Введение к работе
-.--:.,'-'"-.
Актуальность исследования»
Работа посвящена теоретическому изучению эффектов резонансного светового давления, обусловленных фундаментальной способностью электромагнитного излучения перекосить и эффективно передавать импульс атомам в условиях оптического резонанса.
В последние 15 лет, благодаря энергичным усилиям научных групп в России, США, Франции, Германии и других стран, исследования по резонансному радиационное давлении (РРД) сформировались в новое перспективное направление лазерной физики. Эти исследования базируются на убедительно доказанной во многих экспериментах возможности использования лазерного света для эффективного и самого разнообразного манипулирования атомами в условиях оптического резонанса. Оказалось, что РРД можно применять для фокусировки, отклонения, монокинетизацин атомних и ионных пучков, управления ионами в накопительных кольцах, разделеніш изотопов, получения ансамбля атомов со' сверхнизкой температурой, конструирования стандартов частоты нового поколения, создания' атомных ловушек, позволяющих захватывать отдельные частицы или напротиз достаточно большое количество частиц (с целью наблюдения квантовых и коллективных эффектов взаимодействия), изучения межатомных столкновений, достижения безынверсной генерации в коротковолновой области спектра, ускорения .нейтральных частиц, изменения оптических характеристик газа, в спектроскопии сверхвысокого разрешения.
Актуальность изучения проблемы РРД связана не только с исключительной прикладной значимостью соответствующих эффектов (в частности, по мнению некоторых исследователей, открывающих новую эру в атомной физике), но и существенным углублением представлений о самих механизмах взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.
Механическое действие резонансного света на атомы не сводится к простому воспроизведении хорошо исследованной ситуации силового влияния электромагнитных полей на бесструктурные заряженные частицы. Специфика задач РРД (связанная с самой
природой явления) - сильная корреляция внутренних и поступательных степеней свободы резонансных частиц, приводящая к существенно нелинейной (в общем случае) зависимости радиационных сил от фазовых переменных, воздействующих полей и. их квантовым флуктуацчям. Это порождает с одной стороны уникальные физические предпосылки светоиндуцированного перехода атомного ансамбля в сильно неравновесные или упорядоченные состояния (по отношению к поступательным степеням свободы), а с другой - чрезвычайно высокую чувствительность пондеромоторных эффектов к параметрам и конфигурации резонансных полей. Последнее обстоятельство является осложняющим для теоретического анализа, но такие обуславливает широкое качественное многообразие возможных пондеромоторных проявлений резонансного света и вытекающий отсюда устойчивый интерес исследователей к РРД, который не обнаруживает сколь-нибудь заметной тенденции к насыщению.
Цель работы - теоретическое исследование оптических пондеромоторных эффектов как фактора сильной поступательной неравновесности и образования упорядоченных состояний в разрешенном ансамбле двухуровневых резонансных частиц. Реализация поставленной цели включала в себя два связанных направления исследований: I) описание особенностей кинетики частиц в резонансных полях; 2) поиск решения проблемы повышения эффективности (по критерию "интенсивности" и "качества" проявления) про-* цессов передачи импульса от оптического излучения частицам.
Методы исследования явлений РРД, использованные в работе, основаны на формализме матрицы плотности в представлении Вигне-ра, позволяющем последовательно учесть самосогласованную динамику внутренних и поступательных степеней свободы атомов в резонансном поле, релаксационные процессы и сильнії} поступательную неравновесность. Наличие иерархии характерных временных масштабов в рассмотренных задачах, связанных, в частности, с существенным отличием частоты отдачи u)R = » /&, естественной ширины оптического резонанса ~g и частот Раби \А (в случае сильных полей), дает возможность развить разнообразные процедуры (характер которых зависит от конкретных ситуаций)
разделения "быстрых" и "медленных" компонент матрицы плотности и редуцировать исходную математическую модель к кинетическому уравнения для функции распределения резонансных частиц (?), задаваемой в классическом фазовом пространстве (t,it). Такси подход (разумеется з рамках соответствующих условий применимости) приводит к полному описания физической картины киїфсскспнческих и макроскопических проявлений РРД, если получены точные или приближенные решения "укороченного'' кннэти-ческого уравнения, определяющего медленные движения в системе.
Основные защищаемые положения:
1. При псндерсмоторнсм действии бегущей светозсй волги на раз
решенный газ резонансных атомов с сирохсЯ начальной $Р
происходит процесс монохроматиоацни проекций скоростей
(атомов) на направление распространения излучения, вклпча-
ицнй. в себя ряд стадий развития, характеризуемых сильной
неравнсвесностыэ ФР и иерархией времзнккх масптабоз. Лри
этом минимальный достигавши разброс скоростей значительно
меньше сирины скоростного профиля скли спонтанного РРД и
ограничен снизу величиной, определяемой квантовыми флукту-
ацнями. Нало-.ениз на газ дополнительной внз'лней кеселектнв-
кой силы позволяет качественно перестраивать кинетику частиц в поле бегущей световой волны и эффективно управлять процессе?.! монехроматизации скоростей,
-
Эффект монохроматизации скоростей в условиях столкновитель-ной релаксации кокет приводить к формирования стационарного сильно неравновесного состояния разрешенного газа, имеющего вид сингулярного (по параметру селективности воздействия) возмущения распределения частиц в пространстве скоростей и не описываемого классическими методами типа Чеп-мена-Энскога.
-
В поле бигармонической суперпозиции сильных однородных бегущих световых волн, настроенных в режим резонанса Раби, в ансамбле атомов могут возникать незатухающие нутации (разности заселенностей) конечной амплитуды и скореллированкые с ними когерентные ВЧ возмущения вигнеровской ФР, связанные
с периодическим обменом импульсом мевду излучением и резонансной средой. На макроскопическом уровне этот тип вынужденного когерентного светового давления может проявляться в виде высокочастотной (ВЧ) бегущей волны гидродинамической скорости и плотности, распространяющейся через газ или временного эха РРД.
-
В сильном неоднородном, пространственно периодическом (квазипериодическом) бигармоническом поле на резонансные атомы мокет действовать радиационная сила нового типа -выпрямленная градиентная сила (ВГС) - знакопостоянная на макроскопических пространственных масштабах и значительно превышающая по величине силу спонтанного РРД. ВГС имеет лоренцевский скоростной профиль, определяемый микроскопическим масштабом неоднородности и естественной шириной резонансного перехода, а её величина - порядок силы вынуаден-ного светового давления.
-
Действие ВГС совместно с запаздывающей градиентной силой (ЗГС) способно приводить к устойчивой пространственной локализации частиц на дне сверхглубоких макроскопических потенциальных ям.
-
В интерферирующих бигармонических полях, в условиях эффекта выпрямления можно конструировать пространственную структуру и получать различные качественные типы выпрямленных" сил (ВС): потенциальную, вихревую, трения, вращательную и разнообразные их комбинации, перестраивая геометрическую конфигурацию и параметры компонент поля.
-
Эффекты нелинейного смешения в световом дазлении индуцируют широкое многообразие хорошо управляемых и упорядоченных типов движения в системе нейтральных резонансных частиц, в частности, таких как образование устойчивой решетки локализованных атомов, блулдание по ребрам эффективной "световой решетки", устойчивое вращение вокруг её узлов, лоренцевское вращение.
8. Пондеромоторное действие оптического излучения с частотой
- б -
настроенной в далекое крыло допплеровской линии поглощения неизотермической плазмы с резонансными ионами, может порождать эффект светоиндуцированной неустойчивости ионного звука (СНИЗ), связанный с совмещением условий черенков-ского и оптического резонансов и способный переводить плазму в существенно неравновесное состояние с квазилинейной кинетикой резонансных частиц.
9. Пондеромоторное воздействие на резонансную плазму непрерывного бигармонического поля в режиме раби-резснанса (настроенного на ленгмпровскую частоту) может приводить к возбуждению плазменных волн, синхронизованных с незатухающими нутациями заселенностей ионных состояний, явлению усиления когерентного светового давления на ионы, параметрической неустойчивости плазмы.
Научная новизна работы.
В основу диссертации положены оригинальные теоретические разработки и идеи, позволившие получить ряд новых результатов предсказательного характера. Можно выделить три основные группы приоритетных исследований и результатов: к первой относятся результаты, связанные с предсказанием эффекта монохромати-зации атомных скоростей полем бегущей электромагнитной волны и исследованием совокупности сопутствующих и вытекающих из него проявлений РРД; ко второй - те исследования и результаты, которые привели к обнаружению целого класса новых нетривиальных оптических пондеромоторных эффектов в бигармоничес-ких полях, обусловленных явлениями нелинейного смешения в резонансном световом давлении, предсказанию новых типов движения частиц в интерферирующих полях; к третьей - результаты, связанные с идеей рассмотрения плазмы с резонансными ионами (принципиально нового объекта для теории РРД) в качестве высокочувствительной (благодаря коллективным взаимодействиям частиц) среды проявления оптических пондеромоторных эффектов.
Научная значимость работы и достоверность результатов.
В результате проведенных исследований дано теоретическое списание класса ранее неизвестных кинетических явлений, кото-
рые могут быть индуцированы пондеромоторным действием резонансного света на разрекенные атомные ансамбля и плазму, предлоаены методы эффективного управления такти воздействиями, основанные на применении интерферирующих бигармонических полей.
Эффект мокохроматизации атомных скоростей полем бегущей световой волны подтвержден многими экспериментами с атомными пучками (зпервые Андреевым, Балыкикым, Летоховым, Миногиным в IS8I г. и Филлипсом, Ыеткалфом б 1982 г.).
Возмояиость получения локально неравновесных распределений скоростей методами РРД и представления о форме неравновесных структур на ФР положена в основу оригинальной идеи Казанцева, Сурдутовича, Яковлева (1986 г.) о влиянии РРД на нелинейную оптическую восприимчивость газа, которая также наши, экспериментальное подтверядение.
Работы, посвященные интерференционным явлениям в световом давлении стимулировали успешные эксперименты по проверке эффекта выпрямления градиентной силы (Грим-,!, Овчинников, Сидоров , Летохов, І990-І99І гг.), идеи по развитию теории аналогичных явлений на случай многоуровневых атомов (a&vanainen, 1990 г.). Эти работы открызают широкое поле исследований, повышенный интерес к которому, по-видимому, будет сохраняться к в дальнейшем, т.к. на основе полученных результатов монно заключить, что интерференционные явления в световом давлении долгкы органически соответствовать .многообразным реалистическим экспериментальным ситуациям с использованием чногочастот-них лазерных полей и многоуровневых атомов.
Первые исследования проявлений РРД в плазменных средах, проведенные в настоящей работе, доказывают существование эффективных механизмов взаимодействия электромагнитного излучения достаточно умеренной мощности с плазмой, основанных на сильной корреляции её. внутренних, поступательных и коллективных степеней свободы и выражающихся в смешении резонансных оптических и плазменных характеристик такой системы. Это представляет интерес как для оптики, так и физики плазмы.
В совокупности представленные в работе результаты демонстрируют эффект РРД как источник существенно неравновесных процессов в разреженных атомных ансамблях с весьма необычныги
и разнообразная формами проявления, далеко еыходящими за рамки популярного в литературе эффекта лазерного охлаждения.
Достоверность результатов определяется применением хорошо проверенных и обоснованных методов прикладной математики для анализа моделей, вытекающих из фундаментальных прішципов физики, их непротиворечивостью по отнопеккв к общим физическим представлениям. Они согласуются с существующим! экспериментальными данными, теоретическими разработками, выполненными позге или независимо, отражены в обзорах и монографиях других авторов.
Практическая ценность работы.
Прикладное значение дли физики ионных пучков (ИП) может иметь предложенный метод быстрой группировки скоростей, не требующий временного профилирования параметров бегущей электромагнитной волны, а такяе метод сверхглубокой стационарной двухступенчатой монокинетизации ИП.
Эффекты ЇРД в плазме можно применять для управления её устойчивостью, перевода в слаботурбулентное состояние, диагностики плазмы, внутридоппдеровской спектроскопии ионов, а такне для экспериментального определения скоростных профилей радиационных сил.
Предсказанные эффекты нелинейного смешения в световом давлении, эффект выпрямления градиентной силы могут иметь значение в решении проблемы устойчивости оптических ловутак для атомов, создашія высокоэффективных и гибких методов управления атомными и ионными пучками. Первые успешные эксперименты в этом направлении делают достаточно реальной возможность создания регулярных структур (решёток) в атомных ансамблях, облучаемых пересекающимися лазерными лучами, т.е. своеобразных "оптических кристаллов", сохраняющих свою целостность благодаря излучению и легко перестраивающих свою структуру при перестройке геометрии интерферирующих резонансных полей.
Апробация работы.
І^зультата, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались на УШ (Тбилиси, 1976 г.), К (Ленинград, 1979 г.), ЯП (Минск, 1988 г.), НУ (Санкт-Петербург, 1991 г.)
Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике, X Международной Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск, 1990 г.), Ш Международной конференции по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (Братислава, 1976 г.), II Всесоюзном симпозиуме по радиационной плазмоди-намике (Ялта, 1991 г.), XX Сессии Всесоюзной школы по ядерной физике им. В.М.Галицкого (Москва, 1969 г.), II Всесоюзном семинаре по математическим задачам нелинейной оптики (Красноярск, 1983 г.), Всесоюзном совещании "Резонансные нелинейные оптические процессы в газах" (Дивногорск, 1986 г.), Всесоюзной школе-семинаре по математическим моделям ближнего космоса (Дивногорск, 1968 г.), IX Международной конференции Европейской группы по спектроскопии (Варшава, 1977 г.), Всесоюзном совещании "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск, 1986 г.), семинарах ряда научных учреждений (ИФ АН, ФИ АН, ИОФ АН и др.).
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 24 работах, список которых дан в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 31 рисунка и списка цитированной литературы из 153 наименований. Всего 322 страницы.
