WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

ГЕЛЛЕР ЮРИЙ ИСАЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНО – ОПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ НА СВЯЗАННО – СВОБОДНЫХ ПЕРЕХОДАХ ВЕЩЕСТВА

Специальность 01.04.05 - Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Красноярск 2007

Работа выполнена в Институте физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Академии наук Российской Федерации и в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет"

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Шапарев Николай Якимович доктор физико-математических наук Федоров Михаил Владимирович доктор физико-математических наук Садреев Алмаз Фаттахович

Ведущая организация: Институт автоматики и электрометри СО РАН, г. Новосибирск.

Защита диссертации состоится " " 2007 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 003.055.01 при Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН по адресу: 660036, г. Красноярск 36, Академгородок, 50, стр. 38, Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Физики им.

Л.В. Киренского СО РАН.

Автореферат разослан " " 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук Втюрин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы. Прогресс в создании коротковолновых лазеров и развитие методов многофотонной спектроскопии и нелинейного смешения частот на область далекого ультрафиолета стимулировали интерес к изучению высоколежащих состояний атомов и молекул, включая автоионизационные состояния и состояния непрерывного спектра (континуума). Кроме того, с переходами через континуум связано решение многих актуальных задач физики селективного воздействия излучением на вещество, в частности, лазерная фотохимия и разделение изотопов, генерация гармоник в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ) и ультрамягкого рентгена (УМР), получение поляризованных электронов и поляризованных ядер и многое другое. Уже в первых работах по генерации УФ и ВУФ излучений методами нелинейного смешения частот в атомно–молекулярных средах возник вопрос об адекватном эксперименту теоретическом описании нелинейных явлений, когда мощные излучения резонансны переходам в континуум и автоионизационные состояния. Аналогичные проблемы взаимодействия излучений с переходами между некоторыми дискретными состояниями и полосами состояний существуют и в молекулах, кристаллах, высокотемпературных сверхпроводниках, в ядерной физике и физике элементарных частиц. В связи с этим возникает общая проблема описания оптических процессов в условиях резонансов со связанно–свободными переходами сред. Теория таких оптических явлений (в том числе и нелинейных) развита в гораздо меньшей степени, чем в случае чисто дискретных переходов. Фактически исследования нелинейных явлений на связанно–свободных переходах в атомах и молекулах ограничивались такими некогерентными процессами, как многофотонное возбуждение и ионизация, для теоретического описания которых часто достаточно чисто вероятностного подхода, основанного на "золотом правиле Ферми" в квантовой механике. Совсем иначе обстоит дело, например, в случае нелинейного смешении частот, когда суммарная частота превосходит порог ионизации. В этом случае теоретический анализ отнюдь не сводится к прямому перенесению или доразвитию результатов теории нелинейно–оптических явлений на чисто дискретных переходах вещества. В этой связи появилась настоятельная необходимость развития соответствующего теоретического формализма и разработки основных представлений и методов для описания и анализа нелинейно–оптических процессов, идущих с участием переходов в сплошной спектр состояний. Кроме того, воздействие мощного лазерного излучения на среду может приводить к изменению спектральных характеристик переходов в континуум. Главной особенностью такого радиационного изменения спектральных свойств среды является возможность проводить их целенаправленным образом, т.е. фактически управлять нужными процессами.

С практической точки зрения наиболее интересными являются возможности управления процессами преобразования частот с целью увеличения эффективности преобразования и устранения ряда ограничивающих процессов.

Кроме того, частотно – селективное воздействие излучением открывает новые возможности нелинейной спектроскопии малоизученных автоионизационных состояний.

Все это и определяет актуальность работы, направленной на поиск решения указанных вопросов. Важность такого рода работы обусловлена не только исследованием и описанием новых физических явлений, но и представляет интерес для создания новых приборов, методов спектроскопии и средств воздействия излучением на вещество.

Цель и задачи работы. Основной целью работы является изучение особенностей нелинейно-оптических процессов на переходах между дискретными состояниями и континуумом, их использованию в спектроскопии вещества и для управления спектральными характеристиками переходов в сплошной спектр состояний. Исследования охватывают широкий круг явлений: многофотонная ионизация, нелинейное смешение частот, многофотонная спектроскопия, рассеяние излучений на связанно–свободных переходах газов и твердых тел и др. Характерной особенностью процессов является интерференция переходов в континуум, которая обусловливает ряд новых свойств нелинейных явлений на связанно–свободных переходах вещества.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые единым образом проведено комплексное исследование нелинейно – оптических явлений на переходах в континуум и автоионизационные состояния, предложен и в ряде случаев реализован метод управления спектральными характеристиками континуума в газах. Предсказаны явления значительного изменения (уменьшения или увеличения) ширин автоионизационных резонансов в полях излучений умеренной интенсивности, безынверсного усиления излучений на переходах в автоионизационные состояния, подавления многофотонной ионизации за счет генерации излучения суммарной частоты в оптически плотных средах. Впервые развит четырехмерный векторный формализм для описания взаимодействия дискретных состояний на фоне континуума, что позволило единым образом рассмотреть целый ряд различных физических явлений в оптике, нелинейной спектроскопии и физике K0–мезонов. Проведенные исследования получили дальнейшее экспериментально – теоретические развитие как у нас в стране, так и за рубежом. Результаты работы достаточно широко цитируются в мире в ведущих научных изданиях: Nature 339, 1(1992), Physics Today 45, 17 (1992), Physics Reports 219, 175 (1992), Progress in Quantum Electronics 13, 1 (1989), Phys.Rev.Lett., Phys.Rev., УФН, ЖЭТФ, моногарафии и др. В основу диссертации положены теоретические и экспериментальные разработки, идеи и методы, позволившие получить ряд новых результатов предсказательного характера и имеющие приоритетное значение.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Взаимодействие дискретных состояний с континуумом сопровождается не только их распадом и затуханием атомного осциллятора, но и сохранением когерентности, которая является следствием самосогласованного распада состояний в континуум. Наглядным математическим выражением этого служит четырехмерность векторного описания взаимодействия двух дискретных состояний на фоне континуума.

2. Воздействие лазерного излучения на переход из дискретного состояния в континуум изменяет резонансным образом спектральные характеристики смежных квантовых переходов. Форма возникающих резонансов зависит от процессов наблюдения. Изменения связанно–связанных переходов сопровождаются смещением их частот и уширением, тогда как на переходах в континуум возникают резонансы по форме аналогичные автоионизационным. Эти резонансы могут существенно влиять на оптическую активность сред, многофотонную ионизацию, поляризацию и угловое распределение фотоэлектронов, нелинейные восприимчивости высших порядков. При этом параметры формы линии автоионизационно– подобных резонансов определяются вкладом как нерезонансных состояний дискретного спектра, так и континуумом.

3. Процессы фотоионизации газообразных сред в области частот автоионизационных резонансов могут приводить к возникновению электрического тока, спектральная зависимость которого описывается производной по частоте от автоионизационных спектров. Такая зависимость открывает возможность спектроскопии первой производной автоионизационных резонансов, позволяющей более контрастно определять асимметрию спектров.

4. Возмущение излучением переходов в автоионизационные состояния может сопровождаться значительным сужением или уширением автоионизационных резонансов при энергиях взаимодействия меньших конфигурационных, что связано с сохранением когерентности в процессе взаимодействия. Немонохроматичность лазерного излучения препятствует эффекту сужения, поэтому наблюдается только уширение резонансов.

5. При стационарном возбуждении состояний в низкотемпературной плазме движение населенностей на переходах в автоионизационные состояния под действием резонансного излучения не ограничивается известным эффектом насыщения. Такая особенность движения населенностей обусловливается тем, что для переходов в автоионизационные состояния вероятности поглощения и индуцированного испускания в узком спектральном интервале не совпадают, что приводит к возможности усиления излучения и без инверсии населенностей. При этом принцип детального равновесия выполняется только для интегральных по частотам процессов испускания и поглощения.

6. Процессы многофотонной ионизации и нелинейного смешения частот могут оказывать существенное взаимовлияние. Генерация излучения суммарной частоты и нечетных порядков в газообразных средах приводит к альтернативному каналу ионизации, что в оптически плотных по суммарной частоте средах проявляется в подавлении или увеличении вероятности многофотонной ионизации в зависимости от состава и давления примесных газов. С другой стороны многофотонная ионизация снижает эффективность процесса нелинейного смешения частот на переходах в дискретном спектре состояний и не изменяет интегрального по числу квантов коэффициента преобразования в процессах генерации суммарной частоты на переходах в континуум.

7. Интерференционный характер автоионизационных спектров позволяет сочетать высокую частотную дисперсию коэффициента преломления с малой величиной поглощения при настройке частоты излучения в спектральный интервал "окна прозрачности" уединенного или серии перекрывающихся автоионизационных резонансов. Это дает возможность управлять величиной задержки импульсов и их групповой скоростью, магнитооптическими эффектами, а также эффектами увлечения излучений движущимися средами.

Результаты, полученные в диссертации, основываются на квантовой теории и методах нелинейной оптики, многие выводы проверяются на точно решаемых моделях и согласуются с имеющимися эксперементальными данными.

Научная и практическая значимость работы. Рассмотренные в диссертации новые нелинейно–оптические явления расширяют возможности изучения физических процессов в вакуумно–ультрафиолетовом (ВУФ) и мягком рентгеновском (МР) диапазонах длин волн газообразных сред и поиска новых областей их применения. Теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия дискретных состояний с континуумом и методы анализа таких взаимодействий могут найти и уже находят применения далеко за пределами собственно нелинейной оптики. Ряд научных выводов и положений непосредственно переносятся на оптику анизотропных сред, физику твердого тела и физику элементарных частиц, что и продемонстрировано в диссертации. Проведенные исследования стимулировали значительное число теоретических и экспериментальных работ по лазерному воздействию на переходы в сплошной спектр. Выполненный в диссертации анализ поляризационной спектроскопии нелинейных резонансов в континууме экспериментально подтверждает и позволяет существенно расширить область применения поляризационной лазерной спектроскопии.

Предсказанный эффект безынверсного усиления излучения на переходах в автоионизационное состояние может быть использован для получения когерентного коротковолнового излучения.

Предложенный метод индуцирования узких нелинейных резонансов в произвольной области континуума может быть применен для увеличения эффективности процессов нелинейного смешения частот, многофотонной ионизации, получения поляризованных фотоэлектронов, прецизионной спектроскопии мезоатомов. Первые эксперементальные исследования показали существенное влияние индуцирующего излучения на генерацию третьей гармонии и трехфотонную ионизацию в парах натрия и в ксеноне.

Проведенные исследования по резонансному радиационному управлению спектральными характеристиками переходов в континуум и автоионизационные состояния, изучения многофотонных процессов с участием континуума составляют основу нового научного направления нелинейной резонансной оптики связанно–свободных переходов вещества.

Практическая значимость работы определяется уже тем, что она является частью нелинейной резонансной оптики.

Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации докладывались и обсуждались: на IX (Ленинград, 1978), X (Киев, 1980), XI (Ереван, 1982), XII (Москва, 1985), XIII (Минск, 1988г.) Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике; Сессии научного совета АН СССР по проблеме "Когерентная и нелинейная оптика" (Ташкент, 1979);

II Международной конференции по многофотонным процессам (Будапешт, 1980); Международной конференции "Лазеры-80" (США, 1980); VII (Новосибирск, 1981) YIII (1984), IX (1987) Вавиловских конференциях по нелинейной оптике; X Национальной конференции по атомной спектроскопии (Тырново, 1982); Всесоюзный семинар "Приборы и методы ВУФ спектроскопии.

Диагностика плазмы" ВУМА-82 (Таллин, 1982); IY Всесоюзной конференции "Перестраиваемые по частоте лазеры" (Новосибирск, 1983), XIX (Томск, 1983) и XX (Киев, 1988) Всесоюзных съездах по спектроскопии; Всесоюзном совещании по комбинационному рассеянию света (Шушенское, 1983);

III Всесоюзном научном семинаре "Автоионизационные явления в атомах" (Москва, 1985); III Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света (Душанбе, 1986); Всесоюзном совещании "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск, 1986);

Всесоюзном семинаре "Резонансные нелинейные оптические процессы в газах" (Дивногорск, 1986), Всесоюзном совещании "Применение колебательных спектров к исследованию неорганических и координационных соединений" (Шушенское, 1987); Межведомственное совещание "Элементарные процессы в поле лазерного излучения"(Воронеж, 1989); IV Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света (Ужгород, 10-октября 1989г.); IX Международной школе по когерентной оптике (Ужгород, 1989); Международный симпозиум "Коротковолновые лазеры и их применения"(Самарканд, 1990); Всесоюзном семинаре по атомной спектроскопии (Москва, 1990); V Международная конференция по многофотонным процессам (Париж, 1990); Семинар "Лазерная резонансная ионизационная спектроскопия и многофотонные процессы"(Новосибирск, 1991), Третьей международной конференции "Лазерные взаимодействия"(Крит, Греция, 1993), 15-й Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике и 8й конференции "Оптика лазеров"(С.-Петербург, 1995г.); IX Международной школе-семинаре по Люминесценции и Лазерной физике (Иркутск, 2004); IV International Symposium on Modern Problems of Laser Physics (Новосибирск, 2004); In ICONO/LAT 2005 (St. Petersburg, Russia, 2005); "Фундаментальные проблемы оптики" (ФПО - 2006, Санкт - Петербург, Россия); на научных семинарах в Китае (Харбинский технологический институт, 1995), Италии (Международный центр теоретической физики, Триест 1991) и Израиле (Институт им. Вейцмана, 1996), а также на семинарах ИАиЭ СО РАН, ИХК и Г СО РАН, ИФ СО РАН, ЛГУ.

Публикация результатов диссертации. Основное содержание диссертации отражено в монографии на русском и английском языках, 40 статьях, а также в препринтах и трудах указанных выше конференций и семинаров, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, семи глав и Заключения. Содержание работы изложено на 292 страницах машинописного текста, включая 40 рисунков, две таблицы и списка цитированной литературы из 426 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обсуждена актуальность темы, указано место диссертационной работы в исследованиях нелинейных явлений на связанно–свободных переходах вещества, обоснована постановка задачи диссертации и ее общая характеристика, а также изложены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 призвана дать ответы на следующие вопросы: что нового в структуру уравнений для амплитуд вероятностей и матрицы плотности вносят взаимодействия с континуумом, каковы особенности получения этих уравнений и, наконец, каковы общие свойства их решений Анализ начинается с вопросов математического описания подробно обсуждается вывод укороченных нестационарных уравнений. Затрагиваются недостаточно освещавшиеся прежде в литературе вопросы о применимости этих уравнений и их сопоставления со стационарным формализмом Фано. Обсуждение указанных вопросов в данной главе базируется на нестационарной теории Лисицы и Яковленко.

Взаимодействие дискретного спектра состояний с континуумом (в том числе и посредством электромагнитного поля) может быть описано в рамках обычного формализма матрицы плотности, в котором состояния континуума входят равноправным образом. Однако в большинстве случаев спектральных континуумов реальных физических объектов полная система уравнений может быть разделена на "быструю" и "медленную" подсистемы, что позволяет значительно упростить исходную систему уравнений путем исключения динамических переменных, явно включающих состояния континуума. Основой для такого "укорочения" системы уравнений является наличие специфически малых величин для процессов взаимодействия дискретных состояний с континуумом. В приближении релаксационных констант кинетическое уравнение приобретает вид:

d + + () = -i(V - V ) + Q, (1) dt где V – эффективная неэрмитовая матрица взаимодействия, которая в общем случае содержит как диагональные, так и недиагональные элементы. Такая запись уравнения (1) с неэрмитовым V достаточно общая и описывает ши рокий класс физических явлений. Q – функция возбуждения уровней; () – релаксационная матрица, обусловленная взаимодействием только с дисси пативной системой при V 0 (радиационная спонтанная релаксация, столкновения). Таким образом в уравнении (1) учтен целый ряд релаксационных процессов: радиационное уширение, уширение столкновениями в модели релаксационных констант, ионизационное уширение (диагональные элементы антиэрмитовой части V ).

Замечательной особенностью системы (1) является то, что она описывает взаимодействие между собой только дискретных состояний, но посредством эффективной неэрмитовой матрицы взаимодействия V. В общем случае V можно разложить на эрмитовую G и антиэрмитовую части, т.е. V = -i.

Формализм матрицы плотности позволяет проследить такой нетривиальный факт, что неэрмитовость связана не только с возможностью распада дискретных состояний в континуум, но и с когерентностью их распадов, обязанной недиагональным элементам матрицы . Действительно, вычисление шпура от обеих частей (1) и приравнивание его к нулю не устраняет неэрмитовости V. Таким образом, если диагональные элементы описывают релаксацию со стояний по отношению к переходам в континуум (ионизационное уширение), то наличие недиагональных элементов означает, что релаксация отдельных уровней оказывается связанной с другими. Такая специфика самосогласованного уширения приводит к ряду существенных особенностей во взаимодействии дискретных состояний с континуумом, которые подробно рассматриваются в последующих главах.

Укороченных уравнений (1) достаточно для определения таких наблюдаемых величин, как вероятность ионизации в единицу времени и скорость ухода из некоторого дискретного состояния k в континуум k и другие.

Простейшей моделью нелинейно–оптического взаимодействия электромагнитного излучения с переходами в континуум является двухуровневое приближение, когда частота излучения близка к переходу между двумя выделенными энергетическими состояниями вещества, которые могут распадаться в континуум. Представление о двухуровневой системе в силу ее простоты позволяет анализировать обширный класс физических явлений даже и в том случае, когда систему двух уровней нельзя считать строго замкнутой. Известно, что двухуровневой системе в оптике можно сопоставить простую и наглядную векторную модель. При этом задача о резонансном взаимодействии монохроматического поля со средой сводится к исследованию процессии вектора "псевдоспина" в "энергетическом пространстве". Однако при учете процессов релаксации область применимости указанной модели ограничена. Особенно наглядно ограниченность "трехмерного" векторного описания проявляется в случае взаимодействия посредством излучения двух дискретных состояний на фоне непрерывного спектра. Незамкнутость двухуровневой системы приводит к необходимости четырехмерного описания. Для двух состояний 1 и 2 кинетическому уравнению (1) можно сопоставить уравнение для четырехвектора aµ = (a0, a), компоненты которого связаны с матрицей плотности соотношениями:

1 = µaµ = a0 - a, a0 = Sp , a = - Sp , 2 где –матрицы Паули. Величина a0 в общем случае является независимой переменной.

Тогда уравнение (1) представляется в четырехмерном виде, инвариантном относительно лоренцевских преобразований "энергетического пространства":

d µ aµ + µa = F a + fµ, (2) dt где индексы µ, пробегают значения 0, 1, 2, 3; fµ = (f0, f) – четырехвектор возбуждения уровней. В отсутствие передачи когерентности f0 = (1/2)(Q1 + µ Q2), f3 = (1/2)(Q2 - Q1). В явном виде µ и F представляются 4 µ матрицами. Тензор релаксации µ – симметричный, а F – антисимметµ ричный. Как всякий антисимметричный 4–тензор F может быть выражен µ через компоненты двух "трехмерных" векторов: F = (-d, h). Уравнение (2) для 4–вектора псевдоспина в предельных случаях ("трехмерные" пределы) сводится к уравнению Френкеля для релятивистского спина в электрическом и магнитном полях, к оптическому уравнению Блоха и к уравнению Ландау–Лифшица для намагниченности ферромагнитного образца. В ситуации, когда доминирует радиационное и ионизационное уширения переходов, найдено и проанализировано точное решение четырехмерного уравнения. В общем случае дефазирующих столкновений построено квазистационарное решение и указана область его применимости.

Завершающий Главу 1 раздел посвящен исследованию квазиэнергетических состояний (КЭС) на фоне непрерывного спектра. Особое внимание уделено анализу неортонормированности КЭС и их трансформационным свойствам в эффективном пространстве. Рассмотрены проявления неортонормированности КЭС в процессах ионизации и энергетическом распределении фотоэлектронов. Четырехмерный векторный формализм выявил Лоренц – инвариантность КЭС в энергетическом пространстве, что позволило указать общие условия неортонормированности КЭС, упростить и унифицировать математические правила использования таких состояний, а также построить ортогональный набор четырехкомпонентных КЭС типа биспиноров Дирака.

Полученные общие закономерности конкретизируются в последующих главах при анализе нелинейно–оптических явлений и на ряде других физических объектах.

Глава 2 посвящена теоретическому и экспериментальному исследованиям нелинейных резонансов в континууме, возникающих под действием электромагнитной волны, резонансной переходу из дискретного состояния в континуум. В результате такого воздействия изменяются спектральные характеристики смежных атомных переходов, что может приводить к резонансному изменению фотопоглощения, оптической активности среды, процессов нелинейного смешения частот, одно- и многофотонной ионизации, а также углового распределения и поляризации фотоэлектронов. При этом в ряде случаев форма нелинейных резонансов оказывается полностью аналогичной автоионизационным резонанасам. Возможность такой аналогии связана со следующим. При воздействии на среду излучением частоты , резонансной переходу между возбужденным дискретным состоянием n и состояниями непрерывного спектра, в компаунд системе "атом+излучение" уровень n оказывается на фоне континуума. Поэтому формально применима теория автоионизационных состояний. Аналогичный подход возможен и в методе пробного излучения. В отсутствие индуцирующего излучения спектр поглощения или ионизации под действием пробного излучения частоты 0, резонансной переходу из основного состояния g в континуум, представляет плавную кривую в соответствии с плавным изменением сил осциллятора переходов в континуум. Включение индуцирующего излучения с амплитудой поля E приводит к изменению характеристик смежного перехода в континуум. В рамках теории возмущений по E изменение спектра смежного перехода объясняется возникновением двухфотонных преходов с уровня g на уровень n, когда пробное излучение поглощается, а излучение на частоте испускается. В результате интегральное по углам вылета и поляризации электронов сечение ионизации (0) определяется двумя каналами перехода атома с уровня g в континуум:

одноступенчатой ионизацией атомов только за счет пробного поля частоты и трехфотонной ионизацией, обусловленной двухквантовым заселением уровня n и последующей однофотонной ионизацией под действием поля частоты . Интерференция двух каналов ионизации и приводит к характерному резонансу типа Бетлера–Фано. В общем случае сильных индуцирующих полей становятся важными процессы высших порядков, связанные с испусканием и поглощением нескольких фотонов частоты . Тогда появление резонанса в континууме интерпретируется как возникновение квазиуровня на частоте r = n + + nn, обусловленного смешением дискретного уровня n с континуумом под действием поля E и с учетом полевого сдвига nn. При этом форма нелинейного резонанса оказывается аналогичной автоионизационному резонансу на частоте r.

Экспериментальное исследование нелинейных резонансов в континууме затруднено в основном по двум причинам. Во-первых, малые значения показателей поглощения на переходах в континуум обусловливают необходимость использования протяженных газообразных сред с относительно высоким давлением газа. Во-вторых, достаточно трудно обеспечить высокую интенсивность лазерного излучения на всей длине среды. В связи с этим поляризационный метод спектроскопии развит на переходы в сплошной спектр состояний. При феноменологическом подходе индуцирующее излучение поляризации e приводит к появлению нелинейной добавки к линейной восприимчивости пробного излучения поляризации e0:

NL = k(0, )|(e e0)k|2, (3) k=где (e e0)k – тензорное произведение комплексных поляризаций ранга k, величины k(0, ) зависят от интенсивности индуцирующего излучения. В результате восприимчивости нормальных волн пробного излучения оказываются различными, и поляризация пробного излучения изменяется при распространении в среде.

Разработана методика измерений, позволяющая определять разность восприимчивостей для линейно – поляризованной пробной волны в присутствие циркулярно – поляризованного индуцирующего излучения при изменении его поляризации на противоположную. Использовались схема переходов атомов цезия Рис. 1.

Эксперимент состоял в следующем. Сильное циркулярно–поляризованное излучение первой гармоники неодимового лазера на гранате, сме = 1.06 мкм шивая состояние 8S1/2 с состояниями контину5/7d ума, возмущает смежный переход из основного 3/7d состояния 6S1/2 и приводит к повороту плоско1/8s сти поляризации линейно–поляризованного на 0 = 297 nm входе в кювету с парами цезия пробного излучения. В качестве пробного излучения использовалась вторая гармоника излучения лазера на красителе родамин B.

Получена экспериментальная зависимость 1/6s угла поворота от частоты пробного излучения Рис. 1. Схема переходов при давлении паров цезия около 5 тор и интенсивности сильного излучения порядка 108 атомов цезия.

Вт/см2. При этих значениях зависимость угла поворота от интенсивности сильного поля еще носила линейный характер. Максимальное значение угла поворота соответствовало условиям, когда разность частот пробного и сильного излучений была близка к частоте перехода 6S1/2 - 8S1/2. Аналогичные исследования выполнены и для перехода 6S1/2 -7D3/2, 5/2. Максимальное значение угла поворота в экспериментальных условиях достигало 7, 2 · 10-рад. Зависимость угла поворота от частоты согласуется с развитой теорией.

Обработка экспериментальных данных позволила найти параметры контура нелинейного резонанса, а также оценить максимальное значение уменьшения сечения поглощения, которое составляло в условиях эксперимента 10%, а максимальное значение увеличения 500%.

Рис. 2. Лазерно индуцированный поляризационный резонанс в сплошном спектре атомов цезия.

Представлена зависимость угла поворота плоскости поляризации пробного излучения (в единицах первоначального угла приоткрытия поляризатора 0) как функция отстройки частоты 0 в области частот 0 - 8s - 6s.

1/2 1/Основные результаты эксперимента состоят в следующем. Тестовые эксперименты для линейно и колинеарно поляризованного сильного излучения, но в области далекой от резонанса, а также в отсутствие паров цезия, в пределах ошибки измерения показали отсутствие сигнала поворота. При этом принимались специальные меры для устранения побочных источников поворота и для их учета с помощью канала сравнения.

Эти меры позволили довести чувствительность установки при измерении угла поворота до величины (5 7) · 10-4 рад. При давлении паров цезия около 5 тор, начальном угле поворота анализатора 0 = 5 · 10-3 рад., степени поляризации исходного пробного излучения порядка 10-4 и спектральной ширине излучений 0, 2 см-1 экспериментальная зависимость угла поворота от частоты пробного поля приведена на Рис. 2.

Каждая экспериментальная точка получена усреднением по 640 импульсам сильного поля. Исследование зависимости угла поворота от интенсивности сильного поля выявило линейную зависимость в области интенсивностей порядка 108 Вт/см2, которые обеспечивал лазер. Максимальное значение угла поворота в указанных условиях достигало 7, 2 · 10-3 рад.

Особый интерес для нелинейной оптики представляет возможность управления процессами нелинейного преобразования частот в коротковолновую область спектра путем индуцирования нелинейных резонансов в континууме газообразных сред.

В этой связи выполнен цикл совместных с Софийским университетом (Болгария) экспериментально – теоретических исследований проявления индуцированных резонансов в континууме в многофотонных процессах. Экспериментально управление нелинейной восприимчивостью было осуществлено в парах натрия при утроении частоты лазера на красителе родамин 6Ж при одновременном воздействии на среду мощного излучения на частоте второй гармоники неодимового лазера на стекле. Эксперимент состоял в утроении частоты излучения 1 лазера на красителе родамин 6Ж в парах натрия при одновременном воздействии на среду мощного излучения на частоте второй гармоники неодимового лазера на стекле (Рис. 3). Исследовалось появление резонанса в области 31 5s + , где 5s = – энергия уровня 5s атома 5s натрия.

Форма линии генерации как функция суммарной частоты представлена в виде, удобном для сравнения с экспериментом:

(x + Q)2 + AI(s) |(3)+r|2f(x) = |(3)|2 f(x), 0 1 + xгде x = (s - )/ – нормированная отстройка частоты s от частоты резонанса в континууме , приведенная к ширине этого резонанса ;

Q (qlg + qln - qng + qlgqlnqng)(1 + qng)-1;

A (qngqlg + qngqln - qlgqln)(1 + qng)-1 - 1;

Величина определяется отношением соответствующих интегралов перекрытия волновых функций и может изменяться от нуля до единицы. Когда уровни n, l, g, вовлеченные в проРис. 3. Схема энергетицесс, взаимодействуют только с одним общим ческих уровней атома насостоянием континуума, то = 1, а относитрия.

тельный вклад r определяется только интенсивностью излучения I. Для достижения наибольшего эффекта индуцирования требуются такие интенсивности I, чтобы параметр был максимален.

Оценки характерных параметров показывают, что требуется интенсивность I 106 109Вт/см2. Функция f(x) – интеграл волнового синхронизма с учетом вклада каскадных процессов, приводящих к резонансной зависимости показателей поглощения (s) и преломления n(s) для генерируемого излучения на частоте s. Если вкладом указанных процессов можно пренебречь, то зависимость I(s) определяется только дисперсией нелинейной восприимчивости. При этом параметры Q и A характеризуют форму линии нелинейного резонанса, которая в общем случае имеет максимум и минимум.

Экспериментальная зависимость мощности I(s) |(3)(s)|2 генерации третьей гармоники от частоты (Рис. 4) имеет вид асимметричного резонанса с максимумом при s 52077, 79см-1, что подтверждает участие уровня 5s в нелинейном процессе. Экспериментально наблюдалось увеличение мощности генерации в максимуме в 18 раз. Анализ схемы переходов атома натрия (Рис. 3) с учетом распределения сил осцилляторов и выходов из резонансов показывает, что основной вклад в восприимчивость в качестве состояния m дает уровень 3p, а в качестве состояния n состояние 4d (вклад состояния 4d приблизительно на порядок превосходит вклады других уровней). Таким образом, для оценки сумм в числителях характерных параметров формы линии генерации qij оказалось достаточным ограничиться квазидвухфотонным резонансом с уровнем 4d. Суммирование же по состояниям ap дискретного спектра (a = 3 7) быстро сходится. Тогда, в пренебрежении интегрированием по континууму, получены значения: |qng| 3,4, |qlg| 0,3 0,4, qln -464.

Рис. 4. Автоионизационно - подобный резонанс в генерации третьей гармоники. Сплошная кривая проведена по теоретической формуле методом наименьших квадратов.

Радиальные матричные элементы для переходов между дискретными состояниями 4d, 5s и континуумом вычислялись по методу квантового дефекта.

Матричный элемент 3s R p оценивался из известного экспериментального значения сечения ионизации 3s = 2·10-20см2, так как область непрерывного спектра с 190 нм соответствует купперовскому минимуму, где существенен учет спин–орбитального взаимодействия в континууме, и поэтому расчет по методу квантового дефекта встречает трудности.

Из сопоставления теоретической формулы с экспериментальной зависимостью (Рис. 4) следует, что типичное значение ширины нелинейного резонанса составляет 0,44 см-1. Это значение превосходит ширины спектров излучений лазера на красителе и второй гармоники ( 0,1см-1). При пиковой мощности излучения второй гармоники в отдельном импульсе W 1Вт, интенсивность индуцирующего излучения I 109 Вт/см2. Расчет, выполненный по методу квантового дефекта, дает величину сечения ионизации с уровня 5s 5s 2,3 · 10-18 см2. Используя это значение, получаем ll 2,8I(Вт/см2) = 2,8 · 109c-1. Оценка для qll дает qll 10 12. Отсюда следует, что, по-видимому, основным механизмом уширения нелинейного резонанса является флуктуация светоиндуцированного сдвига уровня l:

ll 1 + qll (2,8 3,4) · 1010c-1 0,2 см-1;

При этом 0,15.

Оценка вклада каскадных процессов в генерацию излучения суммарной частоты основывалась на том, что максимальное полевое изменение показателя поглощения:

[(s) - 0]/0 = lgqlg 2 · 10-2 1, где 0 – невозмущенный показатель поглощения; lg | l|g |2 = 1. А максимальное полевое изменение волнового вектора ks излучения на суммарной частоте s составляет величину :

(0/2)lg(1 + |qlg|)2.

Как показывает расчет, эта добавка по крайней мере в 103 раз меньше разности невозмущенных волновых векторов излучений ks - 3k1. Таким образом, частотной зависимостью интеграла синхронизма можно пренебречь.

С учетом того, что |qln| |qlg|, |qng|, выражения для Q и A можно упростить:

2 Q qln(1 + qlgqng)/(1 + qng), A + 1 qln(qng - qlg)/(1 + qng).

Оценка параметра Q затруднена, так как он оказался очень критичным к произведению qlgqng. Грубая оценка дает qlgqng -(1 1,3). Для совпадения с экспериментом (Q < 0) при qln < 0 необходимо, чтобы это произведение было либо положительным, либо по модулю меньше единицы. Оценка A2 дает A2 1.

Для совпадения с экспериментом необходимо, чтобы A2 = 15,4, Q = -1,63, что качественно согласуется с теоретическими оценками. При интенсивности индуцирующего излучения I 109 Вт/см2 увеличение мощности генерации в максимуме резонанса составляло 18 раз. Выбор других схем переходов, для которых |Q| 1, позволит получить б ольший выигрыш.

Расчет параметров для экспериментальной схемы переходов выявил ряд аномально больших составных матричных элементов переходов, что позволило провести впервые наблюдение индуцированных резонансов в континууме методом поляризационной спектроскопии нелинейной восприимчивости пятого порядка.

Применение циркулярно–поляризованного индуцирущего излучения приводит к оптической анизотропии нелинейных восприимчивостей высших порядков. Применительно к экспериментальной ситуации в парах натрия индуцированные резонансы в коэффициентах поглощения и преломления в области частот основного излучения лазера на красителе появляются в нелинейности пятого порядка по E1.

Для определения поляризационной анизотропии ячейка с парами натрия помещалась между двумя скрещенными призмами Глана. Для увеличения чувствительности аппаратуры и определения знака поляризационных эффектов вторая призма Глана (после кюветы с натрием) поворачивалась на фиксированный угол 0 = 46 мрад относительно положения минимального пропускания. Измерялась величина = (F1 -F0)/F0 в зависимости от частоты излучения лазера на красителе. Здесь F0 – величина сигнала детектора в присутствие индуцирующего излучения, но вне резонанса; F1 – величина сигнала в области трехфотонного резонанса с индуцированным в континууме квазиуровнем. Оценка (5) |(5)|/N, где N–плотность паров натрия, выполнялась с учетом экспериментально известного сечения трехфотонной ионизации 3 = 3 · 10-75 см6с2. Расчетное значение (5) приблизительно в 106 раз превосходит типичное значение в отсутствие нелинейного резонанса в континууме. Экспериментально этот вывод подтвердился. Для зависимости от частоты найдена формула F1 x + b = - 1 = 0(1, ), (4) I1[(0 + NR)2 + a2] 1 + xгде 0(1, )–медленно зависящий от частот параметр, b–параметр асимметрии кривой, выражающийся через атомные характеристики и параметры среды.

Обработка экспериментальных данных методом наименьших квадратов по формуле (4) дала: b = 0, 352; = 0, 41 см-1, что совпадает с характерной шириной резонанса в генерации третьей гармоники. Исходя из данного значения параметра асимметрии было получено значение (5) |(5)|/N = эфф. c2| |I1/642 1,9 · 10-37ед. СГСЭ, что по порядку величины совпадает с теоретической оценкой. Таким образом, индуцированные резонансы в континууме для одной и той же схемы переходов по-разному проявляются в генерации третьей гармоники и в нелинейной восприимчивости пятого порядка.

Проведено также исследование проявления индуцированных дополнительным лазерным излучением резонансов в спектрах многофотонной ионизации.

Особенностью процессов многофотонной ионизации в полях излучений двух длин волн является наличие нескольких каналов ионизации, что при регистрации суммарного тока требует выполнения определеных условий для наблюдения резонансного сигнала. Выделены два необходимых ограничения на интенсивности излучений, связанные с условиями превышения резонансного сигнала над нерезонансным фоном и с квазистационарностью (спектроскопическим пределом) процесса ионизации. На основе развитой теории анализируются имеющиеся экспериментальные данные.

Третья глава посвящена многофотонным методам исследования автоионизационных резонансов (АР) атомов и молекул. Применение методов многофотонной ионизации и нелинейного смешения частот позволяет обнаружить новые автоионизационные резонансы и получить дополнительную информацию об исследованных АР методом линейной спектроскопии. Форма АР для одного и того же автоионизационного уровня, как правило, оказывается зависящей от того, с какого уровня дискретного спектра он наблюдается и каков механизм процесса этого наблюдения. Поэтому многофотонные процессы содержат большую информацию об АР и позволяют исследовать состояния, недоступные в силу правил отбора методам линейной спектроскопии.

В случае многофотонной ионизации поглощение K фотонов излучения приводит к переходу атома из основного состояния g в автоионизационное , безызлучательно распадающееся в континуум за счет конфигурационного взаимодействия. Кроме того, возможно прямое многофотонное поглощение в континуум. В результате интерференции каналов распада спектр ионизации как функция частоты излучений будет иметь характерную асимметричную форму. При этом с точки зрения спектроскопии уровня оказывается существенным наличие многофотонных резонансов в дискретном спектре. Если существует (K - 1)–фотонный резонанс с некоторым дискретным уровнем n, то было показано, что выражение для спектра АР имеет вид аналогичный спектру АР в линейной спектроскопии. Однако параметры контура линии АР оказываются зависящими от характеристик возбужденного уровня n. Рассмотрен также случай, когда в ионизацию дает вклад большое число промежуточных состояний. Параметры контура линии в этом случае уже определяются составными матричными элементами, зависящими от частот излучений и выбора схемы переходов, и поэтому они теряют фундаментальный смысл.

В отличие от многофотонной ионизации двухфотонное поглощение не связано с регистрацией продуктов ионизации и не требует применения атомных пучков. Спектр поглощения слабого пробного излучения на частоте 0 в присутствии мощного излучения с частотой , близкой к частоте перехода между возбужденным незаселенным уровнем n и автоионизационным , содержит резонансную полевую добавку. Так же как и в многофотонной ионизации, спектр дает информацию о параметрах АР относительно возбужденного состояния .

Использование поляризационных особенностей двухфотонного поглощения значительно расширяет возможности метода. Воздействие циркулярно поляризованного излучения на частоте приводит к резонансной оптической анизотропии среды для линейно–поляризованного излучения на частоте 0.

В результате этого плоскость поляризации излучения поворачивается и возникает его эллиптичность. Дисперсия угла поворота и степени эллиптичности содержит информацию о форме и положении АР, что открывает возможности высокочувствительной спектроскопии АР переносом информации в видимый диапазон.

Нелинейные процессы типа a = 1+2-3 и a = 31+2-3 зависят от промежуточных резонансов и могут быть использованы для спектроскопии (Рис. 5). В случае промежуточных АР спектр генерируемого излучения, определяемый квадратом модуля нелинейной восприимчивости (a), содержит все характеристики АР. Для сравнения с экспериментом может оказаться удобной параметризация контура АР в мощности генерации на разностной частоте в виде:

(x - x2)I(a) (3) 1 - |Q/x2| + |Q/x2| = 1 + x(x - x2)= |d|2 + |a|2. (5) 1 + xгде (3) – нелинейная восприимчивость в отсутствие автоионизационного уровРис. 5. Схемы нелинейных процессов вычитания частот с промежуточным автоионизационным уровнем .

ня или при большой отстройке частот от резонанса с ним; a и d–резонансная и нерезонансная части восприимчивости, x–нормированная отстройка суммы частот от промежуточного резонанса с автоионизационным состоянием; величина Q определяется комбинацией фундаментальных параметров АР, а x2–величиной асимметрии АР. Такая запись I(a) полностью аналогична зависимости фотопоглощения вблизи резонанса с автоионизационным уровнем, поэтому справедливы все методы анализа таких контуров. Например, из экспериментальной кривой можно определить характерную ширину резонанса (g + ), положение (g + ), а также Q, K, |d|2 и |a|2.

Кроме того, условия волнового синхронизма оказываются независящими от параметров АР, что значительно облегчает наблюдение спектра. Можно показать, что для шестифотонного процесса (Рис. 5б) зависимость мощности генерации от частоты будет иметь такой же вид при трехфотонном резонансе с переходом ng.

Измерение параметров асимметрии автоионизационных резонансов (АР) является одной из важнейших задач их спектроскопии. В настоящее время значительные успехи достигнуты в изучении автоионизационных состояний методами многофотонной ионизации атомов. Однако разрешающая точность экспериментальных результатов часто оказывается такова, что трудно сделать количественный вывод о степени асимметрии. Особенно это касается узких интенсивных АР, имеющих важное значение для лазерного разделения изотопов.

Следующий раздел посвящен анализу одного из способов спектроскопии первой производной автоионизационных спектров. Известно, что спектральная производная позволяет более точно и контрастно производить измерения тонких структур спектров и их асимметрии. Однако на пути реализации этого метода возникают значительные технические трудности. Предлагаемый же здесь метод основывается на прямом измерении первой производной спектров АР в газовой ячейке путем регистрации ионного тока при фотоионизации без привлечения дополнительных электронных устройств и модуляции частоты лазерных излучений. Это оказывается возможным из-за различия вероятностей ионизации атомов, двигающихся с тепловыми скоростями v и -v относительно волнового вектора излучений.

Особенность ионизации через резонансное автоионизационное состояние состоит в том, что характерная полуширина автоионизационного резонанса a как правило значительно превосходит характерную доплеровскую ширину. Однако и в этом случае возможна асимметрия направлений движения ионов из-за различия вероятностей фотоионизации в области АР для атомов, движущихся с проекциями скоростей v и -v на направление волнового вектора k излучения. Учет теплового движения осуществляется введением в формулу Фано доплеровского смещения частоты kv.

В бесстолкновительной ситуации, когда фотоэлектроны вылетают практически перпендикулярно волновому вектору излучения и быстро уходят на боковые стенки, электрический ток обусловлен только движением ионов. В плоской геометрии электродов и в пренебрежении влиянием объемных зарядов величина тока дается выражением:

elSN v)I = dve-(v/ [W (v) - W (-v)], (6) v где l – расстояние между электродами; S – поперечное сечение; W (v) – вероятность ионизации в единицу времени; v – проекция скорости атомов на направление волнового вектора; N – концентрация атомов.

Если a > kv, то в первом неисчезающем порядке по kv/a имеем:

kv W I = elSN , (7) т.е. электрический ток I пропорционален производной от спектральной линии ионизации. Это общий вывод для линий с однородной шириной, превосходящей доплеровскую. Для автоионизационных резонансов из формулы Фано получаем:

kv (q + x)(qx - 1) I = 2elSN 2W0. (8) a (1 + x2)Если ионы испытывают столкновения в собственном газе с транспортной частотой , то плотность электрического тока j определяется выражением:

+ kv W j = eN dvvW (v) eNv. (9) 2 - Транспортная частота связана с подвижностью µ ионов массы M соотношением = e/µM.

Эффективность преобразования излучения в электрический ток сигнала можно охарактеризовать коэффициентом = I/P, где I – ток выраженный в мкA, а P – мощность излучения в Вт. Согласно (7) имеем:

kv 1 W (мкА/Вт) 1030l(нм) . (10) W0 Здесь 0l – коэффициент поглощения излучения на длине среды l; 0 и W– показатель поглощения и вероятность ионизации на крыльях резонанса;

– длина волны излучения в нм. В столкновительных условиях значение снижается приблизительно в отношение сечений ионизации i и столкновений при Nl > 1.

ст. ст.

В четвертой главе анализируются возможности воздействия излучениями и концентрацией среды на автоионизационные спектры. Основное внимание сосредоточено на исследовании изменения характеристик автоионизационных резонансов под действием мощного лазерного излучения, резонансного переходу между состояниями дискретного спектра и автоионизационного.

Главный вопрос, который при этом возникает, заключается в следующем: какие интенсивности излучений и процессы наблюдения требуются? Согласно сложившимся представлениям о возмущении излучением чисто дискретных спектров возмущение существенно только тогда, когда энергия взаимодействия излучения с атомом Ed (E – амплитуда поля излучения, d – дипольный момент перехода в атоме) сравнима с характерными ширинами дискретных уровней или переходов. Однако автоионизационные состояния уширены конфигурационным взаимодействием, которое в большинстве случаев обусловлено электростатическим взаимодействием электронов. Поэтому прямое распространение теории нелинейных явлений в дискретном спектре состояний на автоионизационные уровни приводит к необходимости использования излучений с напряженностью поля сравнимой с внутриатомной. Однако оказалось, что такой вывод является неверным. Модельные исследования возмущения автоионизационных резонансов в процессах нелинейного смешения частот, в спектрах многофотонной ионизации и оптической восприимчивости вещества на основе кинетических уравнений (1) из главы 1 показали возможность существенного сдвига и изменения ширины (сужения или уширения) АР в полях излучений с напряженностью поля много меньших внутриатомных. В случае двухфотонной ионизации атома под действием излучений с частотами и 1 (где сумма частот + 1 близка к частоте перехода между основным состоянием g и автоионизационным ) для спектра ионизации как функции при некотором фиксированным значением 1 получено выражение:

() (x + qn)2 + (1 - ) = =, (11) nnn (x - )2 + (1 - )где x–нормированная на ширину резонанса отстройка суммы +1 от частоты двухфотонного перехода g; qn–параметр Фано контура линии АР относительно квазирезонансного промежуточного уровня n; 1–характеризует вклад таких неинтерферирующих каналов распада автоионизационного уровня, как спонтанная излучательная релаксация и полевой переход в вышележащие состояния континуума. n и nn сечение ионизации с уровня n и его относительная заселенность в отсутствие АР. Величина 0 характеризует скорость двухфотонной ионизации в отсутствие автоионизационного состояния . Сдвиг и изменение ширины резонанса зависят от интенсивности мощного излучения частоты и отстройки от промежуточного резонанса с уровнем n.

Анализ (11) показал, что при некотором значении 1 возможно значительное сужение и сдвиг спектра АР при интенсивностях излучения на частоте порядка 106 108 Вт/см2 (Рис. 6).

Рис. 6. Сужение и сдвиг автоионизационного резонанса в спектре многофотонной ионизации с ростом интенсивности излучения.

qn = 3, (1 - ) = 10-2; 1 – n = 0; 2 – n = 0, 5; 3 – n = 0, 9.

Физической причиной изменения формы АР является самосогласованность распада состояний n и в поле излучения, описываемой недиагональным элементом n антиэрмитовой части эффективной матрицы Vn. Кроме распада состояния со скоростью существует и приход в это состояние со скоростью |n|2/nn (где nn–ионизационное уширение уровня n). Разность указанных скоростей связана с неинтереферирующими каналами, и поэтому ширина спектра может быть много меньшей автоионизационной, т.е. .

Формально, наиболее близким физическим процессом такого типа являестя коллапс спектральных структур при неадиабатических столкновениях молекул.

При анализе возможностей экспериментального наблюдения эффекта сужения возникает вопрос о роли немонохроматичности лазерных излучений. В модели марковского стационарного шума проведен учет стохастических свойств лазерного излучения. Показано, что немонохроматичность излучения препятствует наблюдению эффекта сужения. Существующие экспериментальные данные подтверждают этот вывод.

Впервые эффект уширения и сдвига автоионизационных резонансов экспериментально был обнаружен в работе проф. Велге (K.H. Welge) с сотрудниками в трехфотонной ионизации пучка атомов стронция. Обработка экспериментальных данных показала, что характерная ширина автоионизационных резонансов, отвечающих уровням 4d7p, 4d4f и 6s5p, изменялась более чем в 10 раз при варьировании интенсивности лазерного излучения в пределах I 109 1010Вт/см2. Такое значительное изменение спектра не может быть объяснено простым увеличением вероятности ионизации и полностью укладывается в рамки изложенной теории. Дальнейшие экспериментальные исследования в пучках атомов бария также показали существенное изменение ширин автоионизационных резонансов с ростом интенсивности излучений. Так, в работах проф. Кука (W.E. Cooke) с сотрудниками наблюдалось более чем десятикратное изменение ширины автоионизационных резонансов ридберговской серии 6s20s S0 - 6P1/2ns атомов бария при изменении интенсивности излучения в пределах от I = 0,36 · 103 Вт/см2 до I = 29 · 1Вт/см2. Столь относительно низкие значения интенсивности также подтверждают теорию. Во всех известных экспериментальных работах наблюдалось только уширение резонансов. Это полностью согласуется с выводами о радикальной роли стохастических свойств мощных индуцирующих излучений, применявшихся в экспериментах. Применение одномодовых и более монохроматичных излучений по-видимому позволит наблюдать и эффект сужения автоионизационных резонансов.

Другой аспект исследований связан с изучением заселения автоионизационных состояний под действием резонансных излучений. Эти вопросы представляют интерес как с точки зрения перспектив создания коротковолновых лазеров, рабочими уровнями которого являются автоионизационные состояния, так и в связи с развитием методов оптогальванической спектроскопии АР.

В модели релаксационных констант рассмотрено поглощение (усиление) излучений на переходах в автоионизационные состояния в условиях стационарного заселения уровней в низкотемпературной плазме. Для показателя однофотонного поглощения получено выражение:

(x + q)2 - k(1 + q2) () = 0 1 - a + a, (12) 1 + xгде 0 = 0Nn/ – полный нерезонансный показатель поглощения излучения вне области автоионизационного резонанса; x–нормированная отстройка частоты излучения, безразмерная величина a 2 1 учитывает относительный вклад нерезонансного поглощения с заселенных уровней; 2– параметр перекрытия каналов Фано, –учитывает вклад спонтанного и ударного уширений уровней; q–параметр формы линии АР; величина характеризует относительный вклад нерезонансного поглощения в (); k N/Nn – отношение населенностей верхнего и нижнего уровней. Из (12) следует, что при x = -qa поглощение изменяет знак для соотношения населенностей k, удовлетворяющего условию:

k > (1 - a)(1 + aq2)/a(1 + q2). (13) При a > 1/2 значение k < 1 удовлетворяет условию (13) для произвольных величин q, т.е. усиление излучения возможно даже и при N < Nn. На Рис. Рис. 7. Спектр поглощения на переходе в автоионизационное состояние для ряда значений его заселенности (q = 2, 2 = 1). 1. k = 0, 2. k = 0, 2, 3. k = 0, 4.

показано изменение спектра поглощения с увеличением населенности АИС при нескольких значениях k. Выражение (12) показывает, что для автоионизационных состояний определяющим является не разность населенностей, а их отношение. В случае атомов гелия для переходов из основного состояния в автоионизационное 2s2p 2 = 1, q = -2, 8, 1, 2 · 1013c-1, и возможность усиления определяется только величиной , т.е. нерезонансным поглощением и ударным уширением перехода n при заселении уровней и n. Для атомов аргона 2 равно 0, 86, и следовательно k должно превышать значение 0,14. Анализ показал, что аналогичные особенности поглощения и усиления должны проявляться и в области лазерно–индуцированных резонансов в континууме, рассмотренных в Главе 2.

В отличие от состояний в дискретном спектре энергий понятие населенности автоионизационных уровней неоднозначно и тесно связано с процессами возбуждения, которые приготавливают систему в том или ином состоянии.

Особенно важно выяснение этого вопроса в случае переходов в ридберговскую серию автоионизационных состояний, когда теряет смысл понятие заселенности отдельного состояния. Поэтому проведен анализ особенности поглощения и стимулированного испускания автоионизационных состояний в зависимости от характера процессов их возбуждения. Показано, что форма спектра стимулированного испускания ридберговской серией может значительно отличаться от спектра поглощения. При этом усиление излучения оказывается сильно зависящим от таких характеристик механизмов заселения, как их длительность и спектральная ширина.

Предыдущий анализ показал существенную специфику взаимодействия АИС с полями излучений. В этой связи представляют интерес исследования общих свойств квазидвухуровневых систем с точки зрения теории квазиэнергетических состояний. Для квантовых систем, взаимодействующих с электромагнитным полем, часто оказывается полезным введение понятия о квазиэнергетических состояниях (КЭС). КЭС двухуровневой системы достаточно подробно изучены и позволяют проводить наглядный анализ различных нелинейно–оптических явлений. В отсутствие релаксации КЭС обладают свойствами ортогональности и полноты и поэтому аналогичны стационарным состояниям атома. Однако при учете различных релаксационных процессов (спонтанная излучательная релаксация, столкновения, ионизация и т.д.) набор КЭС атома в поле излучения оказывается неортогональным и не обладает полнотой. В этом случае затруднена классификация КЭС по определенным квантовым числам и нарушаются правила отбора по ним. Тем не менее, использование КЭС целесообразно в тех случаях, когда можно указать малость нарушения ортонормированности. Более радикальный подход состоит в восстановлении свойств ортонормированности КЭС и при учете релаксации. Так в ряде случаев предложено вводить дополнительный набор КЭС такой, чтобы выполнялось условие биортогональности. С математической точки зрения введение дополнительного набора КЭС в носит скорее искусственный характер и требует специальных правил обращения с ним. Естественно поэтому возникает вопрос о математической и физической детерминированности таких биортогональных наборов, а также о проявлении неортонормированности КЭС в спектрах ионизации. Следующий раздел и посвящен исследованию этого вопроса.

На примере двух взаимодействующих на фоне континуума дискретных состояний исследованы основные свойства КЭС и указаны общие условия их неортонормирванности. Рассмотрены возможности проявления неортогональности КЭС в процессах ионизации и энергетическом распределении фотоэлектронов. На основе четырехмерного векторного формализма выявлена лоренц–инвариантность КЭС в энергетическом пространстве, что дало возможность построить ортонормированный набор четырехкомпонентных КЭС, аналогичных набору биспиноров Дирака.

Заключительный раздел Главы 4 посвящен анализу влияния концентрации атомов среды на форму спектра АР в фотопоглощении и ионизации. Дело в том, в областях спектра вакуумно-ультрафиолетовом (ВУФ) (длины волн 20010 нм) и мягком рентгеновском (МР) (длины волн от 10 до 0.40.6 нм) волн среды обладают, как правило, высокой оптической плотностью. Для нейтральных атомов и молекул это связано как с поглощением ВУФ излучений в ионизационный континуум, так и с наличием автоионизационных и предиссационых резонансов. Асимметрия АР обусловлена интерференцией переходов идущих через резонансные и нерезонансные каналы и, таким образом, оказывается чувствительной к различного рода возмущениям. С другой стороны такая чувствительность позволяет исследовать указанные возмущения по изменению спектральной формы АР.

Одной из фундаментальных проблем линейной и нелинейной оптики является установление связи между макроскопическим падающим на вещество излучением и микроскопическим откликом атомов и молекул. В твердых телах, жидкостях и плотных газах необходимо учитывать взаимодействие между составляющими атомами или молекулами. При этом учет взаимовлияния атомов окружения на диэлектрическую проницаемость обычно решается введением локального поля E :

Ei = Ei + 4LikPk, (14) где Ei – внешнее среднее макроскопическое поле волны, P – вектор поляризации атомов окружения, Lik – симметричный тензор деполяризации, учитывающий геометрию ближайшего окружения. В сферическом приближении тензор деполяризации становится единичным (Lik = ik/3), и (14) приводит к известной формуле Лорентц-Лоренца для комплексного показателя преломления: n2 - 1 = 4/(1 - 4/3), где – восприимчивость разреженного вещества.

В рамках изотропной модели Лорентц-Лоренца локального поля исследовано концентрационное изменение спектральных параметров уединенного автоионизационного резонанса в газообразных средах. Показано, что учет локального поля может приводить к сдвигу, сужению или уширению резонанса, а также к изменению его амплитуды и характера проявления интерференции дискретного состояния с континуумом.

Рис. 8. Изменение интерференционного минимума поглощения автоионизационного резонанса с увеличением концентрации вещества. Значение y = 10 отвечает малому вкладу локального поля; q0 = -200, 2 = 0.95, q = 3, 0 = 0.09.

Переменная y = 6/0 + q0 зависит от концентрации, так как показатель поглощения связан с сечением формулой 0 = 0N. Безразмерный параметр q0 характеризует чисто силы осциллятора континуума в смысле теории, изложенной в главах 1 и 2. Выбор отрицательного знака у q0 связан с демонстрацией эффекта сужения кривых поглощения и преломления. Как следует из анализа, с ростом концентрации атомов (т.е. величины 0) автоионизационный резонанс значительно сужается и амплитуда его растет, а затем он опять уширяется. Кроме изменения ширины и амплитуды резонанса существенным образом изменяется и его интерференционная форма. На Рис. крупным планом показано изменение интерференционного минимума (“окна прозрачности”) с ростом концентрации. Практически полная интерференция для разреженного газа (y 10) сменяется отсутствием интерференционного минимума при y = 2. Выделение того или иного режима возможно за счет соответствующего подбора и изменения парциального давления смеси веществ.

Проведена аналогия с лазерно–индуцированным сужением автоионизационных резонансов.

Пятая глава посвящена взаимовлиянию многофотонной ионизации и нелинейного смешения частот в газообразных средах. Обычно генерация коротковолновых (УФ, ВУФ) излучений методом нелинейного смешения частот в газах и парах металлов происходит в резонансных условиях и с участием переходов в континуум. Известно, что в резонансных условиях возрастает не только нелинейная восприимчивость, но и сечения целого ряда сопутствующих процессов. В частности увеличивается вероятность многофотонной ионизации, которая приводит как к истощению числа активных атомов, так и к возмущению дискретных переходов, участвующих в преобразовании. Последнее должно, очевидно, влиять на насыщение атомных переходов и резонансность взаимодействия. С другой стороны, возникающее излучение суммарной частоты приводит к дополнительному каналу ионизации и, следовательно, может влиять на ее вероятность. Исследованию указанных вопросов в основном и посвящена Глава 5.

Изложение начинается с анализа влияния резонансной многофотонной ионизации и эффекта насыщения на эффективность параметрического взаимодействия волн в газообразных средах. Отдельно рассмотрены два случая:

генерация коротковолнового излучения, когда частота генерируемой волны соответствует переходу из основного состояния в континуум, и преобразование ИК излучения. Для упрощения аналитического исследования многофотонной ионизации в сильных полях накачки выделены области параметров, где осуществляется квазистационарный режим ионизации. В качестве дискриминирующих параметров выбраны: –параметр насыщения дискретного резонансного перехода, ионизационная полуширина верхнего резонансного уровня nn и его естественное уширение nn, а также длительность импульса излучений . В зависимости от соотношений между указанными величинами найдено пять основных областей ионизации, для которых получены простые аналитические выражения. Оказалось, что характерная ширина резонансно го перехода определяется величиной = (ng +nn) 1 + , где параметр в свою очередь зависит от ионизационного уширения nn. Это обстоятельство приводит к тому, что с увеличением интенсивности излучения, резонансного переходу в континуум, ионизация сначала увеличивается, а затем уменьшается. Предельное уменьшение ограничено нерезонансной ионизацией.

На основе полученных аналитических выражений исследовано влияние ионизации и эффектов насыщения на генерацию излучения. Анализ показал, что преобразование излучения происходит существенно различным образом в зависимости от того попадает ли генерируемая частота в континуум, или преобразование происходит на дискретных переходах. Это связано с тем, что во втором случае процессы ионизации и нелинейного смешения частот протекают независимо, а в первом случае задействованы одни и те же матричные элементы. Поэтому при преобразовании ИК излучения коэффициент преобразования максимален в областях слабой ионизации, тогда как генерация коротковолнового излучения происходит в области сильной связи резонансного уровня с континуумом. Полученные результаты позволили указать оптимальные области параметров среды и полей для преобразования излучений.

В следующем разделе рассматривается влияние процессов нелинейного сложения частот на многофотонную ионизацию среды. Многофотонная ионизация газов и паров металлов является важным методом спектроскопии атомов и молекул, а также широко используется в различных приложениях. Одновременно с процессами многофотонного возбуждения и ионизации в газообразных средах возможны также процессы нелинейного вычитания и сложения частот нечетных порядков. Эффективность нелинейных преобразований излучений определяется не только атомными параметрами и частотами, но и такими макроскопическими характеристиками среды как плотность, длина и коэффициенты преломлений излучений. Тем не менее, поглощение генерируемого излучения может значительно увеличивать или уменьшать вероятности ионизации среды. Причина такого влияния состоит в следующем.

Причина изменения вероятности ионизации состоит в следующем. Одновременно с процессом (2K + 1) – фотонной ионизации, переводящим атом из основного состояния в континуум, в среде возникает излучение на суммарной частоте S = (2K + 1), где K 1 – целое число. Поглощение этого излучения приводит к однофотонной ионизации атомов. Если амплитуды вероятностей соответствующих процессов обозначить как AM и AS, то полная вероятность ионизации в единицу времени будет определяться выражением:

|AM +AS|2. Интерференция амплитуд нарушает прямое сложение вкладов обеих каналов ионизации и может приводить к существенному изменению величины . Может показаться, что без создания специальных условий амплитуда AS всегда мала по сравнению с амплитудой AM. Однако это не так.

В результате интерференции этих каналов усредненное по среде длиной L сечение ионизации оказывается зависящим от длины среды и величины волнового рассинхронизма k = kS-3k, где kS и k–волновые вектора излучений.

Усредненное по однородной среде длиной L сечение ионизации имеет вид:

(x + q)2 1 + q2 1 - exp(-2SL) (x + q)2 x + q = + - 2 + 2 0 1 + x2 1 + x2 2SL (1 + x2)SL (1 + x2)2SL exp(-SL)[(x + q) cos kL + (1 - qx) sin kL], где 0 – сечение многофотонной ионизации без учета генерируемого излучения, а x k/S – безразмерный параметр, зависящий в общем случае от концентрации резонансных атомов и давления буферного газа. При этом интегрирование по состояниям континуума с энергией включает также суммирование по всем нерезонансным дискретным состояниям. Безразмерная величина q определяет относительный вклад резонансных (по S) состояний континуума. При k = 0 амплитуда AS состоит из двух частей. Одна часть AS интерферирует с AM одинаково по всей среде, тогда как другая осциллирует с затуханием.

В случае оптически плотных сред (SL 1, где S–показатель поглощения на суммарной частоте) сечение не зависит от длины среды и описывается контуром Бетлера–Фано как функция k/S. Особенно важен учет этого явления в благородных газах, где сечения однофотонной ионизации относительно велики ( 10-16 10-17см2), а параметр k/S может варьироваться в широких пределах как при изменении частот излучений накачки, так и при соответствующем подборе буферного газа и изменении его давления. Аналогичные закономерности оказываются и при резонансе суммы частот с автоионизационными состояниями, а также при нечетных порядках возбуждения чисто дискретных переходов.

Следующий раздел Главы 5 посвящен исследованию взаимопреобразования волн на переходах в континуум с учетом истощения волны накачки за счет ионизации атомов. На основе четырехмерного векторного формализма найден коэффициент преобразования волн. Его выражение представлено в виде двух сомножителей: первый сомножитель зависит от длины взаимодействия, а второй от начальной когерентной суперпозиции волн на входе среды. Такое представление позволило установить соответствие между различными случаями преобразования волн без конкретизации параметров взаимодействия и, тем самым, найти общие критерии оптимального преобразования.

В заключительном разделе Главы 5 исследуется влияние дефазирующих столкновений на спектр многофотонной ионизации в ударном приближении. Учет столкновений привел к появлению дополнительных резонансов, связанных с атомными переходами между возбужденными незаселенными уровнями среды. Проведено сопоставление индуцированных столкновениями резонансов с резонансами, которые возникают при учете высших порядков теории возмущений по взаимодействию излучения c атомами, а также из-за стохастичности излучений накачки. Оказалось, что во всех перечисленных выше случаях возникновение дополнительных резонансов может быть интерпретировано единым образом на основе концепции разрушения фазовой когерентности взаимодействия излучения с атомом.

В шестой главе анализируются возможности управления параметрами импульсов коротковолновых излучений с использованием интерференции переходов в континуум. Взаимодействие излучений с газообразными средами наиболее эффективно в резонансных условиях, когда близость частоты квазимонохроматического излучения к собственным частотам вещества сопровождается резким увеличением линейных и нелинейных восприимчивостей.

Однако в резонансных условиях увеличиваются и такие сопутствующие процессы как линейное и нелинейное поглощение и ионизация, которые могут существенно ограничивать, например, различные нелинейные процессы преобразований излучений, а также изменять форму распространяющихся импульсов. Именно в областях аномальной дисперсии теряет смысл понятие групповой скорости излучения из-за быстрого изменения формы его импульсов за счет резонансного поглощения и дисперсионного расплывания. Однако как показано в работах проф. Харриса (S.E. Harris) с сотрудниками, ситуация существенно меняется в области частот нелинейных лазерно – индуцированных резонансов, где область слабого поглощения (прозрачности) может сочетаться со значительной дисперсией показателя преломления. Важнейшим следствием этого является возможность замедления групповой скорости распространения импульсов света до скоростей порядка 10 102м/с. Первые успешные наблюдения ультрамедленных импульсов света (замедление вплоть до 17 м/с) стимулировали значительный интерес к возможным потенциальным применениям этого явления. Впоследствии было показано, что взаимодействие медленных когерентных импульсов излучений может приводить к значительному увеличению эффективности процессов нелинейного смешения частот даже для очень слабых полей излучений, а также и в режиме одиночных фотонов.

В данной главе исследуется другая возможность управления скоростью световых импульсов – за счет резонанса излучений с автоионизационными уровнями. Показано, что специфика автоионизационных спектров позволяет сочетать резонансно высокую частотную дисперсию показателя преломления с малыми значениями поглощения излучения и его дисперсионного расплывания. Еще более усиливается эффект замедления в области частот ридберговской серии перекрывающихся автоионизационных резонансов, где узкие "окна" прозрачности сочетаются со значительной дисперсией коэффициента преломления.

Приведенные результаты непосредственно переносятся и на автоионизационно – подобные резонансы, индуцированные мощным лазерным излучением на смежных переходах в континуум. В этом случае величина 2 определяется выбором уровней комбинационного перехода, а величина зависит от интенсивности индуцирующего излучения, и при интенсивности I 106 1Вт/см2 значение близко к единице.

Таким образом, использование специфики автоионизационных или искусственных автоионизационно – подобных резонансов позволяет эффективно управлять импульсами ВУФ и МР излучений, что представляет интерес для квантовой обработки сигналов и изображений. Кроме того, рассмотренные эффекты могут быть положены в основу альтернативной импульсной динамической спектроскопии труднодоступных автоионизационных уровней.

В разделе 6.2 исследуется влияния квантовой интерференции на магнитооптические эффекты. Замечательной особенностью электромагнитно– индуцированной прозрачности (ЭИП) является то, что угол поворота плоскости поляризации определяется теперь константой релаксации низкочастотного перехода, а не разрешенного оптического. Более того, изменяется знак угла поворота по сравнению с обычным резонансом, что связано с нормальной дисперсией в области частот ЭИП. Для запрещенных в электродипольном приближении переходов увеличение может быть значительным. Кроме того, данный результат не зависит от неоднородного уширения переходов в достаточно сильных индуцирующих полях.

Для сопоставления с экспериментами по замедлению скорости распространения импульсов излучений за счет высокой частотной дисперсии показателя преломления угол поворота плоскости поляризации представлен через время задержки импульса. Известные экспериментальные данные по ультрамедленным импульсам излучений указывают на возможность интерференционного усиления эффекта Фарадея в 106 107 раз.

Раздел 6.3 посвящен изучению влияния спектральной интерференции различной природы на эффекты увлечения излучений движущимися однородными средами на примерах электромагнитно–индуцированной прозрачности (ЭИП) чисто дискретных атомных переходов и "окон" прозрачности автоионизационных резонансов. На основе уравнений Максвелла проводится анализ с учетом эквивалентности соответствующей пространственной дисперсии вещества и оптических эффектов, обусловленных движением. С учетом требования линейности по E и H материальные уравнения представлены в виде t Di(r, t) = dt dr [ (t, r, t, r )Ej(r, t ) + ij(t, r, t, r )Hj(r, t )], (15a) ij - t Bi(r, t) = dt dr [µij(t, r, t, r )Hj(r, t ) + ij(t, r, t, r )Ej(r, t )], (15b) - где интегрирование по t распространяется на интервал от - до t в соответствие с принципом причинности, а интегрирование по объему учитывает нелокальность отклика вещества.

Материальные соотношения (15) отличаются от общепринятого учета нелокальности (пространственной дисперсии) добавлением членов с H и E. При этом нелокальность уравнений учтена двояким образом: через зависимость от r и через дополнительные члены с H и E. В силу связи между E и B, описываемой уравнением rot E = iB/c, наличие члена с H, например в (15a), эквивалентно учету пространственных производных E и, таким образом, нелокальности отклика. Поэтому обычно принято все эффекты нелокальности переносить на зависимость диэлектрической проницаемости от ij волнового вектора k с отбрасыванием членов с H, а материальные уравнения для Фурье компонент записывать в виде Di = ij(, k)Ej, Bi = Hi. (16) Однако, для движущихся сред определение коэффициентов гораздо проще и естественней из соотношениях (15), чем в (16). Это же относится и к магнитным гиротропным кристаллам, и к макроскопическому описанию эффектов несохранения четности.

Полученные точные дисперсионные уравнения позволили найти условия реализации коэффициентов увлечения в Форме Лорентца и Лауба. Найдена прямая связь между коэффициентом увлечения монохроматического излучения и уменьшением групповой скорости импульсных излучений за счет высокой частотной дисперсии резонансного коэффициента преломления.

В седьмой главе рассматриваются приложения основных представлений и методов, разработанных для описания нелинейных явлений на переходах в континуум, к процессам распространения излучения в оптически анизотропных поглощающих средах, к теории распада K0–мезонов, к процессам безынверсного усиления излучений в процессах нелинейного смешения частот, к особенностям нелинейного преобразования излучений в поглощающих средах. Поляризационные методы приложены к теории несохранения четности в газообразных средах. Цель указанных исследований с одной стороны диктуется проблемами соответствующих областей физики, а с другой возможностями развития и обобщения теории связанно–свободных переходов.

Изложение в Главе 7 начинается с применения четырехмерного векторного формализма к оптике анизотропных сред. На основе укороченных уравнений Максвелла получены векторные уравнения для параметров Стокса излучения в оптически анизотропных поглощающих средах. При этом оптические свойства среды представлены через два эффективных вектора оптической активности и дихроизма, которые связаны простыми соотношениями с тензором восприимчивости. По характеру движения параметров Стокса векторный подход позволил выделить три принципиально различных класса сред, а также указать общие условия выполнения инвариантности относительно обращения знака времени процессов распространения излучения в веществе, что представляет интерес, например, для мессбауэровской гамма–оптики.

Другое приложение векторного четырехмерного формализма связано с описанием распада K0–мезонов. Формально система K0 и K0 (антимезон) представляет два вырожденных по массам состояния взаимодействующих на фоне -мезонных и лептонных континуумов, распад в которые происходит за счет слабых взаимодействий. В результате такого взаимодействия вырождение по массам снимается, и по отношению к слабым распадам возникают две новые частицы KS и KL, сильно отличающиеся по их временам жизни. Поэтому основные параметры распада K0–мезонов могут быть выражены через два эффективных вектора так же, как и для автоионизационных состояний в поле резонансного лазерного излучения. Обработка известных экспериментальных данных привела к указаниям на смешанный характер состояний при их рождении в сильных взаимодействиях.

Заключительные разделы Главы 7 посвящены исследованию проявлений взаимопреобразования волн в нелинейных процессах сложения частот в поглощающих средах и безынверсном усилении излучений. Обсуждаются результаты совместных экспериментально – теоретических исследований с университетом Крита. Установлены области реализации осцилляторного и квазиоднородного режимов преобразования излучений. Экспериментально в парах ртути обнаружен квазибеспоглощательный режим процесса нелинейного смешения в область длин волн с = 108.1 нм с высоким коэффициентом корреляции поглощения излучений равным 0.94.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. На основе квантового кинетического уравнения построен единый способ описания квазизамкнутых (распадающихся) систем. Получено эволюционное уравнение для 4–вектора псевдоспина, инвариантное относительно группы Лоренца, которое в предельных случаях сводится к уравнению Френкеля для релятивистского спина 1/2 в электрическом и магнитном полях и к уравнениям в форме Блоха и Ландау–Лифшица. В ситуации, когда доминируют радиационное и ионизационное уширения переходов, найдено и исследовано точное векторное решение четырехмерного уравнения со смешанными начальными (граничными) условиями. Построено также приближенное квазистационарное решение с учетом дефазирующих столкновений и указана область его применимости.

2. Исследовано влияние нелинейных автоионизационно – подобных резонансов (лазерно – индуцированных структур в континууме), индуцированных сильным излучением, на оптическую активность переходов в континуум.

Показано, что индуцированные резонансы в континууме приводят к анизотропии среды, что может проявляться в повороте плоскости поляризации и изменении степени эллиптичности прошедшего пробного излучения. Экспериментально реализованы и исследованы методом поляризационной спектроскопии нелинейные резонансы в сплошном спектре атомов цезия.

3. Проведены экспериментально–теоретические исследования автоионизационно – подобных резонансов в континууме в нелинейности третьего порядка методом генерации третьей гармоники в парах натрия и в нелинейной оптической активности пятого порядка методом поляризационной спектроскопии. Экспериментально показана возможность изучения высоколежащих состояний методом нелинейной поляризационной спектроскопии высших нелинейностей. Указаны условия наблюдения автоионизационно–подобных резонансов в спектрах многофотонной ионизации.

4. Показана возможность спектроскопии автоионизационных резонансов (АР) методом нелинейного вычитания частот. Проведено сопоставление спектров АР при нелинейном преобразовании, в многофотонной ионизации и двухфотонном поглощении. Предложен метод двухфотонной поляризационной спектроскопии АР. Исследованы условия и показана возможность частотно – селективной автоионизации в возбужденные состояния ионов.

5. Дан общий анализ светоиндуцированного изменения формы и положения АР в линейной восприимчивости вещества, многофотонной ионизации и высших нелинейностях. Исследовано влияние стохастических свойств лазерного излучения на эффекты сужения АР и указаны условия его наблюдения.

Изучено концентрационное изменение формы и положения АР. Впервые показано, что учет локального поля может приводить к сдвигу, сужению или уширению резонанса, а также к изменению его амплитуды и характера проявления интерференции дискретного состояния с континуумом. Проведена аналогия с лазерно–индуцированным сужением АР.

6. Исследована зависимость спектра АР в фотопоглощении от населенности автоионизационного состояния в условиях стационарного заселения уровней в низкотемпературной плазме. Впервые показана возможность усиления излучения в области минимума фотопоглощения без инверсии населенностей уровней.

7. Исследовано влияние резонансной многофотонной ионизации и эффекта насыщения на эффективность нелинейного сложения частот, когда частота генерируемой волны соответствует переходу из основного состояния в континуум, и на преобразование ИК излучения на переходах дискретного спектра.

Определены области параметров, где реализуются оптимальные режимы преобразования.

8. Установлено влияние процесса нелинейного сложения частот на многофотонную ионизацию газов в оптически плотных средах по генерируемому излучению. В зависимости от параметра рассинхронизма волн возможно подавление или увеличение сечения многофотонной ионизации.

9. Построено бивекторное описание изменения поляризационных характеристик излучения в оптически анизотропных поглощающих средах. Получено и исследовано нелинейное векторное уравнение для параметров Стокса, инвариантное относительно лоренцевских преобразований пространства Пуанкаре. В случае пространственно однородных сред установлены собственные вектора Стокса, при которых излучение проходит среду без изменения состояния поляризации. Указан простой способ определения собственных векторов матриц Джонса. Сформулировано расширенное толкование принципа симметрии кинетических коэффициентов Онсагера применительно к компонентам тензора восприимчивости среды.

10. Показано, что интерференционный характер автоионизационных спектров позволяет сочетать высокую частотную дисперсию коэффициента преломления с малой величиной поглощения при настройке частоты излучения в спектральный интервал "окна прозрачности" уединенного или серии перекрывающихся автоионизационных резонансов. Это позволяет управлять величиной задержки импульсов и их групповой скоростью. Применительно к магнитооптическим эффектам показана возможность интерференционного усиления эффекта Фарадея в 106 107 раз.

11. Впервые предложен способ высокоэффективного прямого преобразования ВУФ излучения в электрический ток в газах. На основе этого способа разработан метод спектроскопии первой производной автоионизационных резонансов, позволяющий повысить точность измерения их параметров.

12. Развит альтернативный подход к учету пространственной дисперсии, что позволило определить макроскопические проявления нарушения четности в газообразных средах и рассмотреть вопросы увлечения излучений движущимися средами. Показано, что в силу унитарного характера гамильтониана слабого взаимодействия, четность нарушается в узкой спектральной области, тогда как интегрально по спектру нарушение отсутствует. Увлечение света движущимися средами рассмотрено на основе теории пространственной дисперсии. Показана возможность значительного усиления эффекта увлечения в области частот автоионизационных резонансов.

Содержание диссертации полно отражено в монографии на русском и английском языках и 114 работах (23 работы без соавторов).

Основные публикации по материалам диссертации:

1. Геллер Ю.И., Попов А.К. Лазерное индуцирование нелинейных резонансов в сплошных спектрах. - Новосибирск: Наука, 1981. - 160 с.

2. Geller Yu.I., Popov A.K. Laser Induction of Nonlinear Resonances in Continuous Spectra //J. Sov.Laser Research (Plenum: New York). - 1985. - V.6. No.1. - P.1-84.

3. Геллер Ю.И., Попов А.К. Об индуцировании узких нелинейных резонансов в континууме//Квантовая электроника. - 1976. - Т.3. - №5. - С.11291131.

4. Heller Yu.I., Popov A.K. Parametric Generation and Absorption of Tunable Vacuum Ultraviolet Radiation Controlled by Laser–Induced Autoionizing– Like Resonances in Continuum//Optics Commun. - 1976. - V.18. - No.4. P.449-451.

5. Heller Yu.I., Popov A.K. Laser-Induced Narrowing of Autoionizing Resonances Studied by the Method of Parametric Generation//Phys.Lett.A. - 1976.

- V.56. - No.6. - P.453-454.

6. Геллер Ю.И. Влияние стохастичности лазерного излучения на индуцирование нелинейных резонансов в континууме//Оптика и спектроскопия.

- 1978. - Т.45. - Вып.2. - С.355-362.

7. Геллер Ю.И., Болотских Л.Т., Попов А.К. Увеличение резонансной нелинейной восприимчивости, индуцированное переносом поляризации при столкновении молекул //Письма в ЖТФ. - 1979. - Т.5. - Вып.24. - С.15111513.

8. Геллер Ю.И., Попов А.К. Нелинейные поляризационные резонансы в континууме// ЖЭТФ. - 1980. - Т.78. - Вып.2. - С.506-515.

9. Геллер Ю.И., Лукиных В.Ф., Попов А.К., Слабко В.В. Экспериментальное обнаружение индуцированных автоионизационно – подобных резонансов в континууме //Письма в ЖТФ. - 1980. - Т.6. - Вып.3. - С.151-155.

10. Геллер Ю.И., Лукиных В.Ф., Попов А.К., Слабко В.В. Автоионизационно – подобные резонансы, индуцированные в сплошном спектре атома цезия// Оптика и спектроскопия. - 1981. - Т.51. - С.732-736.

11. Heller Yu.I., Lukinykh V.F., Popov A.K., Slabko V.V. Experimental Evidence of Laser-Induced Autoionizing–Like Resonances in Continuum//Phys.Lett.A.

- 1981. - V.82. - No.1. - P.4-6.

12. Геллер Ю.И., Попов А.К. Сужение автоионизационных резонансов в спектрах многофотонной ионизации// Письма в ЖТФ. - 1981. - Т.7. Вып.12. - С.719-722.

13. Heller Yu.I., Lukinykh V.F., Popov A.K., Slabko V.V. Autoionizing–Like Resonances Induced by Laser Field in Spectral Continuum of Cs I// Proceedings of International Conference "Laser-80", USA, 1981. - P.735-740.

14. Heller Yu.I., Popov A.K. Laser – Induced Narrowing of Autoionizing Resonances in Multiphoton Ionization Spectrum//Optics Commun. - 1981. - V.38.

- No.5,6. - P.345-347.

15. Геллер Ю.И., Швабаускас А.В. Влияние процесса нелинейного смешения частот на многофотонную ионизацию газов//Оптика и спектроскопия. 1982. - Т.53. - Вып.3. - С.385-387.

16. Геллер Ю.И., Попов А.К. Нелинейные резонансы в спектральных континуумах// Нелинейная оптика. - Новосибирск: Наука., Сиб. отделение, 1982. - С.74-86.

17. Dimov S.S., Heller Yu.I., Pavlov L.I., Popov A.K., Stamenov K.V. Laser – Induced Nonlinear Resonances in the Continuum at Third – Harmonic Generation in Na Vapour //Appl.Phys.B. - 1983. - V.30. - No.1. - P.35-40.

18. Димов С.С., Павлов Л.И., Геллер Ю.И., Попов А.К. Индуцированные автоионизационно – подобные резонансы в нелинейных восприимчивостях третьего и пятого порядка паров натрия//Квантовая электроника.

- 1983. - Т.10. - №8. - С.1635-1645.

19. Архипкин В.Г., Геллер Ю.И. Влияние многофотонной ионизации на нелинейное преобразование частот в газах//Квантовая электроника. - 1983.

- Т.10. - №6. - С.1243-1252.

20. Archipkin V.G., Heller Yu.I. Radiation Amplification without Population Inversion at Transition to Autoionizing States//Phys.Lett.A. - 1983. - V.98.

- No.1-2. - P.12-14.

21. Архипкин В.Г., Геллер Ю.И. Генерация коротковолнового излучения на переходах в автоионизационные состояния без инверсии населенностей //Перестраиваемые по частоте лазеры: Материалы IV Всесоюзной конференции. Под ред. член.-корр. АН СССР В.П. Чеботаева. - Новосибирск, 1984. - С.177-181.

22. Геллер Ю.И., Тимченко Е.В. Спектроскопия автоионизационных резонансов методом нелинейного вычитания частот//Оптика и спектроскопия. - 1984. - Т.57. - Вып.4. - С.701-707.

23. Геллер Ю.И., Малиновский В.С., Шапиро Д.А. Четырехмерная теория взаимодействия двух распадающихся состояний//ЖЭТФ. - 1985. - Т.88.

- Вып.4. - С.1177-1181.

24. Архипкин В.Г., Геллер Ю.И., Попов А.К., Проворов А.С. Четырехволновое смешение частот в газонаполненных волноводах//Квантовая электроника. - 1985. - Т.12. - №7. - С.1420-1424.

25. Arkhipkin V.G., Heller Yu.I., Popov A.K., Provorov A.S. Frequency mixing in a gas-filled waveguide for VUV light generation//Appl.Phys.B. - 1985. V.37. - No.2. - P.93-97.

26. Heller Yu.I., Malinovsky V.S., Shapiro D.A. Four-Dimensional Vector Theory of Interaction and Decay of Two Quasi-Stationary States //J.Phys.B: At.Mol.Phys. - 1986. - V.19. - No.10. - P.1425-1435.

27. Heller Yu.I., Shapiro D.A. Landau-Lifshitz Equation and Generalized TwoLevel System// Phys.Lett.A. - 1986. - V.119. - No.1. - P.43-46.

28. Геллер Ю.И. Поляризационная двухфотонная спектроскопия автоионизационных резонансов//Материалы III научного семинара "Автоионизационные явления в атомах" (Москва, 10-12 декабря 1985г.), М.: Изд.-во МГУ, 1986. - С.42-43.

29. Heller Yu.I. Four-Dimensional Theory of K0–Meson Decay//J.Phys.G.: Nuclear Phys. - 1987. - V.13. - No.11. - P.1343-1353.

30. Геллер Ю.И. Бивекторная параметризация оптически анизотропных поглощающих сред//Оптика и спектроскопия. - 1989. - Т.67. - Вып.1. С.72-77.

31. Геллер Ю.И. Условия наблюдения автоионизационно–подобных резонансов в спектрах многофотонной ионизации//Оптика и спектроскопия. 1990. - Т.68. - Вып.2. - С.273-276.

32. Heller Yu.I. Collision-Induced Resonances in Multiphoton Ionization of Atoms //Phys. Lett.A. - 1990. - V.147. - No.1. - P.18-22.

33. Heller Yu.I. Autoionizing-Like Resonances in Multiphoton Ionization Spectra //Intense Laser Phenomena and Related Subjects. Ed. by I.Yu.Kiyan, M.Yu.

Ivanov. World Scientific Publishing CO. Pte.Ltd. - 1991. - P.453-460.

34. Геллер Ю.И., Рябов О.А., Сенченко К.В. Нелинейные преобразования излучений в резонансно - поглощающих средах//Оптика и спектроскопия. - 1991. - Т.71. - Вып.1. - С.163-170.

35. Геллер Ю.И., Рябов О.А., Сенченко К.В. Условия безынверсного усиления двух связанных волн в процессах нелинейного смешения частот// Оптика и спектроскопия. - 1992. - Т.73. - Вып.2. - С.335 - 343.

36. Геллер Ю.И. Способ преобразования оптического излучения в электрический ток. Решение о выдаче патента от 18.10.91 по заявке №4843499/25.

Приоритет от 28.06.90г. // Бюллетень изобретений. - 1993. - N8. - А.свид.

№1798634. - 4с.

37. Efthimiopoulos T., Koudoumas E., Dolgopolova M.V., Heller Yu.I. Experimental evidence of quasi absorption–less type of resonant sum–mixing process //Proc. SPIE. - 1996. - V.2798. - P.238-249.

38. Геллер Ю.И., Рябов О.А. Пространственные эффекты в безынверсном усилении и генерации связанных волн на двухуровневых атомах//Оптика и спектроскопия. - 1998. - Т.84. - Вып.4. - С.647-652.

39. Геллер Ю.И., Татаринова Л.Л. Распад смешанных состояний нейтральных К–мезонов//Известия высших учебных заведений. Физика. - 1998. Т.41. - №3. - C.18-26.

40. Геллер Ю.И., Совков Д.Е., Хакимьянов А.Т. Управление параметрами импульсов коротковолновых излучений с использованием интерференции переходов в континуум//Оптика и спектроскопия. - 2003. - Т.85. №.4. - С.647-655.

41. Геллер Ю.И., Совков Д.Е. Влияние локального поля на спектры автоионизационных резонансов. Оптика и спектроскопия. - 2004. - Т.97. - №1. С.1-8.

42. Геллер Ю.И. Спектрально – поляризационные особенности макроскопического проявления несохранения четности в газообразных средах //Оптика и спектроскопия. - 2006. - Т.100. - №2. - С.184-195.

43. Геллер Ю.И. Интерференционное усиление резонансных магнитооптических эффектов// Оптика и спектроскопия. - 2006. - Т.100. - №2. С.314-319.

44. Геллер Ю.И. Увлечение света движущимися средами с высокой частотной дисперсией//Оптика и спектроскопия. - 2006. - Т.101. - №5. - С.825839.

45. Geller Yu.I., Sharypov A.V. Laser-Induced Retardation of Radiation Pulses under Arbitrary Collisional Relaxation of Low-Frequency Coherence//Laser Physics. - 2007. - V.17. - No.6. - P.853–857.

46. Геллер Ю.И., Совков Д.Е., Хакимьянов А.Т., Шарыпов А.В. Дисперсионные свойства электромагнино–индуцированной прозрачности в условиях доплеровского уширения//Известия ВУЗов. Физика. - 2007. - Т.50.

- №3. - С.56-62.

Подписано в печать 2007 г. Формат 60 84/16.

Усл. печ. л.2. Тираж 100 экз. Заказ №39.

Отпечатано на ротапринте ИФ СО РАН 660036, Красноярск, Академгородок, 50.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.