обработке в технике ФЭ. При этом выявлены спектральные линии этих паров с высоким поглощением света в ви димой области спектра, для которых измерены их однородные ширины. Предложена методика определения допустимых значений резонансного газа в экспериментах по ФЭ, измерены значения этих давлений и соответствующих им комнатных температур, при которых регистрировался эхо-сигнал.
Впервые экспериментально обнаружено многократное ФЭ в газе, возбуждаемое продольно бегущими волнами, позволившее оптимизировать протяженность резонансной среды, составившую 0,1 - 0,35 м.
Разработаны оригинальные решения в технике и методике эксперимента по ФЭ. Экспериментально реализована временная последовательность строенных лазерных импульсов с плавно изменяемыми электронным способом частотой возбуждающего излучения и интервалами между ними, включая импульс-код, составленный из двух импульсов, линейно поляризованных в различных направлениях и имеющих отличающиеся амплитудно-временные формы. Предложены аппаратура и методики экспериментального исследования нефарадеев-ского поворота вектора поляризации ФЭ, методика регистрации характеристик охлаждающихся в сверхзвуковой струе паров молекулярного йода на основе ФЭ. На Защиту выносятся следующие положения:
1. Двухимпульсное резонансное возбуждение паров молекулярного йода, быстро охлаждающихся в сверхзвуковой струе, приводит к генерации ими первичного фотонного эха с существенно более длинным временем затухания, что свидетельствует об охлаждении этих паров и сужении однородной ширины спектральной линии по сравнению с их состоянием термодинамического равновесия.
2. Сигнал фотонного эха в газе обладает эффектом ассоциативности, а роль "ключа" при расшифровке кодированной пространственно-временной амплитудной формы эхо-сигнала играет задаваемая во втором возбуждающем импульсе поляризация, совпадающая с вектором поляризации одной из компонент, составляющих импульс-код. При этом изменением направления вектора поляризации второго возбуждающего импульса, ориентированного внутри угла, образованного векторами поляризации этих двух компонент, возможна оптическая обработка информации, содержащейся в их амплитудно-временных формах.
3. Двух- и трехимпульсное резонансное возбуждение паров молекулярного йода, находящегося в продольном однородном магнитном поле, вызывает генерацию сигналов первичного и стимулированного фотонного эха, вектор поляризации которых повернут по отношению к тем же сигналам в отсутствие магнитного поля. Данный эффект позволяет за один акт формирования сигналов фотонного эха осуществлять идентификацию типа ветви резонансного квантового перехода по соотношению интенсивностей этих сигналов, регистрируемых в фиксированной плоскости поляризации.
4. При возбуждении эхо-сигнала составным первым возбуждающим импульсом-кодом и линейно поляризованным вторым импульсом проявляются новые амплитудно-временные свойства ФЭ, регистрируемого в фиксированной плоскости поляризации. На основе этих свойств можно осуществлять идентификацию типа ветви квантового перехода по амплитудно-временной форме эхо-сигнала и вести оптическую обработку информации, содержащейся в амплитудно-временной форме импульса-кода, путем переключения типа ветвей, к которым относятся задействованные пары квантовых переходов, или за счет варьирования напряженности продольно приложенного к резонансной среде однородного магнитного поля.
5. Пары молекулярного йода по спектроскопическим характеристикам и условиям приготовления являются приемлемым и надежным носителем информации при ее оптической обработке в технике ФЭ, при этом двухимпульс-ное резонансное возбуждение протяженной газовой среды продольно бегущими волнами вызывает устойчивое формирование в ней сигнала многократного ФЭ.
6. Разработанный оригинальный оптический экспериментальный комплекс для исследования фотонного эхо позволяют формировать временную последовательность трех наносекундных лазерных импульсов с требуемыми спек тральными характеристиками, заданной модуляцией поляризации и амплитудно-временной формы, производить оптическую обработку информации в парах йода, находящихся в состоянии термодинамического равновесия или быстро охлаждающихся в сверхзвуковой струе, при наличии и отсутствии магнитного поля.
Научная и практическая значимость. Предложена и экспериментально реализована на примере паров молекулярного йода методика комплексного исследования носителя информации, в котором производится оптическая обработка информации в технике ФЭ. Показано, что в парах молекулярного йода, работающих при комнатных температурах, возможна оптическая обработка информации, содержащейся во временных последовательностях лазерных импульсов, протяженность которых на порядок превышает длительность возбуждающих импульсов. Методика формирования ФЭ в парах молекулярного йода, охлаждающихся в сверхзвуковых струях, применима для оптической обработке в них информации без снижения интенсивности эхо-сигнала при повышении оптической плотности резонансной газовой среды.
Поляризационные свойства ФЭ, возбуждаемого временной кодовой последовательностью лазерных импульсов как с простым, так и с составным импульсом-кодом, при отсутствии и наличии магнитного поля, применены в основе методик идентификации типов ветви одиночных и попарно задействованных квантовых переходов. Эти свойства ФЭ перспективны при создании оптической памяти с ассоциативным доступом к информации и при выполнении исследований по созданию оптического эхо-процессора специального назначения, а также при реализации однопроходного и двухпроходного зондирования атмосферы.
Разработанный экспериментальный комплекс для исследования ФЭ в парах молекулярного йода включает практическую реализацию требований, предъявляемых к устройствам оптической обработке информации на основе техники ФЭ в газе.
Методы исследования. Методологическую основу исследований составляет комплекс теоретических и экспериментальных знаний о явлении ФЭ, формируемого в газовых и твердотельных средах, опубликованных в общепризнанных научных монографиях и журналах. В процессе исследований использовались метод экспериментального моделирования и наблюдения ФЭ в парах молекулярного йода при различных условиях его возбуждения. Применялось компьютерное моделирование процессов формирования эхо-сигналов с целью выявления исследуемых зависимостей параметров ФЭ от условий их возбуждения. Был разработан и использовался оптический экспериментальный комплекс для исследования поляризационных и амплитудно-временных свойств ФЭ, возбуждаемого временной кодовой последовательностью, включающей простой или составной импульс-код, с учетом воздействия магнитного поля и без него. Использовались методики формирования ФЭ в парах молекулярного йода, находящихся в состоянии термодинамического равновесия или быстро охлаждающихся в сверхзвуковой струе.
Связь с базовыми научными направлениями и программами. Тема исследований поддержана рядом научных фондов, научно-технических программ и решением Директивных органов СССР:
- Российским фондом фундаментальных исследований в виде грантов № 96-02-18223а (1996-1998 г.г.) по теме: «Поляризационные свойства ФЭ в электрическом и магнитном поле», № 00-02-16234а (2000-2002 г.г.) по теме: «Деполяризующие столкновения и информативные свойства ФЭ в парах молекулярного йода в режиме лазерного охлаждения», № 03-02-17276 по теме: «Фундаментальные физические проблемы построения квантовых компьютеров на основе гиперкомплексных взаимосвязей характеристик ФЭ»;
- Научно-технической программой «Фундаментальные исследования высшей школы в области естественных наук. Университеты России» в 2000-2001 г.г. по теме: «Пространственно-временные и поляризационные свойства ФЭ в постоянном продольном магнитном поле в парах молекулярного йода» (код проекта 015.01.01.68), в 2002-2003 г.г. по теме: «Пространственно временные и поляризационные свойства стимулированного ФЭ в постоянном продольном магнитном поле в парах молекулярного йода» (код проекта 01.01.048);
- Научно-технической программой Гособразования СССР «Оптические процессоры» во исполнение приказа № 691 от 25.08.89г. по теме: «Разработка физических принципов газового оптического эхо-процессора";
- Научно-технической программой «Оптический процессор» во исполнение распоряжения Комитета высшей школы РФ от 15.02.93. №834 по теме: «Физические принципы построения оптического газового процессора на фотонном эхо»;
- Заказ-нарядом Министерства образования РФ в 2000 г. по теме: «Лазерное охлаждение материалов, нагреваемых при выработке и передаче электрической энергии»;
- Заказ-нарядом Министерства образования РФ в 1996-1999 годах по теме: «Электрофизические особенности формирования ФЭ в газе»;
- Заказ-нарядом Комитета высшей школы РФ в 1992-1995 годах по теме: «Когерентная спектроскопия газов»;
- Научно-технической программой «Сверхбыстродействующая оптическая вычислительная машина» в 1990 г. по теме: «Исследование возможности создания ассоциативной оптической памяти на фотонном эхо».
- Научно-технической программой, выполняемой по решению Директивных органов СССР в 1985-1989 годы по теме № 8/85, выданной и/я А-7094 для Марийского государственного университета.
В силу вышесказанного, тема диссертации актуальна и значима. Достоверность. Достоверность полученных результатов гарантирована надежностью использованной аппаратуры и надежностью методики получения экспериментальных данных. Эти данные всегда соотносились с результатами экспериментов на других энергетических переходах (Brewer R.G., Genack A.Z., 1976; Nakatsuka Н. et.al., 1983) и всегда имело место согласование по порядку значений. Качественные результаты обнаружения нефарадеевского поворота вектора поляризации в парах молекулярного йода находятся в согласии с результатами теоретического предсказания и с подобным экспериментом в парах атомарного цезия (Ваег Т., Abella I.D., 1997) и атомарного иттербия (В.Н. Ищенко, С.А. Кочубей, Н.Н. Рубцова,Е.Б. Хворостов, И.В. Евсеев, 2002)..
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на III и IV Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлектронике «Проблемы оптической памяти» (Ереван-1987, Москва-1990), III Всесоюзной научно-технической конференции "Метрология в дальнометрии" (Харьков, 1988), на III Всесоюзном симпозиуме «Световое эхо и пути его практических применений» (Куйбышев, 1989), на IV, V, VI и VII Международном Симпозиуме по фотонному эха и когерентной спектроскопии (Дубна-1992, Москва-1993, Йошкар-Ола-1997, Новгород Великий - 2001), на VI Всесоюзной конференции по голографии (Витебск), 1990, на XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград ,1990), на I, V , IX ,Х Международной конференции "Laser Physics" (Волга-Лазер-Тур Москва-1993, Москва-1996, Москва-2001, Братислава-2002), XIII, XV, XVII, XIX Международной межвузовской школе-семинаре "Методы и средства технической диагностики" (Йошкар-Ола, 1996, 1998, 2000, 2002), на I, II, III, IV, VI, VII, VIII Всероссийских молодежных научных школах "Когерентная оптика и оптическая спектроскопия" (Казань, 1997, 1998, 1999, 2000, 2002, 2003, 2004), Всероссийской научной конференции "Структура и динамика молекулярных систем" (Йошкар-Ола-Казань-Москва, 1998), Международных научных конференциях "Lasers 98", (McLean, USA, 1998), "Lasers 99" ( Quebec, Canada, 1999), "Lasers 2000" ( Mexico, USA, 2000), на VII,VIII и IX Международных Чтениях по квантовой оптике «IRQO 99» (Казань - 1999), «IRQO01» (Казань - 2001), «IRQO 03» (Санкт-Петербург-2003), на Международном оптическом конгрессе "Оптика-XXI век": конференция "Фундаментальные проблемы оптики" ФПО - 2000 и ФПО -2004 (Санкт-Петербург-2000, 2004), на Международной конференции «Лазерная физика и применения лазеров» (Минск-2003).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 77 научных публикациях, в том числе в 73 научных статьях, среди которых имеются 23 статьи в реферируемых журналах, рекомендуемых ВАК МОН РФ для публикации материалов докторских диссертаций, 3 патента (авторских свидетельства) на изобретение, 28 статей - в зарубежных журналах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа объёмом 239 страниц состоит из введения, шести глав, заключения, примечания и списка использованной литературы. Работа содержит 55 рисунков, 2 таблицы. Список литературы включает 243 наименований.
Краткое содержание диссертации. Во введении кратко освещено современное состояние исследований по теме диссертации и обоснована ее актуальность, сформулированы цели работы и основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна полученных результатов, кратко изложено содержание диссертации. В первой главе дано общее представление о сигналах ФЭ и особенностях его формирования в резонансной газовой среде, приведены условия формирования и методикам расчета откликов ФЭ в газе. Приводятся основные спектроскопические понятия и математические соотношения, используемые в диссертационном исследовании. Проведен обзор современного состояния исследований по оптической обработке информации на основе техники ФЭ. Произведен сравнительный анализ основных экспериментальных результатов по оптической обработке информации в технике ФЭ, выполненных в твердом теле и газовой среде.
Во второй главе диссертации произведены выбор и исследование резонансной газовой среды. В качестве носителя информации (резонансной среды) при оптической ее обработке в технике ФЭ выбраны пары молекулярного йода. Изучены спектральные линии паров молекулярного йода с высоким поглощением света в видимой области спектра и измерены их однородные ширины. Разработана методика определения газа в экспериментах по ФЭ. Описана рабочая ячейка с парами молекулярного йода, находящимися в состоянии термодинамического равновесия, и методика ее заполнения парами. Приведен спо соб изменения давления паров путем охлаждения части стеклянной ячейки с помощью микрохолодильника на эффекте Пельтье. Рассматривается режим прокачки паров молекулярного йода через рабочую ячейку. Описывается оригинальное техническое решение кюветы с парами молекулярного йода для исследования нефарадеевского поворота вектора поляризации ФЭ со встроенными внутри, на торцевых окнах, поляризационными призмами Глана, угол между направлениями которых может плавно меняться от 0 до 360 градусов. Приведено описание физики формирования сигнала многократного ФЭ в газе, возбуждаемого продольно распространяющимися бегущими волнами электромагнитного излучения, условия пространственного синхронизма этого эхо-сигнала и результатов первого эксперимента по его обнаружению. Описывается оптический экспериментальный комплекс для исследования ФЭ.
В третьей главе сообщаются результаты первого обнаружения ФЭ в охлаждающихся сверхзвуковых струях паров молекулярного йода и их спектроскопического исследования с целью разработки метода контроля упругих столкновений частиц паров, наиболее существенно влияющих на эффективность охлаждения газа. Приведены методики формирования охлаждающих сверхзвуковых струй паров молекулярного йода и техника выполнения в них эксперимента по ФЭ. Сообщается о результатах регистрации эффекта сужения однородной ширины резонансной спектральной линии паров молекулярного йода, охлаждающихся в сверхзвуковой струе.
В четвертой главе приведены результаты корреляции амплитудно-временной формы сигналов ПФЭ и СФЭ с возбуждающим импульсом-кодом, реализованные в режиме запирания формы ФЭ в парах молекулярного йода. Сообщается об обнаружении эффекта ассоциативности ФЭ, применимой для создания оптической памяти. Излагаются амплитудно-временные свойства ФЭ, проявляющиеся в изменении формы эхо-сигнала, возбуждаемого временной последовательностью лазерных импульсов с составным импульсом-кодом, после перевода резонанса на другой тип ветви одиночного или попарно задействованных квантовых переходов, при неизменности остальных условий экспе римента. Приведены результаты экспериментальной демонстрации метода оптической обработки информации, введенной в составной первый возбуждающий импульс-код, по направлению вектора линейной поляризации второго возбуждающего импульса на основе амплитудно-временных и поляризационных свойств ФЭ.
В пятой главе описаны результаты исследования поляризационных свойств ФЭ при воздействии на резонансную газовую среду продольного однородного магнитного поля, когда вектор поляризации сигнала ФЭ испытывает специфичный (нефарадеевский) поворот. Приводятся результаты наблюдения нефарадеевского поворота вектора поляризации первичного ФЭ в молекулярном газе, первого экспериментального обнаружения нефарадеевского поворота вектора поляризации стимулированного ФЭ, теоретического обоснования и экспериментального обнаружения визуального метода идентификации типа квантового перехода на основе нефарадеевского поворота векторов поляризации сигналов первичного и стимулированного ФЭ. Демонстрируются новые амплитудно-временные свойства ФЭ, возбуждаемого импульсом-кодом, составленным из двух одновременно подаваемых импульсов линейно поляризованных в ортогональных направлениях и имеющих отличающиеся амплитудно-временные формы, проявляющиеся под воздействием продольного магнитного поля. Показано применение этих свойств ФЭ в оптической обработке информации.
В шестой главе дана разработка методики зондирования атмосферы на основе оптического эхо-лидара, показывающая практическую значимость научных результатов, полученных в данной диссертации. Приведена блок-схема ФЭ-лидара. Лазерное зондирование атмосферы происходит так же, как в традиционном лидаре. Предполагается, что зондирующее лазерное излучение является импульсным. Прошедший через атмосферу лазерный сигнал будет выполнять роль первого импульса при возбуждении первичного ФЭ. Часть зондирующего излучения через блок синхронного запуска лазера на правляется на вход перестраиваемого лазера на красителе и вызывает генерацию второго импульса, необходимого для возбуждения ФЭ. Прошедшие среду возбуждающие сигналы отсекаются оптическим затвором, который пропускает на вход фотодетектора лишь сигнал ФЭ. С выхода фотодетектора электрический аналог сигнала ФЭ поступает в блок обработки эхо-сигналов. Сигналы ФЭ можно наблюдать также визуально на экране скоростного осциллографа. Во время работы в режиме эхо-голографии вместо фотодетектора следует использовать CCD-камеру. Также приведена блок-схема лидара с активным ФЭ-зеркалом.
Литература включает список цитируемых в диссертации источников.
Личный вклад автора в основные публикации. Диссертация написана на основе цикла работ, выполненных в 1988-2004 годах. Все основные результаты по теме диссертации опубликованы в работах [28-106].
Во всех перечисленных работах автор принимал непосредственное участие, причем вклад автора при постановке задачи, выполнении эксперимента или теоретического исследования, анализе полученных результатов был определяющим.
Методика расчета параметров сигналов фотонного эха. Условия пространственного синхронизма
Ниже мы следуем собственной теоретической работе [117]. Электрическое поле эхо-сигнала E0(jr0,t)B момент времени в точке наблюдения г0 (в направлении п единичного волнового вектора отклика) может быть рассчитано по формуле: (го,0 = -т-Х Pj(t)n\n\exp ш -(го-гу) (1.2.1) (. ; где Fj- радиус-вектор местоположения /-того диполя в системе координат, свя С - -занной с образцом; г0=пг0; Я = — к; к и ю- волновой вектор и несущая частота та эхо-сигнала; PJ(t) - среднее значение от второй производной по времени от электрического дипольного моментау -той частицы. Задача состоит в определении PJ(t), поскольку значение и направление неравномерного электрического диполя зависят от числа возбуждающих импульсов, временных интервалов между ними и релаксационных процессов, протекающих в этих интервалах.
Очевидно, на первом этапе начальные значения т равны нулю, и имеется лишь продольная компонента а0 . Итак, поэтапное использование формул (1.2.3) и (1.2.4) позволяет найти а± (0 и az (0 , а следовательно, и значение поля Ё(г0, t). Интенсивность когерентного отклика ЛІ{к) в единицу телесного угла АО в направлении волнового вектора к равна: AI(k) = E(r,t)E {r,t\ (1.2.5) где " "- знак комплексного сопряжения; с - фазовая скорость света. Использование формул (1.3.3) и (1.3.4) приводит при расчете к следующему выражению: А1(к) = /0 (к) F(t)F(t) AQ, (1.2.6) где 10(к)- интенсивность спонтанного излучения отдельного атома (молекулы) в единицу телесного угла АП в направлении волнового вектора к ; т = \Іе )сІ(Ао)МАсо) т+(Ао),і,Г;.) , (1.2.7) где N - число активных атомов (молекул). Дальнейший расчет требует проведения трех операций: а) интегрирование по параметру расстройки Асо\ б) суммирование по частицам; в) интегрирование по телесным углам. Операции "б" и "в" одинаковы как для твердых тел, так и для газов. Их выполнение достаточно подробно изложено в монографиях [111-114], и поэтому, мы их здесь излагать не будем. Остановимся, следуя [117], на выполнении операции "Л". При этом, как и положено для газов, воспользуемся мак-свелловским распределением частиц по скоростям. Особенность расчета [117] состоит в том, что под знаком интеграла по "А «у" сложные подынтегральные функции заменяются с высокой точностью на другие одинаково ведущие функции, интеграл от которых берется аналитически. Именно в аналитическом решении и состоит ценность приведенного в работе [117] расчета.
В работе [123] было теоретически показано, что с помощью стимулированного фотонного эха можно разделять вклады в однородную ширину линий упругих и неупругих столкновений. Так, исследуя зависимость интенсивности первичного фотонного эха от значения временного интервала Тп, можно найти значение Тъ а по зависимости от давления газа - столкновительную ширину линии согласно выражения (1.3.2), а из зависимости интенсивности СФЭ от интервала времени между вторым и третьим возбуждающими импульсами удается найти, согласно выражения (1.3.4), и другую компоненту столкновитель-ного радиационного распада и неупругих столкновений частиц газа. Следует сказать, что однородная ширина линии существенно меньше неоднородной ширины. Нередко используется следующая модель {Т\ -Ті - модель): вся резонансная система разбивается на набор подсистем (изохромат), каждая из которых характеризуется определенной частотой (конкретным спектральным положением на неоднородно - уширенной линии), а продольная и поперечная неравновесные компоненты энергетического спина предполагаются спадающими по экспоненциальному закону соответственно с характеристическими временами релаксации Т\ и Тг.
Набор атомов, занимающих на неоднородно - уширенной линии одно и тоже спектральное положение (а это означает, что эти атомы газа имеют одни и те же скорости перемещения или проекции этих скоростей), носит название спектральных "пакетов". Релаксационные процессы, приводящие к случайному "блужданию" атомов по частоте по различным спектральным "пакетам" неоднородно - уширенной линии, носят название спектральной диффузии. Очевидно, столкновительная релаксация не является единственным источником однородного уширения. Необходимо упомянуть естественное (радиационное) уши-рение, обязанное спонтанным излучательным переходам.
Характерной особенностью формирования фотонного эха в газах является движение частиц этого газа. Пусть первый импульс привнес свою фазу частице в точке с радиус- вектором Я,-. В интервале т между импульсами эта частица переместится в точку с радиус- вектором rj+AFj(t), т.е. радиус-вектор частицы оказывается функцией времени. При значениях г=(20-г50)х10"9 с частицы успевают переместиться на расстояние порядка Дг« VT «10 2 см., т.е. порядка нескольких сотен длин волн. На первый взгляд может показаться; ситуация с постановкой эхо-эксперимента в наносекундном диапазоне длительностей безнадежна и требуется перенос исследований в пикосекундный диапазон. Однако, авторы теоретической работы [116] показали, что для наблюдения фотонного эха в разреженных газах нет нужды использовать пикосекундные импульсы.
Основная идея работы [116] состоит в том, что если после первого импульса различные частицы одного и того же слоя газа разбежались на разные расстояния в разные стороны кюветы с газом, то воздействие второго импульса на частицы, переместившиеся навстречу импульсу произойдет раньше, чем с частицами, переместившимися по направлению распространения возбуждающих импульсов. Однако, и эхо- сигнал будет сформирован первыми из них раньше, чем переместившимися по направлению импульса. Поскольку испущенный эхо- сигнал должен пройти тот же путь, какой прошел бы второй возбуждающий импульс, то оба эхо-сигнала от частиц, переместившихся "по импульсу" и "против импульса" в один и тот же момент времени 2т, окажутся в фазе.
Оптический экспериментальный комплекс для исследования фотонного эха
Для исследования особенностей формирования сигналов ФЭ эха в газе, его свойств и оценки спектроскопических параметров паров молекулярного йода методом ФЭ был разработан оптический экспериментальный комплекс. Он был получен путем модернизации ранее созданного оптического дистанционно перестраиваемого эхо-спектрометра [193]. Его отличительной особенностью являлось применение для формирования временной задержки между на-носекундными лазерными импульсами на ряду с оптической линией задержки коаксиальной и биаксиальной линии задержки высоковольтных импульсов напряжения, открывающих затвор твердотельных лазеров, накачивающих лазер на красителе. Также использование для выделения эхо-сигнала из последовательности возбуждающих импульсов кроме традиционного электрооптического затвора еще и нефарадеевского поворота вектора поляризации сигнала ФЭ в молекулярном газе, имеющем место при наличии продольного однородного магнитного поля. При этом исключалось насыщение фотоэлектронного умножителя мощными импульсами возбуждения. Для исследования фотонного эха в охлаждающих сверхзвуковых струях паров молекулярного йода использовался оптический эхо-спектрометр [28]. Для исследования свойств ФЭ, используемых при оптической обработке информации, использовался вариант экспериментального комплекса, приведенного в работе [81].
Оптический экспериментальный комплекс ФЭ имел плавную дистанционную перестройку частоты возбуждающего излучения. Его параметры имели следующие значения: длительность возбуждающих импульсов - 10-И 5 не, плавно перестраиваемая временная задержка между возбуждающими импульсами - 0-И 00 не, ступенческая перестройка интервала между возбуждающими импульсами достигала 1000 не, диапазон измеряемых времен релаксации -204-1000 не, ширина линии возбуждаемого излучения - 0,01 нм, частотный диапазон работы спектрометра при сменных красителях - 370-г800 нм, диапазон плавной перестройки при использовании в качестве красителя раствора родамина 6Ж в эталоне 560-:-600 нм, плавное изменение от 0 до 90 градусов угла между векторами линейной поляризации первого и второго возбуждающих импульсов и между направлениями векторов линейной поляризации двух импульсов (имевших разные амплитудно-временные формы), составлявших импульс код.
В процессе работы на оптическом экспериментальном комплексе ФЭ измерялась относительная интенсивность сигналов ФЭ как функция параметров, определяющих условия его возбуждения.
При создании оптического экспериментального комплекса ФЭ решались задачи: - обеспечения условий формирования сигнала ФЭ в газе и его регистрации после поступления мощных возбуждающих импульсов, превышающих по интенсивности эхо- сигнал более чем на два порядка; - плавной оперативной перестройки временного интервала между возбуждающими наносекундными лазерными импульсами и частоты возбуждающего лазерного излучения с узкой спектральной шириной; формирования заданной поляризация и временной формы возбуждающих импульсов как простых, так и импульсов-кодов, состоящих из импульсов с различными линейными поляризациями и амплитудно-временными формами; - создания протяженного постоянного магнитного поля напряженностью до 400 кА/м.
Блок-схема оптического экспериментального комплекса, выполняющего функции эхо-спектрометра с использованием электрооптического затвора (ЭОЗ) для выделения эхо-сигнала приведена на рис.2.8. В оптическом экспериментальном комплексе ФЭ использовалось два возбуждающих лазерных импульса, получаемых благодаря специально разработанному генератору последовательности двух лазерных импульсов с регули Рис. 2.8. Блок-схема оптического эхо-спектрометра: РЬР2 - дифракционные решетки; К - кювета с красителем; 3j - выходное зеркало резонатора; Р - редуктор; ЭД - электродвигатель; ПУ - пульт управления; Л1,Л2 - собирающие линзы; Д1-ДЗ - диафрагмы; 32-33 - полупрозрачные зеркала; П - поляризационая призма Глана; ЭОЗ - электрооптический затвор; Ат1-АтЗ - аттенюаторы; Из-1, Из-2, Из-3 - излучатели ИАГ-лазеров; С і,С 2 С з - разделительные конденсаторы; Кл1...КлЗ - коаксиальные линии; БО - блок охлаждения; БЗ - блок заряда; БР - блок разряда; СУМ-7 - система управления модулятором; МГИН-5 - генератор высоковольтных импульсов напряжения; ФЭУ - фоторегистрирующее устройство; ФЭК-22 фотоэлектронный калориметр; ДФС-452 - дифракционный спектрограф; И2-7 - измеритель временных наносекундных интервалов; Л3 - цилиндрическая линза; ИО - исследуемый образец руемым временным интервалом между ними. Разнесенные во времени лазерные импульсы с совпадающими направлениями волновых векторов формировались в одном резонаторе перестраиваемого по частоте лазера на красителе (далее - ПЛК), входящего в его состав.
Генератор последовательности возбуждающих лазерных импульсов представлял собой перестраиваемый лазер на красителе, имеющий оптическую накачку последовательностью гигантских лазерных импульсов. Перестраиваемый лазер на красителе состоял из кюветы с красителем К, выходного зеркала Зь дифракционной решетки Pi и Р2. Решетка Pi использовалась в режиме скользящего падения, а решетка Р2 в режиме решетки Литтрова. Перестройка частоты осуществлялась поворотом решетки Р2 вокруг оси, параллельной штрихам через редуктор Р электродвигателем ЭД, управляемым с пульта дистанционного управления ПУ. Благодаря применению дифракционных решеток Pi и Р2 обеспечивалось сужение спектра лазерного излучения до 9,2 Ггц (ДА,=0,1 А). Поперечная накачка красителя ПЛК (применялся раствор красителя родамин 6Ж в эталоне) осуществлялась импульсами второй гармоники двух ИАГ- лазеров через цилиндрическую линзу Лз в двух различных точках, расположенных на оптической оси резонатора жидкостного лазера. Импульсы накачки жидкостного лазера формировались в промышленном лазере ЛТИПЧ-5 (возможно использование других подобных лазеров с активной модуляцией добротности). Лампы вспышки обоих излучателей и контуры охлаждения были подключены последовательно к блоку разряда БР и блоку охлаждения БО, соответственно.
Активная модуляция добротности в обоих излучателях осуществлялась от одного генератора импульсов напряжения МГИН-5. Постоянное запирающее напряжение на оба электрооптических затвора излучателей подавалось одновременно, а высоковольтный импульс напряжения, открывающий затвор, на излучатель Из-1 подавался от генератора импульсов непосредственно от МГИН-5, на Из-2 через разделительный конденсатор Сі, по соответствующей Рис.2.9. Внешний вид биаксиальной линии задержки 1 - корпус; 2 - барабан (приподнят над корпусом, заполненным трансформаторным маслом); 3 и 7 - направляющие; 4 и 6 - скользящие токосъемные контакты; 5 - ручка вращения барабана; 8 - секции биаксиальной обмотки; 9 - электропривод перемещения токосъемных контактов коаксиальной линии. В результате этого гигантские импульсы обоих излучателей сдвигались во времени в соответствии с длиной коаксиальной линии. Ступенчато временной интервал между этими импульсами регулировался длиной коаксиальной линии между излучателями Из-1 и Из-2. Плавно он регулировался с помощью регулируемой биаксиальной линии задержки высоковольтных импульсов в интервале от 0 до 100 не. Внешний вид биаксиальной линии задержки приведен на рис.2.9. Она представляет из себя вращающийся барабан из фторопласта диаметром 150 мм, на котором по двум параллельно нарезанным в виде спирали канавкам намота на биаксиальная обмотка из посеребренного провода. По каждой секции биак сиальной обмотки вдоль образующей барабана при его вращении синхронно перемещаются соответствующие подпружиненные токосъемные контакты.
Методика эксперимента по исследованию паров молекулярного йода в сверхзвуковых молекулярных струях
Пары молекулярного йода в районе колебательно-вращательной полосы электронного перехода Е Ц -Х1 имеют в диапазоне 560-600 нм плотный спектр. В силу неоднородного уширения спектральных линий, обязанному эффекту Доплера, превышающего на два порядка величину их однородного уширения, спектр поглощения паров является как бы квазинепрерывным. Получить в этом случае информацию о спектральных линиях традиционными спектроскопическими методами очень сложно. В настоящей работе приведены измерения однородной ширины спектральной линии паров молекулярного йода на длине волны 590 нм методом фотонного эха. В эксперименте сигнал светового эха возбуждался параллельными лазерными пучками. Интервал между возбуждающими импульсами изменялся дискретно от 40 до 120 не. Результаты измерений использовались для определения времени необратимой поперечной релаксации Тг для дискретных значений паров с учетом зависимости 7/=7//.
Из кривой спада первичного фотонного эха (ПФЭ) при увеличении временного интервала между возбуждающими импульсами находится значение время необратимой поперечной (фазовой) релаксации Т2. Осциллограммы измерений приведены на рис.3.1. Также 7 определялось по результатам измерений интенсивности ПФЭ при различных значениях давления паров молекулярного йода для фиксированного временного интервала между возбуждающими импульсами. На рис. 3.2 приведены осциллограммы этих измерений.
Сверхзвуковые струи паров молекулярного йода получались с помощью установки, структурная схема которой показана на рис. 3.3. Установка имела следующий вид. Она состояла из кварцевой колбы 5 объемом порядка 50 см3, внутри которой помещался кристаллический йод 6. Эта колба выполняла функцию накопительного резервуара паров молекулярного йода. Имелись два вакуумных крана 4 и 8, причем в кране 4 была предусмотрена возможность плавного изменения сечения выходного отверстия. Функцию расширительного резервуара выполняла цилиндрическая кварцевая кювета 1 длиной 2 м и диаметром 3.5 см. В кювете распологались два вваренных стеклянных отростка, расположенные с разных сторон вблизи разных торцов кюветы. Отростки кюветы имели ответвление, в которые ввариваллись две лампы типа ПМТ-2 для измерения вакуума на входе и выходе кюветы. Входной отросток кюветы через вакуумный кран 4 с помощью вакуумной резины подключался к накопительному резервуару 5. Выходной отросток также с помощью вакуумной резины через вакуумный кран 8 подключался ко входу вакуумного поста. К выходу вакуумного поста подкючался улавливатель паров молекулярного йода 10. Процесс получения сверхзвуковой струи заключался в следующем. Колба 5 с кристаллом йода (накопительный резервуар) разогревалась спиртовкой до 160 С. Происходила возгонка йода в парообразное состояние. Давление паров в колбе Ро достигало значения 680 Торр. С помощью вакуумного поста в кювете 1 создавался вакуум до 10"6 Торр. Затем слегка приоткрывался вакуумный кран 4. Через маленькое отверстие в этом кране (сопло) пары поступали в кювету. Объем кюветы превышал объем колбы примерно в 150 раз. В момент перехода паров молекулярного йода из колбы 5 в кювету 1 происходило образование сверхзвуковой струи. Затем пары попавшие в кювету откачивались из нее с помощью вакуумного поста.
Блок-схема экспериментальной установки для получения охлаждающих молекулярных газовых сверхзвуковых струй: 1- расширительный резервуар (стеклянная кювета); 2 - торцевое окно кюветы; 3, 7 - измерители вакуума; 4 - вакуумный кран с регулируемым проходным отверстием (соплом), показанным на кране штриховыми линиями; 5 - накопительный резервуар (подогреваемая спиртовкой колба); 6 - кристалл йода; 8 - выходной вакуумный кран; 9 - вакуумный пост; улавливатель молекул йода; 10 - улавливатель паров йода; 11 - генератор последовательности возбуждающих лазерных импульсов; 12 - регистратор сигнала ФЭ; 13 - трек возбуждающих лазерных пучков в парах молекулярного йода; Рд - давление паров йода внутри подогреваемой колбы; Р] - давление паров йода на входе расширительного резервуара; Р2 - давление паров йода на выходе расширительного резервуара; пунктирные линии внутри кюветы - сверхзвуковая струя паров молекулярного йода
По мере увеличения длительности импульса впрыскивания газа в расширительный резервуар и уменьшения интервала между двумя последующими импульсами уменьшалось охлаждение паров йода в струе. Это объясняется получением тепла охлажденными молекулами за счет столкновений с молекулами, оставшимися в расширительном резервуаре, так как в последнем не было создано достаточно низкое давление. Крайним случаем такой манипуляции параметрами струи является создание непрерывной сверхзвуковой струи. В этом случае для поддержания постоянного низкого давления в расширительном резервуаре при истечении в него сверхзвуковой струи требуется мощная система откачки, что создает определенные технические трудности при практическом использовании охлаждающих сверхзвуковых струй. Также требуется большое количество исследуемого вещества, причем оно должно интенсивно испаряться. Чем менее эффективной будет откачка паров йода, тем менее значительным будет их охлаждение. С целью многократного использования паров йода нами предлагается режим конденсации отработавших паров в улавливателе 10. При этом, меняя местами точки подключения сосудов 5 и 10 к тракту прохождения пароы йода с помощью специальных коммутирующих вакуумных кранов, можно получить замкнутый цикл использования паров йода. В наших экспериментах стенью открывания вакуумного крана 8 и впускающего струю вакуумного крана 4 в кювете устанавливалось требуемое давление паров молекулярного йода. Давление насыщенных паров молекулярного йода в колбе 5 определялось по формуле (2.2.1).
Эффект корреляции амплитудно-временных форм сигнала стимулированного фотонного эха и второго возбуждающего импульса-кода
Данный параграф посвящен теоретическому описанию и экспериментальному обнаружению эффекта запирания формы сигнала стимулированного фотонного эха (СФЭ). Эксперимент выполнен в парах молекулярного йода. В основе возможности хранения и обработки информации с помощью СФЭ лежат следующие два результата. Во-первых, при определенных условиях сигнал СФЭ может воспроизводить форму одного из возбуждающих импульсов. Такое воспроизведение уже наблюдалось в твердом теле [209], так и в газах [2, 9]. Во-вторых, временной интервал между первыми двумя (записывающими) и третьим (считывающим) импульсами может быть весьма значительным. Так, в эксперименте [210] он достигал 30 мин.
В настоящей работе показано, что воспроизведение формы одного из возбуждающих импульсов с помощью сигнала СФЭ может иметь место и в другой области значений характерных параметров задачи, отличной от описанной выше. При этом і—и (воспроизводимый в эхо-сигнале) возбуждающий импульс должен по-прежнему иметь малую площадь (#i«l) и спектральная линия резонансного перехода по-прежнему должна быть для него широкой (4.2.11). Что касается двух других возбуждающих импульсов, то спектральная линия резонансного перехода для них должна быть широкой: т«к»Т 2 Т 1»Т2 (4.2.3) а их площади не произвольны, а должны быть ограничены снизу. Предсказанная новая область характерных параметров задачи, в которой также имеет место эффект корреляции формы сигнала СФЭ с формой одного из возбуждающих импульсов, легче осуществима при проведении соответствующих экспериментов. Помимо проведения указанного выше теоретического исследования в работе выполнен эксперимент по воспроизведению формы сигнала СФЭ в молекулярном йоде в предсказанной новой области характерных параметров задачи. При теоретическом рассмотрении будем иметь, для определенности, рассматривать газовую среду, хотя полученные результаты легко распространяются и на случай формирования СФЭ в твердом теле. Пусть СФЭ формируется в газовой среде под действием трех возбуждающих импульсов с несущей частотой со, резонансной частоте COQ оптически разрешенного перехода в- а ее атомов и молекул. Будем считать, что возбуждающие импульсы падают на границу у=0 газовой среды и распространяются в положительном направлении оси Y.
Далее рассмотрим подробно корреляцию формы сигнала СФЭ с формой второго возбуждающего импульса. Использованная в работе методика нахождения напряженности электрического поля сигналами СФЭ аналогична методике, примененной в [242]. Считалось, что резонансные энергетические уровни а и Ъ не вырождены, релаксация их населенностеи под действием радиационного распада и неупругих газокинетических столкновений характеризуется соответственно величинами И0) и yf1 а релаксация матрицы оптической когерентности резонансного перехода Ъ— а из-за радиационного распада, неупругих газокинетических столкновений описывается величиной /(1). Таким образом, сигнал СФЭ в найденной новой области значений характерных параметров задачи (02 «1, (4.2.14), (4.2.17), (4.2.18)) в точности воспроизводит форму второго возбуждающего импульса. Этот эффект, по аналогии с соответствующим эффектом для обычного ФЭ [208], следует называть эффектом запирания формы сигнала СФЭ. Анализ возможности воспроизведения формы первого или третьего возбуждающих импульсов сигнала СФЭ в условиях запирания его формы может быть выполнен аналогичным образом.
Эффект корреляции формы сигнала СФЭ с формой второго возбуждающего импульса в настоящей работе наблюдался в молекулярном йоде. Использованная экспериментальная установка описана в [28, 81]. Сигнал СФЭ формировался на линии, соответствующей длине волны 571 нм электронного перехода В -"ot/ X 2 молеКуЛ йода. Насыщенные пары содержались при температуре 24 С. Возбуждающие импульсы имели следующую длительность: ти1 — Ти2 = ги3 = 12нс .Такие значения параметров обеспечили выполнение условий (4.3.14) и (4.3.17). Пиковые мощности возбуждающих импульсов приблизительно составляли 10кВт, 1кВт и 10кВт соответственно, что обеспечивало малость площади второго возбуждающего импульса и выполнение (4.3.18) на площади первого и третьего возбуждающих импульсов. На рис.4.3. приведены осциллограммы, иллюстрирующие факт наблюдения эффекта запирания формы СФЭ в парах молекулярного йода. На верхней осциллограмме показаны ослабленные возбуждающие импульсы, причем форма второго импульса имеет закодированный вид. На нижней осциллограмме мощные возбуждающие импульсы показаны без ослабления, поэтому их задние фронты на осциллограмме из-за эффекта насыщения фотоумножителя затянуты во времени и частично захватывают передние фронты сигналов первичного (третий импульс) и стимулированного (пятый импульс) ФЭ. Поскольку затвор полностью открывался только в момент прохождения СФЭ, интенсивность ПФЭ на осциллограмме имеет меньшую амплитуду из-за ослабления затвором. Более четкое отделение сигнала СФЭ от третьего возбуждающего импульса можно получить, применив методику формирования обращенного ФЭ [11,12,211-213].
Данный параграф посвящен исследованию ассоциативных свойств ПФЭ, впервые экспериментально зарегистрированных в парах молекулярного йода и опубликованных в работе [36]. При этом предполагается, что информация одновременно вносится, как во временную форму сигнала, так и его поляризацию.
Поэтому второе направление данной работы связано с рассмотрением особенностей механизмов работы ассоциативной памяти при использовании явления ФЭ. В качестве примера рассматриваются процессы записи и считывания сложно кодированных сигналов.
Экспериментальное обнаружение ассоциативных свойств фотонного эха в парах молекулярного йода. Под ассоциативной памятью следует понимать запоминающее устройство, в котором поиск и запись информации производится не по конкретному адресу ячейки, а по заданному сочетанию признаков, свойственных искомой информации. Такой подход был экспериментально реализован авторами работы [36] в технике ПФЭ. На рис.4.4 пояснен эффект ассоциативности ФЭ.
