eng
Выпуск #6/2013
А.Колеров
Бозе-конденсация на лазерных фотонах с участием углеродных нанотрубок, синтезируемых в гетерогенной плазме
Бозе-конденсация на лазерных фотонах с участием углеродных нанотрубок, синтезируемых в гетерогенной плазме
Просмотры: 4584
В статье обосновано утверждается возможность наблюдения Бозе-конденсации на лазерных фотонах при комнатной температуре с помощью внутрирезонаторной лазерной спектроскопии.
Теги: bose-einstein condensate on photons carbon nanomaterials laser spectroscopy plsmonics бозе-конденсация на фотонах лазерная спектроскопия наноуглеродные трубки плазмоника
Исследования условий получения Бозе-Энштейновского конденсата (БЭК) [1] – нового агрегатного состояния материи – привели к новым интересным результатам в физике конденсированных сред. Это новое (пятое) состояние вещества открывает путь для получения сред в новых агрегатных состояниях, перспективных технологий, а также создания новой аппаратуры с новыми техническими и функциональными характеристиками и экспериментальными возможностями. Требования к выполнению условий для проведения экспериментальных исследований БЭК своеобразны – невысокая концентрация атомов в изучаемых объектах, сверхнизкие температуры, поддержание глубокого вакуума в магнитооптической кювете, в которой ведется изучение среды. Они осложняют эксперименты и требуют для их проведения больших финансовых затрат. Результаты наблюдений БЭК, полученные за прошедшее десятилетие, показали, что накопленный опыт проведения таких исследований пока еще не достаточен. Однако можно прогнозировать высокий потенциал теоретического и практического значения исследований БЭК для решения разных научно-технических и теоретических задач.
Анализ физических основ этого явления и накапливаемый со временем экспериментальный опыт позволят обосновать и найти более приемлемые условия для экспериментального изучения БЭК. Уже появились сообщения [1], в которых приводятся результаты получения БЭК с привлечением химических веществ.
Поиски новых сред для получения БЭК-состояния продвигаются достаточно быстро: если в первых опытах число используемых атомных сред насчитывало единицы элементов, то скоро, возможно, их количество увеличится. Интересным и неожиданным стало появление работы по исследованию БЭК при участии фотонного конденсата [2], хотя теоретики по ряду физических причин отвергали эти условия. Тем не менее, исследователи-экспериментаторы из Боннского университета показали, что это не совсем так. Их опытам с фотонным конденсатом, выполненным в 2010 году, посвящена работа в журнале Nature [2]. Авторы опубликовали результаты экспериментального изучения БЭК, полученного с привлечением лазерных фотонов и раствора органического красителя R6G в качестве хладагента. Они показали, что существенной разницы для реализации БЭК-состояния между средами, содержащими атомы, и средами, содержащими фотоны, – нет. Коренное отличие заключается только в том, что условия, при которых достигается БЭК-состояние с использованием фотонов, не требуют поддержания сверхнизких температур и использования магнитооптических ловушек. Оказалось, что БЭК-состояние может быть достигнуто и наблюдаться при комнатной температуре в лабораторных условиях!
Во всем мире (в частности и в России) уже несколько десятилетий проводились исследования, связанные с конденсацией спектра излучения перестраиваемых широкополосных лазеров [3, 5–14]. Эти лазеры используются в анализе газов и плазменных сред методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС). В качестве изучаемых объектов выступали газы и слабо ионизированная среда с привлечением легирующих добавок атомов металла (натрий, цезий и др.). Поэтому экспериментальным исследованиям подвергались плазменные объекты (гетерогенная плазма, в которой атомы металла переводились в слабо возбужденное состояние). Эти объекты обычно размещались в резонаторе ВРЛ-спектроанализатора. Конструкция экспериментальной установки имеет ряд особенностей: зеркала резонаторов выполнены по своеобразной геометрии, и лазерно-активные среды обладают широкой однородно-уширенной полосой люминесценции. Такая конструкция исключает возможность возникновения паразитной интерференции на внешних гранях оптических элементов, находящихся в оптическом тракте лазерного резонатора.
Одновременно с публикацией работ по изучению материи в состоянии БЭК стали появляться близкие по смыслу работы, авторы которых учитывали влияние такого состояния (квазисостояния) среды [4] на возникновение когерентного характера излучения. Это открывало возможности использования новых явлений в решении некоторых прикладных задач. Так, работа [3] была посвящена получению когерентного поверхностного излучения и лазерной генерации на углеродных наноматериалах с участием гетерогенной плазмы, в которой осуществлялась процедура термического синтеза металлоуглеродных нанотрубок (МУНТ). В ряде опубликованных работ сообщается о достигнутых условиях получения процесса вынужденного когерентного излучения [3, 6, 7]. Использование иных прикладных и функциональных возможностей лазерной аппаратуры с помощью высокоразрещающих зондовых микроскопов и ВРЛ-спектроанализаторов увеличило ряд способов получения и наблюдения новых сред [3,7]. В этих работах приведены результаты изучения микро- и макроструктуры лазерных сред, созданных в условиях, отличных от традиционных.
Исследование фотонного БЭК во многом перекликается с вопросами изучения газов и гетерогенной плазмы в условиях ВРЛ-спектроскопии. В такой плазме термически синтезируются металлоуглеродные наноматериалы, которые перспективны для ряда практических приложений. Попытаемся разобраться с особенностями этих экспериментов и сравним их с условиями реализации фотонного БЭК [2]. Данные, опубликованные в работах [3, 5–14], во многом адекватны данным, полученным в экспериментах, проводимых в Боннском университете [2]. Качественно сравним условия осуществления экспериментов по получению фотонного БЭК в лабораториях при комнатной температуре [2] с условиями провежения опытов с гетерогенной плазмой в резонаторе ВРЛ-спектроанализатора [3, 5–14]. Сравним и оптические элементы конструкций экспериментальных установок, на которых проводились эти опыты. Для наблюдения фотонного БЭК мы использовали установку, блок-схема которой изображена на рис.1. Взаимодействие широкополосного лазерного светового потока излучения с МУНТ, термически синтезируемой в углеродной гетерогенной плазме [3, 5–14], иллюстрирует рис.2.
Проведенные на использованной установке исследования позволили зарегистрировать интересные данные, которые аналогичны результатам, приведенным в работе [2]. Отличие экспериментов состоит лишь в том, что в [5–14] мы использовали кристалл гадолиний-скандий-галлиевого граната c ионами хрома (или другие лазерные среды), реализующий генерацию широкополосного излучения, в то время как авторы работы [2] использовали раствор красителя. Конфигурация зеркал (R ≈ 0,5 м) в резонаторах близка к конфокальной геометрии с базовым расстоянием между ними около 0,5 м. Между зеркалами по обе стороны от лазерного кристалла были помещены две диафрагмы диаметром ≤1–2 мм. Они использовались для того, чтобы выделить одну или несколько аксиальных мод лазерного излучения. Кроме того, что внутри резонатора ВРЛ-спектроанализатора были установлены диафрагмы, внутри него также осуществлялся процесс термического синтеза углеродных нанотрубок (УНТ) в гетерогенной плазме. Причем, как показали последующие измерения, линейные размеры синтезируемых УНТ оказались соизмеримы с длиной волны падающего на них лазерного света. Далее в ходе эксперимента в объеме синтезируемых УНТ происходит локализация и концентрация падающего потока фотонов. Сравним это условие с подобным условием, подчеркнутым авторами работы [2] как одного из основных условий проведения эксперимента (достижения фотонной БЭК при комнатной температуре).
Спектральные коэффициенты отражения сферических зеркал резонатора в экспериментах [5–14] в полосах генерации Δλ ≈ 0,6–1,3 мкм составляли около 99,9%. При появлении необходимости расширить или сместить эту полосу использовались другие зеркала резонатора, с высокими спектральными коэффициентами отражения излучения, задаваемого используемыми перестраиваемыми лазерами. Задние грани зеркал установки имели углы скоса в интервале 5–15˚ к оптической оси резонатора. Такая конструкция исключает возможность возникновения паразитной интерференции излучения на гранях оптических элементов. Это является стандартным условием осуществления ВРЛ-спектроскопии, используемым для получения "гладкого" спектра излучения и достижения высокого спектрального разрешения при регистрации спектров поглощения (или эмиссии) газовых или плазменных объектов. Лазерный квантрон вместе с оптическими элементами и ксеноновой лампой накачки охлаждались до комнатной температуры. Хотя, в случае использования в качестве лазерной среды кристалла александрита, легированного ионами хрома, приходилось нагревать его до температур около 100˚С и выше. Нагрев кристалла александрита увеличивал эффективность лазерной генерации кристалла и влиял на расширение спектральной полосы генерации. Тогда для охлаждения элементов использовался термостат с проточным движением хладагента и точной регулировкой температурного режима в используемой установке.
У исследователей из Боннского университета в экспериментальной установке использован резонатор со сферическими зеркалами (R кривизны≈ 1 м) со спектральным коэффициентом отражения, близким к 100% (как и в работах [5–14]), расположенные на расстоянии L ≈ 1,5 мкм друг от друга. Это позволяло им выделять несколько (около 7) продольных мод излучения и осуществлять локальную концентрацию фотонов в выделенном объеме резонатора. Между зеркалами заливался раствор органического красителя "Родамин 6G", молекулы которого возбуждались излучением аргонового лазера (Р ≤ 2,0 Вт). Тепловая энергия, выделяемая при осуществлении спектральной конверсии и преобразовании излучения из зеленой области в желтый интервал спектра, снижалась и охлаждалась до комнатной при прокачке раствора красителя с помощью гидропомпы. То есть это была стандартная схема преобразования излучения лазера накачки при получении перестраиваемого спектра излучения на органических красителях, растворенных в этиленгликоле или другой жидкостной матрице.
В экспериментах [3, 5–14], использовалась система регистрации, позволяющая фиксировать изменение динамических характеристик импульсов излучения и их спектры после прохождения высокоразрешающего полихроматора (разрешение R ≈ 106 и дисперсия D ≈ 0,01–1 нм/мм). Система индикации световых потоков имела выход на ПК и спектрофотометр. При взаимодействии потока широкополосного перестраиваемого излучения с гетерогенной плазмой происходил процесс термического синтеза металлоуглеродных наноматериалов (металлоуглеродные нанотрубки – МУНТ). Их появление в резонаторе ВРЛ-спектроанализатора приводило к разнообразным оптическим явлениям (изменялась динамика регистрируемого импульса, наблюдалось возникновение когерентной генерации на углеродных нанотрубках [3], фиксировалось возникновение когерентного лазерного сверхизлучения Дике [15], наблюдалось преобразование лазерного излучения с возникновением условий фотонного БЭК (как мы считаем), фиксировался нелинейный характер наблюдаемых оптических явлений и др.
Далее, на рис.3, приведены характерные изменения генерационных спектров, наблюдаемых в ходе термического синтеза УНТ в гетерогенной плазме. Генерационные спектральные участки обусловлены появлением когерентного излучения, возникающего в Ферстеровской области ("МУНТ-мишень") при ее облучении внешним лазерным излучением, перестраиваемым по частоте. На рис.3б и 3в мы наблюдаем конкуренцию двух эффектов – возникновение излучения с длиной волны 783,3 нм и длиной волны 785,3 нм. Рис.3в и 3г иллюстрируют появление описанных конкурирующих эффектов в двух экспериментах, проведенных в разное время при разных условиях. Полученные нами результаты (см. рис.3) аналогичны данным, опубликованным в журнале Nature [2] .
Фрагменты спектров, приведенные на рис.3, характеризуют изменение спектральной интенсивности при изучении гетерогенной плазмы, легированной добавками атомов церия, термически синтезируемых в стенки УНТ и, возможно, влияющих на проявление фотонного БЭК-состояния. Полученные в настоящей работе результаты характеризовались изменением спектральной интенсивности спектров излучения [9] и изменением динамики потока генерационных импульсов [3].
В качестве примера на рис.4 изображена зависимость изменения спектральной интенсивности излучения, фиксируемой из области регистрации оптического сигнала из района ближнего поля (или области, прилегающей к зонду сканирующего микроскопа ближнего поля [3, 6, 7]), находящейся между зондом микроскопа (роль зонда выполняла УНТ) и металлоуглеродной мишенью [3]. Эта область облучалась потоком света перестраиваемого лазера, а сканирование зонда осуществлялось через кратные интервалы δl (см. рис.4) с помощью юстировочного винта микростолика. Такая зависимость зарегистрирована малоинерционным фотоприемником для промежутка между зондом и мишенью: кривая 1 соответствует результатам, полученным для исходного потока излучения, кривая 2 – для увеличенного расстояния, кривая 4 – для уменьшенного, кривая 3 – соответствовала оптимальному расстоянию. Подбор оптимального расстояния определен экспериментально (качественно). Приемник устанавливался после высокоразрешающего полихроматора, а сигнал фиксировался на экране запоминающего осциллографа, который затем фотографировался, а полученные данные обрабатывались.
Анализ известных работ и экспериментальные результаты, полученные в данной работе, позволяют выдвинуть в итоге следующие предположения о наблюдаемом явлении БЭК:
Экспериментальная установка, примененная исследователями из Бонна [2] для регистрации фотонного БЭК-состояния, мало чем отличается от ВРЛ-спектроанализатора, применяемого для изучения спектров поглощения (эмиссии) гетерогенной плазмы, легированной атомами церия, термически внедренных в стенки МУНТ.
В рассмотренных случаях использовались в качестве когерентных источников излучения перестраиваемые лазеры с однородно уширенным контуром усиления, возбуждаемые оптическими источниками излучения при комнатной температуре.
Видимо, все наблюдаемые и регистрируемые явления связаны между собой одним основным условием – обеспечение когерентности потока излучения и нелинейным изменением динамики потоков излучения.
Дальнейшее изучение этих явлений расширит знания о фотонном БЭК-состоянии (если оно существует или возникает!? как описано в работе [2]) и позволят наблюдать другие эффекты, появляющиеся при облучении лазерным широкополосным излучением гетерогенной плазмы, легированной атомами металлов.
В работе [2] не приведено исчерпывающих характеристик потоков излучения, характеризующих динамические и спектральные параметры излучения в состоянии БЭК и возможные нелинейные проявления.
Все эти (и последующие) исследования позволят найти и выработать условия создания нового класса лазерно-активных сред и их практическое применение для разнообразных задач в широком спектральном интервале (включая УФ- и рентгеновский диапазоны) с разными временными характеристиками.
Литература
Каттерле В. Когда атомы ведут себя как волны. – УФН, т.173, №12, с.1339.
Weitz V. et al. Воsе-Einstein condensation of photons in an optical microcavite. – Nature, 2010, v.468, p.545.
Колеров А.Н. Гетерогенная плазма. Применение гетерогенной плазмы для нанотехнологий. – LAP Lambert Academic Publishing (2012-10-18).
Аверченко В.А. и др. Высокотемпературная БЭК поляритонов: реализация в условиях ВРЛ накачки вещества. – Квантовая электроника, 2006, т.36, №6, с.532.
Колеров А.Н. Когерентное излучение от углеродных нанотрубок при их лазерном возбуждении. – Наноинженерия, 2012, №12, с.54.
Колеров А.Н. Изучение проблем создания генераторов когерентного излучения на углеродных нанотрубках. – Наноинжерения, 2013, №8, с.3‒7.
Жариков Е.В., Колеров А.Н и др. Лазерный спектроанализатор на основе кристалла ГСГГ:Cr3+. – ДАН СССР, т.285, №1,с.92.
Колеров А.Н. Влияние светоэрозионной плазмы, находящейся в резонаторе перестраиваемого лазера, на характеристики его излучения. – Квантовая электроника, 2002, т. 32, №6, c.528.
Колеров А.Н. Особенности конденсации спектра излучения перестраиваемых лазеров. ‒ Квантовая электроника, 1988, т.15, №3,с.512.
Колеров А.Н. Аномалия спектра излучения и кинетики импульса генерации в лазерном кристалле BeAl2O4:Cr3+. – ПЖТФ, 1987, т.13, №4, с.227.
Колеров А.Н. Использование лазера на Al2O3:Ti3+ для внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. – ЖПС, 1986, т.44, №3, с.127.
Колеров А.Н. Внутрирезонаторные лазерные спектроанализаторы на LiF c ламповым возбуждением центров окраски. – Квантовая электроника, т.15,N9,1988,с.816.
Распопов Р.А. и др. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия с использованием лазеров на ЦО в кристалле NaCl-OH. – Квантовая электроника, 1999, т.6, №6, с.618.
Дубинский М.А. и др. Получение квазинепрервной генерации на KZnF3:Cr3+. – Квантовая электроника, 1986, т.13, №12, с.986.
Dicke R.H. Phys. Rev., 1954, v.93, p.99.
Анализ физических основ этого явления и накапливаемый со временем экспериментальный опыт позволят обосновать и найти более приемлемые условия для экспериментального изучения БЭК. Уже появились сообщения [1], в которых приводятся результаты получения БЭК с привлечением химических веществ.
Поиски новых сред для получения БЭК-состояния продвигаются достаточно быстро: если в первых опытах число используемых атомных сред насчитывало единицы элементов, то скоро, возможно, их количество увеличится. Интересным и неожиданным стало появление работы по исследованию БЭК при участии фотонного конденсата [2], хотя теоретики по ряду физических причин отвергали эти условия. Тем не менее, исследователи-экспериментаторы из Боннского университета показали, что это не совсем так. Их опытам с фотонным конденсатом, выполненным в 2010 году, посвящена работа в журнале Nature [2]. Авторы опубликовали результаты экспериментального изучения БЭК, полученного с привлечением лазерных фотонов и раствора органического красителя R6G в качестве хладагента. Они показали, что существенной разницы для реализации БЭК-состояния между средами, содержащими атомы, и средами, содержащими фотоны, – нет. Коренное отличие заключается только в том, что условия, при которых достигается БЭК-состояние с использованием фотонов, не требуют поддержания сверхнизких температур и использования магнитооптических ловушек. Оказалось, что БЭК-состояние может быть достигнуто и наблюдаться при комнатной температуре в лабораторных условиях!
Во всем мире (в частности и в России) уже несколько десятилетий проводились исследования, связанные с конденсацией спектра излучения перестраиваемых широкополосных лазеров [3, 5–14]. Эти лазеры используются в анализе газов и плазменных сред методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС). В качестве изучаемых объектов выступали газы и слабо ионизированная среда с привлечением легирующих добавок атомов металла (натрий, цезий и др.). Поэтому экспериментальным исследованиям подвергались плазменные объекты (гетерогенная плазма, в которой атомы металла переводились в слабо возбужденное состояние). Эти объекты обычно размещались в резонаторе ВРЛ-спектроанализатора. Конструкция экспериментальной установки имеет ряд особенностей: зеркала резонаторов выполнены по своеобразной геометрии, и лазерно-активные среды обладают широкой однородно-уширенной полосой люминесценции. Такая конструкция исключает возможность возникновения паразитной интерференции на внешних гранях оптических элементов, находящихся в оптическом тракте лазерного резонатора.
Одновременно с публикацией работ по изучению материи в состоянии БЭК стали появляться близкие по смыслу работы, авторы которых учитывали влияние такого состояния (квазисостояния) среды [4] на возникновение когерентного характера излучения. Это открывало возможности использования новых явлений в решении некоторых прикладных задач. Так, работа [3] была посвящена получению когерентного поверхностного излучения и лазерной генерации на углеродных наноматериалах с участием гетерогенной плазмы, в которой осуществлялась процедура термического синтеза металлоуглеродных нанотрубок (МУНТ). В ряде опубликованных работ сообщается о достигнутых условиях получения процесса вынужденного когерентного излучения [3, 6, 7]. Использование иных прикладных и функциональных возможностей лазерной аппаратуры с помощью высокоразрещающих зондовых микроскопов и ВРЛ-спектроанализаторов увеличило ряд способов получения и наблюдения новых сред [3,7]. В этих работах приведены результаты изучения микро- и макроструктуры лазерных сред, созданных в условиях, отличных от традиционных.
Исследование фотонного БЭК во многом перекликается с вопросами изучения газов и гетерогенной плазмы в условиях ВРЛ-спектроскопии. В такой плазме термически синтезируются металлоуглеродные наноматериалы, которые перспективны для ряда практических приложений. Попытаемся разобраться с особенностями этих экспериментов и сравним их с условиями реализации фотонного БЭК [2]. Данные, опубликованные в работах [3, 5–14], во многом адекватны данным, полученным в экспериментах, проводимых в Боннском университете [2]. Качественно сравним условия осуществления экспериментов по получению фотонного БЭК в лабораториях при комнатной температуре [2] с условиями провежения опытов с гетерогенной плазмой в резонаторе ВРЛ-спектроанализатора [3, 5–14]. Сравним и оптические элементы конструкций экспериментальных установок, на которых проводились эти опыты. Для наблюдения фотонного БЭК мы использовали установку, блок-схема которой изображена на рис.1. Взаимодействие широкополосного лазерного светового потока излучения с МУНТ, термически синтезируемой в углеродной гетерогенной плазме [3, 5–14], иллюстрирует рис.2.
Проведенные на использованной установке исследования позволили зарегистрировать интересные данные, которые аналогичны результатам, приведенным в работе [2]. Отличие экспериментов состоит лишь в том, что в [5–14] мы использовали кристалл гадолиний-скандий-галлиевого граната c ионами хрома (или другие лазерные среды), реализующий генерацию широкополосного излучения, в то время как авторы работы [2] использовали раствор красителя. Конфигурация зеркал (R ≈ 0,5 м) в резонаторах близка к конфокальной геометрии с базовым расстоянием между ними около 0,5 м. Между зеркалами по обе стороны от лазерного кристалла были помещены две диафрагмы диаметром ≤1–2 мм. Они использовались для того, чтобы выделить одну или несколько аксиальных мод лазерного излучения. Кроме того, что внутри резонатора ВРЛ-спектроанализатора были установлены диафрагмы, внутри него также осуществлялся процесс термического синтеза углеродных нанотрубок (УНТ) в гетерогенной плазме. Причем, как показали последующие измерения, линейные размеры синтезируемых УНТ оказались соизмеримы с длиной волны падающего на них лазерного света. Далее в ходе эксперимента в объеме синтезируемых УНТ происходит локализация и концентрация падающего потока фотонов. Сравним это условие с подобным условием, подчеркнутым авторами работы [2] как одного из основных условий проведения эксперимента (достижения фотонной БЭК при комнатной температуре).
Спектральные коэффициенты отражения сферических зеркал резонатора в экспериментах [5–14] в полосах генерации Δλ ≈ 0,6–1,3 мкм составляли около 99,9%. При появлении необходимости расширить или сместить эту полосу использовались другие зеркала резонатора, с высокими спектральными коэффициентами отражения излучения, задаваемого используемыми перестраиваемыми лазерами. Задние грани зеркал установки имели углы скоса в интервале 5–15˚ к оптической оси резонатора. Такая конструкция исключает возможность возникновения паразитной интерференции излучения на гранях оптических элементов. Это является стандартным условием осуществления ВРЛ-спектроскопии, используемым для получения "гладкого" спектра излучения и достижения высокого спектрального разрешения при регистрации спектров поглощения (или эмиссии) газовых или плазменных объектов. Лазерный квантрон вместе с оптическими элементами и ксеноновой лампой накачки охлаждались до комнатной температуры. Хотя, в случае использования в качестве лазерной среды кристалла александрита, легированного ионами хрома, приходилось нагревать его до температур около 100˚С и выше. Нагрев кристалла александрита увеличивал эффективность лазерной генерации кристалла и влиял на расширение спектральной полосы генерации. Тогда для охлаждения элементов использовался термостат с проточным движением хладагента и точной регулировкой температурного режима в используемой установке.
У исследователей из Боннского университета в экспериментальной установке использован резонатор со сферическими зеркалами (R кривизны≈ 1 м) со спектральным коэффициентом отражения, близким к 100% (как и в работах [5–14]), расположенные на расстоянии L ≈ 1,5 мкм друг от друга. Это позволяло им выделять несколько (около 7) продольных мод излучения и осуществлять локальную концентрацию фотонов в выделенном объеме резонатора. Между зеркалами заливался раствор органического красителя "Родамин 6G", молекулы которого возбуждались излучением аргонового лазера (Р ≤ 2,0 Вт). Тепловая энергия, выделяемая при осуществлении спектральной конверсии и преобразовании излучения из зеленой области в желтый интервал спектра, снижалась и охлаждалась до комнатной при прокачке раствора красителя с помощью гидропомпы. То есть это была стандартная схема преобразования излучения лазера накачки при получении перестраиваемого спектра излучения на органических красителях, растворенных в этиленгликоле или другой жидкостной матрице.
В экспериментах [3, 5–14], использовалась система регистрации, позволяющая фиксировать изменение динамических характеристик импульсов излучения и их спектры после прохождения высокоразрешающего полихроматора (разрешение R ≈ 106 и дисперсия D ≈ 0,01–1 нм/мм). Система индикации световых потоков имела выход на ПК и спектрофотометр. При взаимодействии потока широкополосного перестраиваемого излучения с гетерогенной плазмой происходил процесс термического синтеза металлоуглеродных наноматериалов (металлоуглеродные нанотрубки – МУНТ). Их появление в резонаторе ВРЛ-спектроанализатора приводило к разнообразным оптическим явлениям (изменялась динамика регистрируемого импульса, наблюдалось возникновение когерентной генерации на углеродных нанотрубках [3], фиксировалось возникновение когерентного лазерного сверхизлучения Дике [15], наблюдалось преобразование лазерного излучения с возникновением условий фотонного БЭК (как мы считаем), фиксировался нелинейный характер наблюдаемых оптических явлений и др.
Далее, на рис.3, приведены характерные изменения генерационных спектров, наблюдаемых в ходе термического синтеза УНТ в гетерогенной плазме. Генерационные спектральные участки обусловлены появлением когерентного излучения, возникающего в Ферстеровской области ("МУНТ-мишень") при ее облучении внешним лазерным излучением, перестраиваемым по частоте. На рис.3б и 3в мы наблюдаем конкуренцию двух эффектов – возникновение излучения с длиной волны 783,3 нм и длиной волны 785,3 нм. Рис.3в и 3г иллюстрируют появление описанных конкурирующих эффектов в двух экспериментах, проведенных в разное время при разных условиях. Полученные нами результаты (см. рис.3) аналогичны данным, опубликованным в журнале Nature [2] .
Фрагменты спектров, приведенные на рис.3, характеризуют изменение спектральной интенсивности при изучении гетерогенной плазмы, легированной добавками атомов церия, термически синтезируемых в стенки УНТ и, возможно, влияющих на проявление фотонного БЭК-состояния. Полученные в настоящей работе результаты характеризовались изменением спектральной интенсивности спектров излучения [9] и изменением динамики потока генерационных импульсов [3].
В качестве примера на рис.4 изображена зависимость изменения спектральной интенсивности излучения, фиксируемой из области регистрации оптического сигнала из района ближнего поля (или области, прилегающей к зонду сканирующего микроскопа ближнего поля [3, 6, 7]), находящейся между зондом микроскопа (роль зонда выполняла УНТ) и металлоуглеродной мишенью [3]. Эта область облучалась потоком света перестраиваемого лазера, а сканирование зонда осуществлялось через кратные интервалы δl (см. рис.4) с помощью юстировочного винта микростолика. Такая зависимость зарегистрирована малоинерционным фотоприемником для промежутка между зондом и мишенью: кривая 1 соответствует результатам, полученным для исходного потока излучения, кривая 2 – для увеличенного расстояния, кривая 4 – для уменьшенного, кривая 3 – соответствовала оптимальному расстоянию. Подбор оптимального расстояния определен экспериментально (качественно). Приемник устанавливался после высокоразрешающего полихроматора, а сигнал фиксировался на экране запоминающего осциллографа, который затем фотографировался, а полученные данные обрабатывались.
Анализ известных работ и экспериментальные результаты, полученные в данной работе, позволяют выдвинуть в итоге следующие предположения о наблюдаемом явлении БЭК:
Экспериментальная установка, примененная исследователями из Бонна [2] для регистрации фотонного БЭК-состояния, мало чем отличается от ВРЛ-спектроанализатора, применяемого для изучения спектров поглощения (эмиссии) гетерогенной плазмы, легированной атомами церия, термически внедренных в стенки МУНТ.
В рассмотренных случаях использовались в качестве когерентных источников излучения перестраиваемые лазеры с однородно уширенным контуром усиления, возбуждаемые оптическими источниками излучения при комнатной температуре.
Видимо, все наблюдаемые и регистрируемые явления связаны между собой одним основным условием – обеспечение когерентности потока излучения и нелинейным изменением динамики потоков излучения.
Дальнейшее изучение этих явлений расширит знания о фотонном БЭК-состоянии (если оно существует или возникает!? как описано в работе [2]) и позволят наблюдать другие эффекты, появляющиеся при облучении лазерным широкополосным излучением гетерогенной плазмы, легированной атомами металлов.
В работе [2] не приведено исчерпывающих характеристик потоков излучения, характеризующих динамические и спектральные параметры излучения в состоянии БЭК и возможные нелинейные проявления.
Все эти (и последующие) исследования позволят найти и выработать условия создания нового класса лазерно-активных сред и их практическое применение для разнообразных задач в широком спектральном интервале (включая УФ- и рентгеновский диапазоны) с разными временными характеристиками.
Литература
Каттерле В. Когда атомы ведут себя как волны. – УФН, т.173, №12, с.1339.
Weitz V. et al. Воsе-Einstein condensation of photons in an optical microcavite. – Nature, 2010, v.468, p.545.
Колеров А.Н. Гетерогенная плазма. Применение гетерогенной плазмы для нанотехнологий. – LAP Lambert Academic Publishing (2012-10-18).
Аверченко В.А. и др. Высокотемпературная БЭК поляритонов: реализация в условиях ВРЛ накачки вещества. – Квантовая электроника, 2006, т.36, №6, с.532.
Колеров А.Н. Когерентное излучение от углеродных нанотрубок при их лазерном возбуждении. – Наноинженерия, 2012, №12, с.54.
Колеров А.Н. Изучение проблем создания генераторов когерентного излучения на углеродных нанотрубках. – Наноинжерения, 2013, №8, с.3‒7.
Жариков Е.В., Колеров А.Н и др. Лазерный спектроанализатор на основе кристалла ГСГГ:Cr3+. – ДАН СССР, т.285, №1,с.92.
Колеров А.Н. Влияние светоэрозионной плазмы, находящейся в резонаторе перестраиваемого лазера, на характеристики его излучения. – Квантовая электроника, 2002, т. 32, №6, c.528.
Колеров А.Н. Особенности конденсации спектра излучения перестраиваемых лазеров. ‒ Квантовая электроника, 1988, т.15, №3,с.512.
Колеров А.Н. Аномалия спектра излучения и кинетики импульса генерации в лазерном кристалле BeAl2O4:Cr3+. – ПЖТФ, 1987, т.13, №4, с.227.
Колеров А.Н. Использование лазера на Al2O3:Ti3+ для внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. – ЖПС, 1986, т.44, №3, с.127.
Колеров А.Н. Внутрирезонаторные лазерные спектроанализаторы на LiF c ламповым возбуждением центров окраски. – Квантовая электроника, т.15,N9,1988,с.816.
Распопов Р.А. и др. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия с использованием лазеров на ЦО в кристалле NaCl-OH. – Квантовая электроника, 1999, т.6, №6, с.618.
Дубинский М.А. и др. Получение квазинепрервной генерации на KZnF3:Cr3+. – Квантовая электроника, 1986, т.13, №12, с.986.
Dicke R.H. Phys. Rev., 1954, v.93, p.99.
Отзывы читателей
