Введение к работе
Актуальность теми диссертации определяется превде всего необходимостью глубокого понимания физики процессов излучения и усиления электромагнитного излучения в пространственно-периодических средах и особенностей отражения рентгеновского излучения от пространственно-периодических сред и случайно или регулярно неоднородных поверхностей.
Дель таботн состояла в разработке теоретических основ методов генерации и усиления излучения в пространственно-периодических средах, теории ряда специальных режимов динамики сверхизлучения, теории отражения когерентных и некогерентннх пучков рентгеновского излучения от пространственно-периодических сред. В задачи работы'входило:
развитие теории сверхизлучения пленарных кристаллических слоев;
исследование динамики сверхизлученая слабоусиливавдих и слабоанизотрошшх систем, сверхизлучения в резонаторе;
развитие теории неоднородных рентгеновских и гаша волн, возникающих в скользящей геометрии дифракции;
анализ особенностей ограгенкя я усиления ограниченных пучков рентгеновского и гаала излучения в кристаллах;
разработка оптимальных шделей генерации когерентного гамма излучения.
Научная новизна, работы определяется совокупностью полученных в ней результатов. Основные существенно новые результаты 1-І5Ю
состоят в следующем:
-
Развита теория и предсказана возможность возникновения нового типа неоднородных рентгеновских волн, экспоненциально затухающих по обе стороны от границы раздела и имеющих место в тех случаях двух- и многоволяовой дифракции, когда хотя бы одна из дифрагированных волн распространяется вдоль границы кристалла.
-
Развита теория сверхизлучения в слабоускливавдих и' слабо-анизотропных средах. Б марковском приближении получены формулы, описывающие переход от сверхизлучения к изотропному спонтанному распаду при переходе от сильно- к слабоусиливавдим средам и от сильно- к слабоанизотропным системам.
-
Развита теория сверхизлучения планарннх кристаллических слоев, учитывающая геометрические размеры слоя и тепловую динамику кристаллической решетки.
-
Развит метод параболического уравнения для описания дифракции ограниченных пучков в условиях двух- и многоволновой дифракции.
-
Предсказана возможность обратного сдвига отраженного пучка в условиях шоговолновой брэгговской дифракции. Показана возможность поляризации отраженного пучка при многократной брэгговскоы отражении.
-
Предложены новые механизмы генерации импульсов когерентного излучения: сверхизлученне в резонаторе и метод самомодуляции добротности.
-
Развита теорій аксиального ограненая рентгеновских лучей от случайно ^ периодически неоднородных поверхностей.
-
Рассчитана степень подавления взаимодействия гаша излуче-їшя с резонансными ядрами в зависимости от ыультшюльности ядерного перехода в условиях двухволновой ДЕЩраКЦКЕ.
_ 4 -
9. Исследованы особенности угловых спектров излучения канали-рованных частиц при резонансной передаче импульса на периодических неоднородностях плоскости каналирования. Защищаемые положения.
1. Отражение рентгеновских лучей от кристаллов в условиях сколь
зящей геометрии дифракции сопровождается возникновением нового
типа неоднородных волн, затухающих по обе стороны от границы раз
дела, когда волна в среде находится в области полного отражения,
а её проекция на границу раздела больше величины волнового вектора в вакууме.
2. Традиционная картина сверхизлучения одномерной сильноусили-
вавдей среды ( iuoL > &п Л/ ) охватывает лишь часть возможных
здесь явлений и, соответственно, возможных приложений эффекта.
Предложены и проанализированы новые режимы: сверхизлучение в слабо-
усиливающих средах ( I < /i0L.4? &п N ), в слабоанизотропных
системах, в оптическом резонаторе. В марковском приближении описан
переход от сверхизлучекия к изотропному спонтанному распаду при
переходе от сильно- к слабоусилявавдим средам и от сильно- к слабо
анизотропным системам. Показано, что использование резонаторов
дает возможность управлять параметрами импульсов сверхизлучения,
а зависимость максимальной интенсивности от добротности резонатора позволяет ввести критерии сверхизлучения.
3. Динамическая дифракция ограниченных пучков с шириной большей
амплитуды экстишщионных биений может быть эффективно исследована
методом параболического уравнения и позволяет описать уширение
пучка по мере его распространения в кристалле, зависимость сдвига
отраженных пучков от ширины падающего и степени его когерентности.
Анализ зависимостей сдвига отраженного пучка от параметров падаю
щего и характеристик рефлекса показал возможность обратного смеще-
ния отраженного пучка при ШШГ0В0ЛН08ОЙ дифракции а возможность разделения поляризаций в отражением вела при щогщратном отражении.
-
Модулящда добротности коротковолновых лазеров, использующих пространственно-периодические ореды, можно осуществить изменением состояния среды. Развитая теория оверхнзлучения пленарных кристаллических сред с учетом теадовой динамики кристаллической решетки позволяет указать основные пути реализации таких систем.
-
Развитая в работе теория отражения рентгеновских лучей от случайно- и периодически-неоднородных, поверхностей позволяет описать угловые зависимости интенсивности рассеянных волн от статистических характеристик неоднородности поверхности или от глубины и периода рельефа.
-
Учет дифракции электронов, движущихся в кристалле в режиме плоскостного каналирования, на атомных цепочках плоскости канали-рования приводит к резонансному перераспределению населенностей уровней и появлению допплеровской ветви излучения с максимумом частоты вдоль направления дифрагированной электронной волны. Динамическое взаимодействие прямой и дифрагированной электронных волн приводит к динамическому расщеплению каждого из уровней в плоскостном канале, Перехода между дикадаческиш подуровнями.соответствуют маятниковому излучению при каналировании. Определены частотно- угловые зависимооти интенсивности излучения при переходах электронов мезду указанными подуровнями.
Практическое значение. В диссертации предсказаны и теоретически исследованы новые явления, возникающие при отражении рентгеновского излучения от кристаллов и его распространении в кристаллах. Некоторые из них получили экспериментальное подтверждение.. Развитая теория отражения рентгеновских лучей от случайно неодно-
» 6 -
являются планарнне кристаллические слои; развитие теории дифракции и отражения ограниченных пучков. Перечисленные исследования составляют основу настоящей диссертации.
./Дуальность чеш диссэтугздид определяется презде всего необходимостью глубокого понимания физики процессов излучения II усиления электромагнитного излучения в пространственно-периодических средах и особенностей отражения рентгеновского излучения от пространствешо-перкодических сред я случайно или регулярно неоднородных поверхностей.
Цель -работ» состояла в разработке теоретических основ методов генерации и усиления излучения з пространственно-периодических средах, теории ряда специальных; рекишэв динамики сзерх-иадучеыия, теории отражения когерентних и некогерентннх пучков рентгеновского излучения от пространственно-периодических сред. В задача работы входило:
развитие теории сверхиалучения планарных кристаллических слоев;
исследование динамики сверхиалучения слабоусиливавдих и слабоанизотрошшх систем, сверхизлученая в резонаторе;
развитие теории неоднородных рентгеновских и гака волн, возникающих в скользящей геометрии дифракции;
анализ особенностей отраЕвния и усиления ограниченных пучков рентгеновского и гаша излучения в кристаллах;
разртйотка оптимальных моделей генерации когерентного гамма излучения.
Научная новизна работы определяется совокупность» полученных в ней результатов. Основные существенно новые результаты Z-/5W
состоят в следующем:
-
Развита теория к предсказана возможность возникновения нового типа неоднородных рентгеновских волн, экспоненциально затухающих по ode стороны от границы раздьда и имеющих место в тех случаях, двух- и многоволновой дифракции, когда хотя бы одна из дифрагированных волн распространяется вдоль границы кристалла.
-
Развита теория сверхизлучения в слабоусидиванцих и слабо-анизотропных средах. В марковском приближены' получены формулы, описывающие переход от сверхизлучеиия к изотришому спонтанному распаду при переходе от сильно- к слабоусилш-щим средам и от сильно- к слабоакизогрояным истомам.
-
Развита тео]ия езерхизлучвния пл.парных кристаллических слоев, учитывающая геометрические размеры слоя и тепловую динамику кристаллической решетки.
-
Развит метод параболического уравнения, для описания дифракции ограниченных пучков в условиях двух- и многоволновой дифракции.
-
Предсказана возможность обратного сдвига отраженного пучка з условиях многоволнозой брэгговской дифракции. Доказана возможность поляризации отраженного пучка при многократной брэгговскоы отражении.
-
Предложены новые механизмы генерации импульсов когерентного излучения: сверхизлучение в 1>езонаторе и метод саиомодуля-ции добротности.
-
Развита теория аксиального отражения рентгеновских лучей от случайно' и периодически неоднородных поверхностей.
-
Рассчитана степень подавления взакмодействия гамма излучения с резонаненкші ядрами в зависимости от цульмщольноевг ядерного перехода б условиях двухволновоі; дифракции.
9. Исследованы особенности угловых спектров излучения каналк-рованных частиц при резонансной передаче импульса на периодачес- ких неоднородностях плоскости каналирования. Зашишаемне положения.
1. Отражение рентгеновских лучей от кристаллов в условиях сколь
зящей геометрии дифракции сопровождается возникновением нового
типа неоднородных волн, затухащкх по обе стороны от грашщы рч.ч-
дела, когда волна в среде находится в области полного отражения,
а её проекция на границу раздела больше величины волнового вектора в вакууме.
2. Традиционная картина сверхиздучения одномерной сильноусили-
ваищей среды ( M..L > 2-п N ) охватьт.а-~.г лишь часть возможных
здесь явлешій и, соответственно, возможных приложений эффекта.
Предложены и проанализированы новые реяшы: сзерхизлученне в слабо-
усиливающих средах ( I < jU0L& вп N ), в слабоанизогропных
системах, в оптическом резонаторе. В марковском приближении описан
переход от сверхизлучения к изотропному спонтанному распаду при
переходе от сильно- к слайоусиливанцим средам к от сильно- к слаоо-
анизотропным системам. Показано, что использование резонаторов
дает возможность управлять параметрами импульсов сверхизлучения,
а зависимость максимальной интенсивности от добротности резонатора позволяет ввести критерии сверхизлучения.
3. Динамическая дифракция ограниченных пучков с шириной большей
амплитуды экстинкционных биений может быть эффективно исследована
методом параболического уравнения и позволяет описать уширение
пучка по мере его распространения в кристалле, зависимость сдвига
отраженных пучков от иирины падающего и степени его когерентности.
Анализ зависимостей сдвига отраженного пучка от параметров падаю
щего и характеристик рефлекса показал возможность обратного смеще-
ния отраженного пучка при шоговодновой дхфракщш в возможность разделения поляризаций в отрашдаом веде при многократном отражении.
-
Модуляцию добротности короткеводновых лазеров, ишользующих пространственно-периодичеокие среды, можно ооущеотвить изменением состояния среда. Развитая теория сверхизлучения пленарных кристаллических сред с учетом тепловой динещщ криотадличеокой решетки позволяет указать основные пути реализации таких систем.
-
Развитая в работе теория отражения рентгеновских лучей от случайно- и периодически-неоднородных поверхностей позволяет описать угловые зависимости интенсивности рассеянных волн от статистических характеристик неоднородности поверхности или от глубины и периода рельефа,
-
Учет дифракции электронов, двщпшася в кристалле в реаиме плоскостного каналироващш, на атомных цепочках плоскости канали-рования приводит к резонансному парораспределению населенностей уровней и появлению допплероаской ветви излучения с максимумом частоты вдоль направления дифрагированной электронной волны. Динамическое взаимодействие прямой и дифрагированной электронных волн приводит к динамическому растеплению каздого из уровней в плоскостном канале. Переходы мекду динамическими подуровнями соответствуют маятниковому излучению при канаяироваыии. Определены частотно- угловые зависимости интенсивности излучения при переходах электронов кеяду указанными подуровнями.
Практическое значение. В диссертации предсказаны и теоретически исследованы новые явления, возникающие при отражении рентгеновского излучения от кристаллов и его распространении в кристаллах. Некоторые из них получили экспериментальное нодгверздешш.. Развитая теория отрадання рентгеновских лучей от случайно неодно-
родных поверхностей позволяет определять статистические характеристики неоднородностей поверхности.
Предсказанные возможности сверхизлучения в слабоусиливающих и слабоанизотропных средах существенно расширили области наблюдения эффекта. Эти ренимн сверхизлучения реализованы в экспериментальных исследованиях. Проведеннне расчеты зависимостей парамет-ров импульсов сверхизлучения от геометрических размеров активных сред важны с точки зрения оптимизации экспериментальных устройств. Предложенные новые механизмы генерации когерентных импульсов (метод самомодуляции добротности и сверхизлучение в резонаторе) расширяют область устройств пригодных для генерации мощных коротких импульсов когерентного излучения. Предложенные критерии сверхизлучения важны с точки зрения экспериментального определения режима генерации.
Апробация -работы. Материалы диссертации были доложены на
следующих конференциях, совещаниях и симпозиумах: УШ Всесоюзной
конференции по когерентной и нелинейной оптике (Тбилиси, 1976),
У Всесоюзной Вавиловской конференции (Новосибирск, 1977), IX Все
союзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград,
1978), Всесоюзной конференции по некорректно поставленным задачам
(Фрунзе, 1979), Всесоюзной конференции "Автоматизация научных
исследований на основе применения ЗШ" (Новосибирск, 1979), Между
народной школе по когерентной оптике и голографии (Прага, I960),
X Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Киев,
I960), УП Всесоюзной Вавиловской конференции (Новосибирск, 1981),
П Всесоюзном симпозиуме по световому эхо (Казань, 1981), XI Все
союзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван,
1982), Всесоюзном совещании по молекулярной люминесценции и её
применениям (Харьков, 1982), Советско-финском семинаре по теорети-
І ' >5Ж _ 7 -
ческим проблемам квантовой электроники (Ташкент, 1983), Школе-семинаре но теории некорректных задач (Самарканд, 1983), Всесоюзном семинаре "Физика поверхности" (Ленинград, 1983), Московской городской конференции "Информатика, вычислительная техника, автоматизация в науке и технике" (Москва, 1983), УШ Всесоюзной Вавилов-ской конференции (Новосибирск, 1984), УІ Всесоюзной конференции по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Паланга, 1984), Всесоюзной конференции "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград, 1984), ХП Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1985), Ш Всесоюзном симпозиуме по световому эхо и когерентной спектроскопии (Харьков, 1985), 1L Всесоюзном совещании "Когерентное взаимодействие излучения с веществом" (Ужгород, 1985), IX Всесовзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (Тбилиси, 1985).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в научных журналах к сборниках, в трудах конференций, симпозиумов, совещаний. Часть материалов Ш и ІУ глав диссертации вошла в качестве составной части в монографію: Андреев А.В., Емельянов В.И., Ильинский Ю.А. "Кооперативные явления в оптике: сверхизлучение^ бистабильность, фазовые переходы", М., Наука, 1988. Перечень основных работ, в которых изложены результаты выполненных исследований, приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 300 страниц машинописного текста, 8? рисунков, Ь таблиц, в списке литературы 433 ссылки.
