Обоснован принципиально новый подход к самоорганизации в системе "коллектив полей + молекулярный газ" ансамбля оптически активных наночастиц электрон–ион на приготовленном магнитомультипольном переходе. В ансамбле наночастиц на частоте магнитомультипольного перехода самовозбуждается генерация лазерного излучения. Это излучение имеет когерентность высокого порядка, вихревое поле σ-поляризации и большой угловой орбитальный момент

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
ISSN 1993-7296 (print)
ISSN 2686-844X (online)
Книги по фотонике
Книги по теме
Редактор оригинального издания С. Катаяма

читать книгу
Айхлер Ю., Айхлер Г.И.

читать книгу
Вакс Е.Д., Лебёдкин И.Ф., Миленький М.Н., Сапрыкин Л.Г., Толокнов А.В.

читать книгу
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по фотонике
Урик Винсент Дж.-мл., МакКинни Джейсон Д., Вилльямс Кейт Дж.
Другие серии книг:
Мир фотоники
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #3/2014
В.Лопасов
Концептуальная модель магнитомультипольного лазера
Просмотры: 6083
Обоснован принципиально новый подход к самоорганизации в системе "коллектив полей + молекулярный газ" ансамбля оптически активных наночастиц электрон–ион на приготовленном магнитомультипольном переходе. В ансамбле наночастиц на частоте магнитомультипольного перехода самовозбуждается генерация лазерного излучения. Это излучение имеет когерентность высокого порядка, вихревое поле σ-поляризации и большой угловой орбитальный момент
Как известно [1], основными элементами электродипольного (ЭД) лазера являются среда из молекул (атомов), резонатор и накачка. Генерация лазерного излучения самовозбуждается в момент времени, когда между состояниями ЭД-перехода молекул (атомов) среды на частоте одной из мод резонатора достигнута пороговая инверсия населенности за счет положительной обратной связи (ПОС) между фотонами вынужденного излучения и средой. Характеристики и свойства лазерного ЭД излучения зависят от характеристик и свойств среды, резонатора и накачки.
Основными элементами магнитомультипольного (ММ) лазера являются коллектив полей и молекулярный газ, состоящий из молекул и уширяющих частиц (молекул, атомов). Молекулы имеют низкочастотный ЭД- и высокочастотный магнитный мультипольный колебательно-вращательные переходы, объединенные низшим состоянием в V-схему:

(1)
Коллектив полей состоит из электрических и магнитных компонент поля упругого столкновения молекул с уширяющими частицами, бигармонической световой волны (БСВ) накачки π-поляризации и релеевского рассеяния [2, 3].

Двумерный параметрический резонанс по энергии между V-схемой переходов и разностью, суммой частот БСВ зарождает в системе "коллектив полей + молекулярный газ" (далее по тексту в "системе" – прим. авт.) двумерную во времени-пространстве ПОС между энергиями квадратичных эффектов Штарка и Зеемана [3] в объеме когерентности БСВ. Молекулы за одно упругое столкновение с частицами накапливают пороговую диамагнитную восприимчивость вдоль оси Z БСВ и, соответственно, пороговую диамагнитную энергию по V-схеме переходов на высоковозбужденном магнитном мультипольном состоянии. В "системе" самоорганизуются: 1) ансамбль оптически активных наночастиц электрон-ион на приготовленном (смешанном) ММ нежестком переходе и 2) комплексный показатель преломления ансамбля наночастиц в форме многоцилиндрического оптического "соленоида-резонатора". На частоте ММ-перехода самовозбуждается генерация лазерного ММ-излучения. Характеристики и свойства ММ-излучения зависят от характеристик, свойств ансамбля наночастиц и поля БСВ накачки [4].
Цель настоящей работы – обосновать принципиально новый подход к самоорганизации ансамбля наночастиц электрон–ион на приготовленном ММ нежестком переходе и генерации на его частоте лазерного ММ-излучения.
ОТ ИСХОДНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ К КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ
В спектрах поглощения [5] и переизлучения [6] молекулами Н2О, полученных с участием лазерного излучения на рубине и уширяющих частиц (молекул N2) при атмосферном давлении, было нечто необычное. Спектр поглощения молекул Н2О [5] содержал десять (вместо одной известной) линий, полученных по классической методике "исследуемый/опорный" пучок излучения БСВ π-поляризации лазера на рубине. Коэффициент поглощения в центре девяти линий оказался на четыре порядка больше той величины, которая соответствует интенсивности этих линий [7]. В работе [6] известная линия Н2О была зарегистрирована с помощью полихроматического ВРЛ-спектрометра на рубине при тех же параметрах молекулярного газа. Известная линия поглощения уменьшила инверсию населенности в контуре излучения лазера на рубине, а вблизи центра линии поглощения возник мощный сигнал монохроматического излучения. Эти результаты выходят за рамки ЭД-приближения и полуклассической теории взаимодействия лазерного излучения с молекулярным газом при заданных параметрах среды и накачки.
Два специально поставленных эксперимента с известной линией привели к следующим результатам. Нелинейное поглощение лазерного излучения π-поляризации проявляется в аномальной области контура известной линии Н2О сильнее, чем σ-поляризации [8]. Коэффициент поглощения в аномальной области контура известной линии, полученной на ВРЛ-спектрометре, существенно зависел от частоты штарковской модуляции состояний Н2О [9].
Анализ роли параметров "системы" в формировании аномальной области контура известной линии поглощения позволяет сделать три вывода. Во-первых, вероятности ЭД- и слабого магнитного мультипольного колебательно-вращательных переходов могут радикально измениться за время одного упругого столкновения молекул с частицами при определенных параметрах коллектива полей и молекулярного газа.
Во-вторых, выйти за рамки ЭД-приближения и полуклассической теории можно путем управления квантовыми событиями внутри- и межмолекулярной динамики энергетических состояний V-схемы переходов.
В-третьих, внутренняя знакопеременная амплитудно-фазовая модуляция БСВ накачки на V-схеме переходов (1) может корректировать процесс зарождения двумерной ПОС между энергиями квадратичных эффектов Штарка и Зеемана [3, 4].
КОНСТРУКТИВНАЯ ДВУМЕРНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
Физической причиной зарождения двумерной ПОС является двумерный параметрический резонанс по энергии (интерференция внутримолекулярного поля и коллектива полей) между V-схемой переходов (1) и разностью , суммой частот в объеме когерентности БСВ
, (2)
где  и – длина когерентности и диаметр пучка БСВ накачки. Здесь  – номер шага поля БСВ в моменты смены знака ± амплитудной модуляции ортогонально оси Z и в моменты смены знака фазовой модуляции вдоль оси Z распространения БСВ.
Поле упругого столкновения, нарушая симметрию электронных оболочек молекулы, индуцирует в ней электрический и магнитный дипольные моменты, а также его слагаемые, характеризующие градиент поля и тензор гирации g. Эти слагаемые создают диамагнитную ловушку электрона и иона молекулы при их разбегании под действием сил Лоренца и Кориолиса. Здесь и  – флуктуации электрической поляризуемости ортогонально и диамагнитной восприимчивости по оси Z БСВ.
Для реализации фазовой модуляции БСВ и зарождения двумерной ПОС необходимо задать достаточную асимметрию поля и достаточное число уширяющих частиц, фотонов БСВ накачки и молекул в объеме (2). Знакопеременная амплитудно-фазовая модуляция БСВ корректирует разбегание зарядов , и, соответственно, частоту флуктуации дипольных моментов и .
"Спусковым крючком" зарождения двумерной ПОС служит амплитудно-фазовый шаг , где флуктуации моментов , на частотах V-схемы (1) захвачены частотами и БСВ в двумерный параметрический резонанс. Размер шага БСВ должен быть меньше памяти валентного электрона [10] молекул (– энергия ионизации молекулы). Как следствие, возникает регулярный рост радиуса нелокальности отклика электрона между моментами и в аномальной области слабого магнитного мультипольного перехода (1) за счет деформации орбиты электрона упругим столкновением.
Компоненты коллектива полей и перекрываются на переходах (1), возникает квадратичная нелинейность в молекулах и растет диамагнитная энергия связи зарядов , при их разбегании за счет сил Лоренца и Кориолиса. Как следствие, в момент в объеме (2) зарождается двумерная ПОС между колебаниями энергий эффекта Штарка на частоте ортогонально и эффекта Зеемана на частоте по оси Z. Здесь и  – радиус-векторы, проведенные из начала координат молекулы ортогонально и по оси Z в точки нахождения электрона в моменты и .
САМООРГАНИЗАЦИЯ АНСАМБЛЯ НАНОЧАСТИЦ И САМОВОЗБУЖДЕНИЕ ГЕНЕРАЦИИ
Двумерная ПОС управляет темпом разбегания зарядов , по V-схеме переходов молекул и эволюцией диамагнитных ловушек в амплитудно-фазовую профилированную зонную пластинку так, что четные и нечетные зоны Френеля в объеме (2) "работают в фазе". Амплитудно-фазовая зонная пластинка является магнитооптическим аналогом "фазовой" зонной пластинки [11], имеющей разную толщину четных и нечетных зон микролинзовой системы. Магни­то­опти­ческий аналог позволяет плавно изменять фазу выходящей световой волны в пределах каждой зоны Френеля. При этом в аномальной области слабого магнитного мультипольного перехода уменьшается скорость переноса энергии коллектива полей до скорости электрона и растет фазовая скорость БСВ . Как следствие, растет крутизна действительной части и абсолютной величины мнимой части (восприимчивости ) комплексного показателя преломления на магнитном мультипольном переходе .
Поскольку время молекулярных релаксаций (при атмосферном давлении) больше длительности их упругого столкновения [12] и, тем более, шага изменения энергий , по V-схеме, то к концу цикла
(3)
энергия движения молекул замораживается до низшего состояния в (1), а энергия коллектива полей преобразуется в диамагнитную энергию высоковозбужденного магнитного мультипольного состояния, что на порядки увеличивает вероятность перехода . При этом в "системе" самоорганизуется ансамбль оптически активных наночастиц электрон-ион на приготовленном ММ нежестком переходе (1). Ансамбль наночастиц имеет форму многоцилиндрического (по числу зон Френеля) оптического "соленоида–резонатора" с электрическим, магнитным и механическим пространственно-временным упорядочением. Ансамбль наночастиц обладает:
комплексным показателем преломления

свойством кругового двулучепреломления;
выстроенными проекциями углового орбитального момента наночастиц по вектору поля стоячей волны σ±-поляризации (СВЭП) в "соленоиде–резонаторе".
Компоненты коллектива полей и в "соленоиде–резонаторе" сдвинуты по времени , а пространственное распределение их амплитуд смещено на так, что максимумы (пучности) совпадают с нулями (узлами) и наоборот. В точке пространства фазы (момент ) и (момент ) совпадают, что указывает на наличие вектора Умова-Пойнтинга для поля СВЭП в ансамбле наночастиц.
Совпадение узлов и пучностей напряженности (как в резонаторе ЭД-лазера) поля СВЭП связывает движение зарядов и на каждом ортогонально зонам Френеля на частоте амплитудной модуляции и вдоль зон Френеля на несущей частоте с частотой фазовой модуляции .
В момент окончания цикла (3):
режим двумерной ПОС преобразуется в режим автоколебания энергий (режим spin-flip) между ансамблем наночастиц электрон–ион и СВЭП;
ансамбль наночастиц резонансно преобразует поле БСВ π-поляризации в векторное соленоидальное (вихревое) поле ММ-излучения σ-поляризации по замкнутому циклу "испускание–поглощение".
ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ
Оценку характеристик и свойств ММ-излучения целесообразно начать с характеристики состояния молекулы, электрических и магнитных фотонов. Состояние молекулы характеризуется угловым моментом J и четностью . Переход молекулы между состояниями регламентируется правилами отбора по моменту J и четности [13]. Молекула испускает на излучательном переходе квант энергии (фотон) векторного поля со спином S = 1. Полный угловой момент фотона – векторная сумма , где L – ранг сферических функций , входящих в состав волновой функции фотона.
Фотоны с орбитальным моментом и четностью называют электрическими или EJ-фотонами. Фотоны с орбитальным моментом и четностью называют магнитными или -фотонами. Таким образом, лазерное ЭД-излучение – это совокупность электрических фотонов, каждый из которых несет энергию . Лазерное ММ-излучение – это совокупность магнитных фотонов, каждый из которых несет энергию , соответствующую кванту магнитного потока [Дж/А] по оси Z.
Переход молекул между естественными состояниями ЭД-перехода регламентируется правилами отбора для электрического дипольного момента, ориентированного ортогонально оси Z [12]. Переход ансамбля наночастиц электрон–ион между состояниями приготовленного ММ перехода регламентируется правилами отбора для магнитного дипольного момента, ориентированного по оси Z. Магнитомультипольное излучение σ-поляризации генерируется на частоте приготовленного ММ-перехода в режиме spin-flip с угловым орбитальным моментом по оси Z.
МОНОХРОМАТИЧНОСТЬ
Монохроматичность ММ-излучения оценим по времени жизни фотона в объеме когерентности при добротности резонатора [1]. Объем имеет форму многоцилиндрического оптического "соленоида-резонатора" с регулярными безызлучательными потерями [7] по V-схеме. Причина потерь – торможение колебания поляризуемости молекул на ЭД-переходе с частотой и усиление колебания ее диамагнитной восприимчивости с накоплением (поглощением, ) диамагнитной энергии на слабом магнитном мультипольном переходе с частотой .
Добротность резонатора [1] можно оценить как  – отношение резонансной частоты моды (зоны Френеля с учетом ) к ширине линии резонатора , и как  (запасенная энергия)/(энергия, теряемая за период). Сле­до­ва­тельно, монохроматичность ММ-излучения можно представить в виде

(4)
Условия эксперимента [6], где получен сигнал переизлучения, приводят к следующей оценке монохроматичности ММ-излучения. Диамагнитная энергия, запасенная ансамблем наночастиц и полем стоячей волны σ-поляризации, равна эрг при (S ≈ 0,8 см2 и
). При этом мощность ММ излучения за период будет равна на частоте .
Из (4) следует, что пороговая монохроматичность ММ излучения составляет .
ПОРЯДОК КОГЕРЕНТНОСТИ [14]
Порядок когерентности ММ излучения оценим по числу молекул mD, участвуюших в самоорганизации ансамбля наночастиц и заполняющих оптический "соленоид-резонатор" (2).
Критерием когерентности излучения в газе является соотношение [15]. Поскольку , то вопрос о когерентности вынужденных колебаний молекул в теории дисперсии сводится к сравнению с . Здесь и  – скорость и время свободного пробега молекулы; и  – длина свободного пробега и сечение релеевского рассеяния при атмосферных условиях для ;  – поляризуемость непоглощающих () и изолированных молекул.
Молекулы, поглощая на магнитном мультипольном переходе () и взаимодействуя между собой через коллектив полей , , формируют соотношение , имеющее смысл критерия когерентности ММ излучения. Поскольку , то вопрос о когерентности ММ-излучения в объеме (2) сводится к сравнению изменений и за время (3). Так как флуктуации и в молекулах на каждом шаге в поле , синхронизованы, то и изменяются в объеме (2) ортогонально и вдоль оси Z поля БСВ накачки. Здесь и  – скорость молекул в моменты , и время их свободного пробега в окружении уширяющих частиц .
Фотоны ММ-излучения зарождаются в объеме в такой момент , когда возникшее в каждой молекуле mD когерентное смещение электрона относительно иона способно к моменту создать анизотропную конфигурацию и орбиты электрона ортогонально и вдоль зон Френеля. Момент  – начало самоорганизации молекул в диамагнитные ловушки, которые, удерживая заряды и в пределах зоны Френеля по высоте/толщине, самоорганизуются в ансамбль наночастиц за время (3). Ансамбль наночастиц образует "плоскую микролинзовую систему", расположенную ортогонально оси Z с шагом и по оси Z с шагом при интервалах между наночастицами и , соот­вет­ственно.
Таким образом, условие , а также моменты и ограничивают число молекул водяного пара в объеме когерентности (2) до на стартовом состоянии V-схемы переходов. Это число молекул, участвующих в формировании генерации ММ-излучения, определяет mD порядок когерентности в пространственно-временных точках зон Фре­неля. Для молекул другого типа порядок когерентности будет другой.
НАПРАВЛЕННОСТЬ
Направленность ММ-излучения оценим, учитывая, что наночастицы электрон-ион ансамбля взаимодействуют между собой через коллектив полей , и имеют пространственно-временную когерентность -го порядка в многоцилиндрическом оптическом "соле­но­иде-
рез­онаторе".
Излучение БСВ накачки π–поляризации с диаметром и гауссовым поперечным распределением интенсивности на входе "соленоида­-резонатора" создаст на его выходе пучок ММ излучения –поляризации
(5)
расходимость которого будет меньше дифракционной расходимости лазерного излучения в раз. Здесь  – коэффициент, характеризующий пространственно-временную электрическую, магнитную и механическую упорядоченность наночастиц электрон–ион на приготовленном ММ нежестком переходе в объеме (2).
Корреляционная функция бегущей ММ волны c когерентностью mD-го порядка равна
.
ЯРКОСТЬ
Яркость пучка ММ излучения с диаметром и углом расходимости равна
(6)
что больше яркости лазерного ЭД излучения в раз из-за расходимости. Здесь  – мощность пучка ММ излучения на выходе из "соленоида­-резонатора". Энергия ММ излучения зависит от энергии БСВ π-поляризации, длины когерентности , сечения максимальной зоны Френеля и концентрации наночастиц (молекул)

.
Поскольку электрические фотоны поля БСВ π-поляризации преобразуются в магнитные фотоны ММ излучения σ-поляризации в замкнутом цикле "испускание–поглощение", то квантовая эффективность преобразования энергии достигает .
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ
Помехоустойчивость ММ-излучения в атмосфере обусловлена, во-первых, тем, что перенос информации (и энергии) в атмосфере определяется его магнитной компонетой , дальнодействие которой задано законом Био-Савара на оси оптического "соленоида-резонатора" (как в соленоиде [16]). Здесь и  – номер зоны Френеля и электронный ток на ее поверхности. Отсутствие зависимости поля на оси "резонатора" в зонах Френеля от расстояния r между зарядами и при орбитальном моменте по оси Z обрекает волновой фронт ММ-излучения на устойчивость перед турбулентностью неоднородности комплексного показателя преломления атмосферы в макромасштабе закона Био-Савара. Угловой орбитальный момент по оси Z обеспечивает превышение помехоустойчивости волнового фронта лазерного ММ-излучения в атмосфере в ~106–1010 раз над лазерным ЭД-излучением.
Во-вторых, вероятность магнитодипольных переходов молекул (атомов) в ~106 раз меньше вероятности ЭД-переходов; во столько же раз меньше будет ослабляться интенсивность ММ-излучения в атмосфере относительно интенсивности лазерного ЭД-излучения. Эти два качества ММ-излучения позволяют использовать ММ-лазеры в различных оптических системах независимо от погодных условий.
В-третьих, ММ-излучение регистрируется фотоприемником, построенны как на электрооптическом принципе, так и на магнитооптическом принципе. Во втором случае величина S/N фотоприемника не зависит от времени суток, что обеспечивает круглосуточную помехоустойчивую работу в атмосфере оптических систем на основе ММ-лазера.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В зарубежной и отечественной литературе отсутствуют данные, связанные с генерацией ММ-излучения. Как правило, приводятся результаты формирования спиральных пучков в анизотропной среде резонатора лазера, генерирующего излучение на ЭД-переходе. Волновой фронт ЭД-излучения "рассыпается" (теряет устойчивость) на мелкие вихревые потоки при распространении ЭД-излучения в реальной атмосфере. Процесс "рассыпания" обусловлен интерференцией первичных и вторичных волн на дислокациях, сформированных турбулентностью атмосферы [17].
В рамках классической электродинамики реализовать лазерное ММ-излучение невозможно. Для генерации ММ-излучения необходимо теоретические задачи решать в рамках квантовой электродинамики и экспериментально апробировать концептуальную модель на современной технологической базе. ООО "Суперпозиция" при ИОА СО РАН успешно решило теоретико-экспериментальные задачи стадии "0" НИОКР Фонда Сколково. На стадии "1" предполагается создать теоретическую основу, прототип ММ-лазера и получить генерацию ММ-излучения.
ЛИТЕРАТУРА
Звелто О. Принципы лазеров. – СПб.: Лань, 2008.
Способ синтеза оптически активной диамагнитной среды. Пат. 2320979. Россия, МПК51 GO1N 21/00, H01S 3/094. Лопасов В.П. №2006110006/28; Заявл.28.032006, опубл. 27.03.2008. Бюл. №9.
Лопасов В.П. Принципы генерации лазерного излучения на приготовленном магнитодипольном переходе. – Прикладная физика, 2012, № 4, c. 24–33.
Лопасов В.П. Оценка характеристик лазерного излучения на приготовленном магнитомультипольном переходе. – Прикладная физика, 2012, № 5, c. 5–10.
Зуев В.Е., Лопасов В.П., Макогон М.М. –ДАН СССР. 1971. т. 199. № 5. с. 1041.
Лопасов В.П. – Оптика атм. и океана, 1997, т. 10, № 9, с. 996.
Тихомиров А.Б., Пташник И.В., Тихомиров Б.А. – Оптика и спектроскопия, 2006, т. 101, с. 80.
Лопасов В.П., Пономарев Ю.Н, Тихомиров Б.А. – Квантовая электроника, 1982, т. 9, № 8, с. 181.
Кочанов В.П., Лопасов В.П., Лукьяненко С.Ф. – Известия АН СССР, Сер. Физическая, 1985, т. 49, № 3, с. 516.
Ильинский Ю.А., Келдыш Л.В.Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. – М.: МГУ, 1989.
Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. – М.: МГУ, 2004.
Фано У, Фано Л. Физика атомов и молекул. – М.: Наука, 1980.
Ахиезер А.И., Берестецкий В.Б. Квантовая электродинамика. – М.: Физмат, 1959.
Лоудон Р. Квантовая теория света. – М.: Мир, 1976.
Собельман И.И. К теории рассеяния света в газах. – УФН, 2002, т.172, №1, с.85–90.
Физический энциклопедический словарь. – М.: БРЭ, 1995, с.14
Абрамочкин Е Г., Волостников В.Г. – УФН, 2004, т. 174, № 12, с. 1273.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art