Поляризационные и интерференционные эффекты в излучательных процессах Астапенко, Валерий Александрович

Введение к работе

Актуальность темы. Бурное развитие лазерной физики, техники и методов физического эксперимента - освоение широкого частотного диапазона от дальнего инфракрасного до мягкого рентгеновского, получение фемтосекундных лазерных импульсов, создание сверхсильных электромагнитных полей, генерация когерентного мультицветового излучения, получение многозарядных ионов - обуславливает необходимость расширения, углубления и уточнения знаний о физике элементарных процессов взаимодействия излучения и вещества. Актуальность приобретает исследование тонких эффектов и закономерностей в недоступных ранее областях изменения параметров.

Одной из самых актуальных задач лазерной физики является освоение рентгеновского диапазона частот. Эта задача стимулировала серьезные исследования в области теории тормозного излучения (ТИ) и позволила лучше понять механизмы его возникновения. Здесь следует отметить два направления: теория ТИ в интенсивном лазерном поле [1] и создание последовательной мяогоэлектронной теории ТИ при рассеянии электрона на атоме [2]. На протяжении почти сорока лет в теории ТИ существовал пробел, который заключался в недостаточно адекватном учете роли связанных электронов атома-мишени, что в ряде случаев приводило к неправильному пониманию физической картины явления. Это было обнаружено в работах [3]. Ряд цитированных в диссертации работ и первые четыре ее главы посвящены тому, чтобы восполнить вышеуказанный пробел. В них детально исследуется роль динамической поляризации атома, наведенной в результате рассеяния заряженной частицы, как дополнительного канала ТИ и его интерференция с традиционным (статическим) каналом.

Методы лазерной физики позволили более глубоко исследовать материалы и процессы в них. Одно из таких направлений - это фазовый контроль светоиндуцированных нелинейных явлений, основанный на тонком квантовомеханическом эффекте - интерференции путей перехода. В пятой главе диссертации исследуется такое явление - квантовая интерференция однофотонного и двухфотонного фотоэффекта в бихроматическом лазерном поле. Замечательной особенностью этого процесса является то, что ои контролируется разностью фаз между монохроматическими компонентами лазерного поля.

Другой эффект такого рода - фемтосекундное фотонное эхо на нанокристаллах, в котором проявляется квантовая интерференция вкладов экситонных возбуждений с близкими частотами, рассмотрен в шестой главе.

Лазерная физика ставит перед теорией также ряд практических задач. Одна из
них - светоиндуцированное двулучепреломление в кубических, т.е. оптически
изотропных кристаллах с осесимметричньши центрами окраски, изучается в пятой
главе. Этот процесс имеет место в лазерных оптических затворах. _:

Таким образом, настоящая диссертация посвящена анализу поляризационных и интерференционных эффектов, возникающих в ряде фундаментальных излучательных процессов, представляющих интерес как с точки зрения теоретических основ, так и для приложений лазерной физики. К данным явлениям относятся:

влияние электронного остова частицы-мишени на (і) тормозное излучение (ТИ) при рассеянии быстрых электронов на нейтральных мишенях; (Н) излучательные процессы при сильно-неупругом рассеянии тепловых электронов на ионах с остовом, включая околорезонансный тормозной эффект,

фазовые и амплитудные зависимости фотоионизации и поверхностного фотоэффекта в бихроматическом лазерном поле с контролируемым фазовым сдвигом между его монохроматическими компонентами, а также эффект фотонаведенного двулучепреломления в кубических кристаллах с осесимметричными центрами окраски,

- интерференционные биения в сигнале фемтосекундного фотонного эха при
одновременном возбуждении нескольких квантоворазмерных экситонов в
нанокристаллах.

Важность исследования 1-й группы эффектов обусловлена необходимостью выяснения роли и значения динамической поляризации остова мишени в столкновительно-излучательных процессах, определяющих энергообмен между лазерных излучением и веществом, в особенности в слабоизученном случае сильно-неупругого рассеяния электронов, когда изменение энергии налетающей частицы (НЧ) порядка или больше ее начальной энергии. Данный вопрос, помимо своего фундаментального значения, интересен еще и с точки зрения общей прикладной проблемы освоения высокочастотного диапазона, в частности, создания источников когерентного излучения с использованием многозарядных ионов, а также для генерации и управления потоками заряженных частиц с помощью лазерного излучения.

Актуальность 2-й группы эффектов обусловлена новыми перспективами, открывающимися в связи с развитием техники генерации гармоник и параметрических усилителей излучения, в частности, с возможностью контроля разности фаз между монохроматическими составляющими мультицветового лазерного поля.

Исследование 3-й группы интерференционных явлений представляет несомненный интерес в связи с необходимостью анализа перспектив использования техники фемтосекундньк импульсов и передовых технологий получения наноструктур в оптических методах записи и обработки информации.

Целью работы является:

- развитие теории поляризационного ТИ (ПТИ) быстрых частиц на атомах и в среде;

исследование поляризационно-интерференционных эффектов, возникающих при сильно-неупругом рассеянии электронов тепловых энергий на мишенях с остовом, включая околорезонансный тормозной эффект;

расчет и анализ фазовых и поляризационных зависимостей в процессах фотоионизации атомов и в явлении поверхностного фотоэффекта под действием бихроматического лазерного поля;

исследование интерференционных эффектов в сигнале фемтосекундного фотонного эха в нанокристаллах;

исследование фотонаведенного двулучепреломления в кубических кристаллах с осесимметричными центрами окраски.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

- на основании последовательного квантово-электродинамического рассмотрения
получено выражение для сечения ПТИ на водородоподобном атоме в широком
частотном диапазоне ha <т_ес² (с -скорость света);

- дано общее выражение для сечения поляризационного ТИ быстрой налетающей
частицы на многоэлектронных атомах, включающее в себя упругий я неупругий
каналы процесса, которое в высокочастотном диапазоне {hco > 1_Р, 1_Р- потенциал
ионизации атома) выражено через динамический форм-фактор мишени;

- развита теория ПТИ томас-фермиевского атома и получено универсальное выражение
для сечения неупругого процесса через комптоновский профиль рассеяния
рентгеновских лучей;

на основании последовательного микроскопического рассмотрения с использованием метода динамического форм-фактора плазменных компонент описано ПТИ быстрой заряженной частицы в плазме, в результате чего: (і) доказана единая физическая природа переходного ТИ и ПТИ на дебаевской "шубе", (іі) продемонстрировано отсутствие эффекта плотности для ПТИ релятивистской заряженной частицы, (Ш) учтено влияние среды на собственное поле быстрой частицы в излучательном процессе;

развита теория сильно-неупругого ТИ на многоэлектронной системе (атоме, ионе,' дебаевской сфере) в рамках локально-плазменной модели для поляризуемости мишени с учетом эффектов проникновения НЧ в остов рассеивателя, поляризационного и статического каналов излучения, а также их интерференции, показано, что вклад поляризационного канала в спектральное сечение ТИ максимален вблизи потенциала ионизации мишени, а ширина соответствующего максимума растет с ростом степени неупругости процесса;

сформулированное ранее вращательное приближение в теории обычного ТИ [4] обобщено на случай учета поляризационного канала (обобщенное вращательное приближение), в рамках этого приближения, в частности, установлено наличие оптимального заряда иона-мишени, при котором максимален вклад поляризационного канала в спектральное сечение ТИ на характерной частоте, кратной потенциалу ионизации иона Томаса-Ферми;

развита теория околорезонансного сильно-неупругого ТИ на ионе с электронным остовом, предсказана асимметрия спектральной формы линии ТИ, вызванная интерференцией статического и поляризационного каналов, а также наличие "провалов" в зависимости сечения процесса от интенсивности внешнего поля для низкочастотного крыла спектра;

на основании квазиклассического и квантового (по движению НЧ) анализа околорезонансного ТИ на ионе с остовом предсказана зависимость формы спектральной линии и амплитудного сечения процесса от взаимной ориентации электрического вектора внешнего поля и вектора начальной скорости НЧ, вызванная интерференцией каналов и проникновением НЧ в остов мишени;

проанализировано частотно-угловое сечение околорезонансного ТИ на ионе для сильно-неупругого рассеяния НЧ, показано, что для больших углов рассеяния имеет место своеобразная "инверсия" асимметрии спектральной формы линии ТИ, обусловленная недипольностью поляризационного потенциала;

предсказана и проанализирована зависимость асимметрии углового распределения фотоэлектронов, вырванных из атома под действием бихроматического лазерного поля, от взаимной поляризации монохроматических компонент ионизирующего излучения;

детально исследован поверхностный фотоэффект в бихроматическом лазерном поле с контролируемой разностью фаз между монохроматическими компонентами с учетом влияния формы поверхностного барьера на комплексную частотно-зависимую амплитуду процесса;

в рамках простой модели проанализирован фазово-компенсационный метод измерения параметров поверхностного потенциала на основе фазового контроля фототока, индуцированного бихроматическим лазерным полем;

предсказан и рассчитан эффект интерференционных биений в сигнале фемтосекундного фотонного эха, сформированном при одновременном возбуждении квантово-размерных экситонных состояний в нанокристаллах.

Достоверность полученных результатов

Теоретическое исследование поляризационных и интерференционных эффектов при взаимодействии излучения с веществом, проведенное в диссертации, базируется на общепризнанных и хорошо апробированных методах и принципах квантовой механики, классической и квантовой электродинамики, физики плазмы и физики твердого тела. Результаты, полученные в аналитической форме, допускают правильные предельные переходы в изученные ранее области изменения параметров. Численные расчеты контролировались путем сравнения с результатами известных аналитических асимптотик и аппроксимаций. Приближения, использованные в работе, например, такие как "вращающейся волны" в околорезонансном лазерном поле и "вращательное приближение" в крамерсовой электродинамике, хорошо зарекомендовали себя как результативно-эффективные по соответствию с имеющимися экспериментальными данными и численными расчетами. Ряд теоретических выводов, относящихся к эффекту фотонаведенного двулучепреломления, биениям в сигнале фемтосекундного фотонного эха, фазовой модуляции фототока в бихроматическом лазерном поле, имеют свое непосредственное экспериментальное подтверждение. Кроме того, некоторые результаты, касающиеся ПТИ на атоме и дебаевской сфере, совпали с результатами других авторов, полученными независимо, с использованием других подходов в области пересечения их областей применимости.

Практическая значимость работы определяется важностью тех областей исследования, к которым относятся явления, рассмотренные в диссертации:

обмен энергией между интенсивным лазерным излучением и веществом,

создание когерентных источников излучения в коротковолновом диапазоне, включая вакуумный ультрафиолет и мягкий рентген,

разработка новых технологий управления потоками заряженных частиц с помощью. лазерного излучения,

разработка высокоточных методов исследования материалов,

-развитие высокоэффективных методов оптической обработки информации с использованием наноструктур и фемтосекундных импульсов. В диссертации:

- построена последовательная микроскопическая теория ПТИ релятивистских частиц
при их рассеянии на атомах и в плазме,

- предложены и проанализированы новые теоретические методы исследования
тормозного эффекта (спонтанного и вынужденного) при сильно-неупругом рассеянии
заряженной частицы на многоэлектронных системах с учетом статического и
поляризационного каналов, их интерференции и эффектов проникновения НЧ в остов
мишени,

детально изучены поляризационные и интерференционные явления в околорезонансном тормозном эффекте, в результате чего выявлены новые существенные аспекты в спектральных, угловых и амплитудных сечениях взаимодействия лазерного излучения с плазмой и пучками атомных частиц,

- изучены возможности и перспективы фазового и поляризационного контроля
фототока в процессах фотоионизации атомов и поверхностного фотоэффекта под
действием бихроматического лазерного излучения,

детально рассчитан и проанализирован эффект фотонаведенного двулучепреломления в кубических кристаллах с осесимметричными центрами окраски,

предсказаны и исследованы интерференционные биения в сигналах фемтосекундного фотонного эха при одновременном возбуждении нескольких квантово-размерных экситонов в нанокристаллах.

Основные положения, выносимые на защиту.

1 .Последовательное кваитово-электродинамическое описание ПТИ релятивистской заряженной частицы на атоме в широком частотном диапазоне ha> <т_ес , на основании которого исследованы частотные, угловые и поляризационные зависимости сечения ПТИ. В частности, показано наличие нового спектрального интервала, (отсутствующего в нерелятивистском случае), в котором существенна частичная компенсация переданного от НЧ импульса за счет импульса излучаемого фотона, в результате чего возникает частотная зависимость углового распределения излучения, и ПТИ для ft > РаС приобретает направленность.

Теория ПТИ быстрой заряженной частицы на томас-фермиевском атоме. Законы подобия сечений когерентного и некогерентного процессов (скейлинг по заряду ядра Z).

1. Микроскопическое описание ПТИ на дебаевском облаке вокруг иона в плазме, полученное с помощью метода динамического форм-фактора плазменных компонент. В результате доказана единая физическая природа ПТИ на дебаевской сфере и переходного излучения частиц в плазме, установлено отсутствие эффекта плотности для ПТИ релятивистской заряженной частицы в идеальной плазме.

2. Новый метод приближенного описания ТИ на многоэлектронных системах, базирующийся на локальной плазменной модели для поляризуемости мишени, учитывающий вклад статического и поляризационного каналов, а также эффекты проникновения НЧ в остов атома. На основании данного метода: доказана существенность вклада поляризационного канала в сечение ТИ при сильно-неупругом рассеянии налетающего электрона; показано, что максимум спектрального сечения ПТИ приходится на частоты порядка потенциала ионизации многоэлектронной подоболочки мишени, а ширина данного максимума растет с ростом степени неупругости процесса; выявлено, что интерференция каналов ТИ наиболее существенна (-60%) вблизи потенциала ионизации иона-мишени, причем в низкочастотном диапазоне интерференция носит деструктивный характер, а для hco > 1_р -конструктивный, величина интерференционных эффектов в высокочастотном диапазоне возрастает с ростом степени неупругости ТИ. На основании предложенного метода сконструировано обобщенное вращательное приближение для оценки поляризационных эффектов в сильно-неупругом ТИ квазиклассических электронов. В

рамках этого приближения установлено существование оптимального заряда иона-мишени, при котором вклад поляризационного канала в спектральное сечение ТИ максимален на характерной частоте, кратной потенциалу ионизации иона Томаса-Ферми.

4. Теория околорезонансного тормозного эффекта в интенсивном внешнем поле, включая многофотонный процесс. На основании развитого подхода предсказано наличие асимметрии формы линии спектрального сечения околорезонансного ТИ при-сильно-неупругом рассеянии электронов на ионах с остовом, обусловленной интерференцией статического и поляризационного каналов, а также зависимость данной асимметрии от интенсивности внешнего излучения. Обнаружена зависимость спектральной формы линии сечения околорезонансного сильно-неупругого ТИ от взаимной ориентации вектора начальной скорости НЧ и вектора электрического поля в околорезонансном излучении. Показано, что в случае перпендикулярной ориентации интерференционные эффекты максимальны, а в случае параллельной они сильно редуцированы. Предсказан эффект "инверсии" асимметрии формы линии в спектрально-угловом сечении околорезонансного ТИ, обусловленный изменением характера интерференции статического и поляризационного каналов при увеличении угла рассеяния НЧ вследствие недипольности поляризационного потенциала. Предсказано возникновение интерференционных "провалов" в зависимости сечения околорезонансного вынужденного ТИ от интенсивности внешнего поля в низкочастотном крыле резонирующего перехода.

5. Установлена и исследована зависимость фазовых интерференционных эффектов в фотоионизации атома бихроматическим лазерным полем от поляризации монохроматических компонент излучения. Выявлена сильная амплитудная модуляция фототока в явлении поверхностного фотоэффекта под действием бихроматического лазерного поля с контролируемой разностью фаз между его составляющими. Теоретически продемонстрирована высокая точность фазового метода контроля поверхности металлических покрытий на основе компенсации модуляции фототока в бихроматическом лазерном поле.

6. Предсказано возникновение интерференционных биений в сигнале фемтосекундного фотонного эха на нанокристаллах в результате наложения вкладов близких квантоворазмерных экситонных состояний. Обнаружена зависимость этих биений от характера функции распределения нанокристаллов по радиусам.

7. Детальные расчеты фотонаведенного двулучепреломления в кубических кристаллах с осесимметричными центрами окраски, подтвержденные экспериментально (измерения Б.Г.Лысого).

Личный вклад автора. Все результаты, приведенные в диссертации, получены лично автором либо при его непосредственном и существенном участии. Лично автором были обнаружены и детально проанализированы особенности околорезонансного тормозного эффекта при сильно-неупругом рассеянии электронов тепловых энергий на ионах с остовом; предложен и развит эффективный метод описания ПТИ в рамках локальной плазменной модели для поляризуемости электронной подсистемы мишени; применен последовательный микроскопический подход к описанию ПТИ быстрой частицы в плазме с использованием метода динамического форм-фактора; детально изучены фазовые и поляризационные характеристики фотоэффекта в бихроматическом лазерном поле; предсказан и рассчитан эффект интерференционных биений в сигнале фемтосекундного фотонного эха на нанокристаллах.

Выполненные в диссертации исследования поляризационного механизма в столкновительно-излучательных процессах и его интерференции с традиционным (статическим) каналом при рассеянии электронов на ионах и атомах можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии теории поляризационного тормозного излучения.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались на Межд. конф. по форме спектральных линий (Франция 1992, Торонто 1994, Флоренция 1996, Пенсильвания 1998, Берлин 2000), Межд. конф. по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (Триест 1995), Межд. конф. по многофотонным процессам (Гармиш-Партенкирхен 1996), Межд. конф. по современным приборам и материалам (Корея 1996), Межд. конф. по применению ускорителей в исследованиях и индустрии (Техас 1996), Межд. конф. по поляризационным эффектам в лазерной спектроскопии (Торонто 1997), Межд. конф. по передовым лазерным технологиям (Лимож 1997), Межд. конф. по нелинейной оптике на границах разделов сред (Берлин 1998), Межд. конф. по атомной физике (Онтарио 1998), а также на Всесоюзной конф. по перестраиваемым лазерам (Новосибирск 1983),

Рабочих группах по поляризационному тормозному излучению (Лиелуппе 1985), (Сочи 1987), научных конф. МФТИ (1984-1999), на научных семинарах в НИИ "Полюс", МГУ, ФИАН, ИОФАН, РНЦ "Курчатовский институт", ВГУ. Материалы диссертации опубликованы в различных отечественных и зарубежных журналах и сборниках, тезисах докладов и трудах конференций. Первые две главы диссертации частично вошли в монографию "Поляризационное тормозное излучение атомов и частиц" (М.: Наука, 1987, 335 с, имеется перевод: "Polarization Bremsstrahlung" Plenum, 1991). Основные результаты диссертации изложены в 45 публикациях, список которых приводится в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, шести глав и Заключения. Полный объем работы составляет 339 страниц и включает список литературы из 152 наименований, а также 53 рисунка.