Светоиндуцированный дрейф (СИД) сложных атомов и некоторых явления, родственные СИД тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Пархоменко, Александр Иванович

• Пархоменко, Александр Иванович
• кандидат физико-математических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Пархоменко, Александр Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА. I. СОД ПРИ СТУПЕНЧАТОМ ВОЗБУЖДЕНИИ УРОВНЕЙ

§ I. СВД при нелазерном предварительном возбуждении

§ 2. Ступенчатое возбуждение лазерными полями . 43 А. Случай селективных по скоростям переходов между возбужденными уровнями.

Б. Случай селективных переходов между основным и первым возбужденным уровнями.

ГЛАВА П. СВД ПРИ СВЕРХГОНКОМ РАСЩЕПЛШИИ УРОВНЕЙ

§ I. СИД при сверхтонком расщеплении основного состояния

§ 2. СВД при сверхтонком расщеплении возбужденного состояния.

ГЛАВА Ш. ЯВЛЕНИЯ, РОДСТВЕННЫЕ СВД.

§ I. Светоиндуцированная э.д в газах.

§ 2. Столкновительно-радиационные "охлаждение" и нагрев" газа.

§ 3. СВД экситонов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Светоиндуцированный дрейф (СИД) сложных атомов и некоторых явления, родственные СИД»

Явление светоиндуцированного дрейфа (ОВД) газов, открытое в 1979 г. Ф. X.Гельмухановым и A.M. Шалагиным [I] относится к ряду эффектов воздействия излучения на поступательное движение частиц газа. Новое явление сразу же привлекло внимание многих исследователей благодаря возможности его широкого применения в решении научных и практических задач.

Сущность явления СЩ состоит в следувдем [I]. Цусть излучение в виде бегущей монохроматической волны проходит через газ и имеет частоту и> , близкую к частоте «)тл перехода медцу основным (и,) и первым возбужденным (т,) состояниями частиц газа. Из-за эффекта Доплера излучение взаимодействует преимущественно с теми частицами, скорость которых близка к скорости , определяемой условием = и> - и)тп> , где К - волновой вектор излучения. В результате в распределении частиц по скоростям возникают хорошо известные бен-нетовские структуры - провал на нижнем уровне и, и пик на верхнем уровне иг [ 2]. Центры беннетовских структур соответствуют скорости % . При Qs cD- iDynYb (т.е. при у^о ) центры пика и провала смещены относительно iТ~о . Другими словами, возникают асимметричные распределения частиц по скоростям ^^(г/) , на уровнях т,, гь (см. рис. I). Это означает, что средняя скорость частиц в состояас)

J Эта работа доложена в ацреле 1979 г. на научном семинаре лаборатории С.Г.Раутиана (Институт автоматики и электрометрии СО АН СССР). A

Рис. I. Распределение частиц по скоростям при воздействии излучения в отсутствие столкновений. Суммарное распределение + jWC^) является максвелловским и частицы в целом покоятся ( iy^-h in, - О) нияхпг, yl отлична от нуля. Следовательно, излучение порождает потоки возбужденных (Jw,) и невозбузвденных ( J^) частиц:

Потоки коллинеарны волновому вектору излучения К и направлены навстречу друг другу. Очевидно, что в отсутствие столкновений и в пренебрежении эффектом отдачи суммарное распределение частиц по скоростям /VT?)h fm, Cih+faOr) всегда является максвелловским и поглощающие частицы в целом покоятся (jyrv+jtl^o).

Ситуация радикально изменяется, когда поглощающие частицы находятся в смеси с посторонним буферным газом. В этом случае встречные потоки jm. и jn, испытывают сопротивление со стороны буферных частиц за счет столкновений. В общем случае взаимодействие возбужденных и невозбузкденных поглощающих частиц с буферными различно. Ради простоты можно говорить о различии размеров поглощающих частиц в состояниях ууъ и Уь . Поэтому различны и силы сопротивления потокам J. т, и J.^ .В итоге возникает сила, действующая со стороны буферного газа на поглощающие частицы как целое, что приводит их в движение (см. рис. 2, взятый из работы [3]). Буферные частицы, очевидно, будут двигаться в противоположную сторону.

В основе эффекта СВД лежат, таким образом, два обстоятельства: I) селективное по скоростям взаимодействие частиц с излучением из-за эффекта Доплера и 2) различие скоростей поступательной релаксации частицы в разных квантовых состояниях.

Отметим принципиальное отличие явления СВД от других известных эффектов воздействия излучения на поступательное дви

Рис. 2. Иллюстрация к возникновению эффекта ОВД. Изогнутые стрелки отражают радиационные переходы между уровнями /П9 п, . (Из работы [3]). жение частщ газа (световое давление [4], лазерная термодиффузия [5] и т.д.). Механизм этих эффектов таков, что требуется либо передача импульса излучения среде, либо диссипация энергии излучения. Для возникновения же СИД не требуется ни то, ни другое [3,6]. Роль излучения заключается только в создании селективного по скоростям возбуждения, а остальное довершают столкновения поглощающих частиц с буферными. Таким образом, кинетическая энергия направленного движения заимствуется не из энергии излучения, а из самой газовой среды (из тепла) [3,6].

Наша работа, результаты которой изложены в данной диссертации, началась вскоре после открытия эффекта СЩ - в сентябре 1979 г. К этому времени были получены следующие результаты.

Был выполнен первый теоретический анализ эффекта СЩ в модели двух невырожденных состояний [3]. При расчетах в [3] предполагалось, что распределения по скоростям на каждом из двух уровней мало отличаются от максвелловского. В этом предположении удалось рассчитать эффект СИД путем сведения кинетических уравнений для матрицы плотности к замкнутым уравнениям гидродинамики.

Метод расчета, примененный в СЗ], имеет то достоинство, что не требует никаких модельных предположений о механизме столкновений. Этот метод позволяет рассчитывать эффект ОВД в полях произвольной интенсивности, если только взаимодействие частиц с излучением слабо селективно по скоростям (например, при однородном уширении). Однако в случае резко селективного по скоростям взаимодействия метод [3] применим только при слабых интенсивностях излучения, что не позволяет рассмотреть эффект ОВД в оптимальных условиях его проявления.

Полученные в [3] формулы для скорости ОВД можно представить в следующем (см.[9]) виде:

2)

-г- ^ Т?иг 1 гл > -ч

Т6~ ч) п .о > ^ = uJ~iAJm,yi.

Зцесь к) - волновой вектор и частота излучения; и)^^ -частота перехода между основным (кь) и возбужденным (иг) состояниями поглощающих атомов; & - наивероятнейшая скорость поглощающих атомов; Р - интегральная по скоростям вероятность поглощения излучения частицей в единицу времени; i)^ - транспортные частоты столкновений поглощающих атомов в состояниях Иг, и, с буферными частицами; Гт, - скорость спонтанного радиационного распада уровня m, ; f (£2) -нечетная функция от расстройки частоты Q .

В случае однородного уширения ( Г > К г? , Г - однородная полуширина линии поглощения) величины Р , f(Q) даются формулами

Р- Гж. *гг у mz г d^s

-^sftt) ' где с^иги, - матричный элемент дипольного момента, 8 - амплитуда электрического поля излучения. Оптимальные условия для проявления эффекта СРЩ реализуются при Э6> ~ 1, vW^fm, и ПРИ минимально возможной f , допускаемой приблшкешем Г>К& . Если взять im. » т0

H^SIO"2^ (4) что составляет заметную долю тепловой скорости.

В случае неоднородного уширения (к^>Г) эффект СВД рассчитан в [3] при условии ограничивающем интенсивность излучения. В этом случае ггт.ху й/puiiMi!. г~ 2 1+TZY r ' ReLu^z)] '

6)

Y-Jff-Recvw],

2 . ^ z ия(?) = ег [i+^jedt]. о

Здесь - интеграл вероятности от комплексного аргумента. Формулы (6) справедливы при любом соотношении Г и Ki^, Если , то из (6) получаются фор/гулы (3) для р , в приближении (5). Если же Г^К^ , то из (6) имеем

Хорошо видно, что в случае эффект СВД максимален при

В ячейке с закрытыми концами поглощающие частицы будут собираться у одного из концов (в зависимости от направления и. ) в слое с характерным размером где Лс% - Длина свободного пробега поглощающих частиц [з]. При IQhr^KV , ав-1 , 2vVv cI,iJ~io5 см/с в [3] получена оценка см.

При переходе от оптически тонких к оптически плотным средам в проявлении эффекта СЩ возникают интересные особенности [3]. Одна из них состоит в том, что излучение может действовать на поглощающий газ подобно поршню, сжимая его в направлении светового потока (световой "поршень"). Специфика светового "поршня" состоит в том, что он действует только на поглощающую компоненту газовой смеси. Для остальных компонент смеси световой "поршень" прозрачен. Концентрация, до которой световой "поршень" сжимает поглощающий газ, может достигать ти о значений ~ Ю см .

Другая особенность проявления эффекта СЩ в оптически плотных средах состоит в следущем. Пусть в атмосфере буферного газа находится сосуд, содержащий смесь поглощающего и буферного газов. Сосуд имеет горлышко, через которое вытекает поглощающий газ. Если горлышко освещать извне, то в нем может возникнуть эффективная "пробка", запирающая поглощающий газ в сосуде. Для возникновения световой "пробки" длина горлышка должна быть не меньше длины i , даваемой формулой (8). Предельная плотность поглощающих частиц, удерживаемая ти о световой "пробкой", может достигать значений ~ 10х см .

К сентябрю 1979 г. был выполнен всего лишь один эксперимент, в котором зарегистрирован эффект СЩ атомов натрия в атмосфере гелия и неона [7J. Источником излучения служил лазер на красителе. Частота излучения перестраивалась в окрестности*/) - линий натрия. Б эксперименте наблюдалось движение паров натрия либо по направлению светового потока, либо против него в зависимости от знака расстройки частоты излучения Q , Эксперимент имел качественный характер. Количественные измерения не проводились из-за сильной адсорбции натрия на поверхности ячейки.

Первые расчеты и оценки £l,3] показали, что явление СЩ может найти широкие применения в научных исследованиях и использоваться для решения ваших практических задач. В связи с применениями СВД в научных исследованиях особо подчеркивалась возможность исследования транспортных частот столкновений атомов и молекул, находящихся в короткоживущих возбужденных состояниях [3]. Так как эффект СВД зависит от разности транспортных частот и проявляется сильно, то можно экспериментально регистрировать даже небольшие отличия транспортных частот атомов и молекул в разных квантовых состояниях. Следует отметить, что до открытия СВД отсутствовали надежные методы таких измерений (экспериментальные данные были получены только для метастабильных состояний (см., например, [ТО])).

Практические применения явления СВД связаны прежде всего с задачами по разделению компонентов газовых смесей: разделение изотопов, изомеров, получение чистых веществ и т.д. Проведенные в [3] оценки показали, что при разделении изотопов по схеме, основанной на эффекте световой "пробки", возможно практически стопроцентное разделение при затрате ** 10/| фотонов на один атом выделенного изотопа ( f - доля этого изотопа в исходной смеси).

Как следует из вышесказанного, к началу нашей работы не только экспериментальные, но и теоретические исследования СИД находились на начальном этапе. Перше теоретические результаты [1,3] были получены на основе простейшей двухуровневой модели поглощающих -частиц. На основе этой идеализированной модели можно оценить ожидаемую величину эффекта и выявить многие важные закономерности, присущие СИД. Однако для количественного описания экспериментов требуются более совершенные модели, поскольку реальные объекты - атомы и молекулы - многоуровневые. Заметное влияние на ОВД могут оказывать не только дополнительные "рабочие" уровни, но и незатронутые излучением уровни, на которые возможны радиационные или столкновительные переходы с "рабочих" уровней. В атомах это компоненты тонкой и сверхтонкой структур, магнитные подуровни. В молекулах,кроме того, колебательные и вращательные уровни. Таким образом, в теоретическом плане необходимо было исследовать влияние на ОВД перечисленных выше факторов, существенных для реальных объектов. Представлялись перспективными исследования эффекта СЩ при ступенчатом и двухфотонном возбуждениях, при воздействии широкополосного излучения и т.д.

Большой научный и практический интерес представляло выявление новых эффектов, основанных на СИД или родственных СИД по своей физической основе, как в газовых, так и в негазовых средах. Ввиду большой величины самого эффекта СИД в газах можно надеяться и на значительное макроскопическое проявление новых эффектов.

Таков был круг теоретических задач по исследованию СИД, сложившихся к началу данной работы.

Целью данной работы является теоретическое исследование

СИД сложных (многоуровневых) атомов и новых явлений, родст-. венных по своей физической основе эффекту СВД газов.

Кратко сформулируем содержание диссертации.

В первой главе диссертации рассмотрен эффект СВД при ступенчатом возбуждении уровней атомов как комбинированным, так и чисто лазерным способами. В первом случае предполагается, что предварительное возбуждение осуществляется нелазерными методами (например, электронным ударом в газовом разряде), а излучение вызывает селективные по скоростям переходы между возбужденными состояниями. Во втором случае одно из излучений имеет широкий спектр и вызывает неселективные по скоростям переходы на какой-либо ступени возбуждения. На другой ступени происходят селективные переходы под действием монохроматического излучения.

Интерес к СВД при комбинированном способе возбуждения обусловлен, в частности, тем, что энергия кванта излучения существующих лазеров часто оказывается недостаточной для возбуждения из основного состояния, в то время как частоты переходов мезду возбужденными состояниями для большого числа объектов находятся в области частот генерации непрерывных лазеров на красителях.

При лазерном ступенчатом возбуждении широкополосное излучение переносит между уровнями неравновесность в расцределе-нии по скоростям, хотя само ее не создает. Вследствие этого широкополосное излучение может влиять не только на величину эффекта СВД, но даже и на его знак.

Во второй главе проанализировано влияние сверхтонкой структуры уровней на эффект СВД. Анализ проведен, в частности,"-для схемы уровней, достаточно хорошо отражавшей реальную структуру основного и первого возбужденного состояний некоторых объектов, например, паров щелочных металлов (напомним, что явление СИД было впервые зарегистрировано в парах щелочного металла - натрия [7]).

В третьей главе рассмотрены новые эффекты, родственные по своей физической основе эффекту СИД газов. Расчеты проведены на основе двухуровневой модели.

Рассмотрен эффект возникновения электрического тока и э.д.с. при селективном по скоростям воздействии излучения на газ нейтральных частиц. Эффект обусловлен рождением направленного потока ионов и электронов в процессе столкновений возбужденных поглощающих частиц с буферными и различием скоростей торможения ионов и электронов. Расчеты проведены для двух типов реакций столкновительной ионизации. Получена связь между величиной э.д.с. и скоростью СЩ поглощающих частиц.

Далее рассмотрен эффект селективного по сорту частиц "охлаждения" или "нагрева" компонентов газовой смеси под действием излучения и столкновений. Общими для эффектов "охлаждения" ("нагрева") и СЩ является то, что оба они обусловлены селективным по скоростям возбуждением и столкновениями поглощающих атомов с частицами буферного газа, а степень их проявления зависит от соотношения частот столкновений для возбужденного и основного состояний.

Завершает главу теоретическое описание эффекта светоинду-цированного дрейфа экситонов. При оптических переходах между экситонными уровнями эффект Доплера проявляется точно так же, как и в газах. Роль буферного газа для экситонов играют фононы, примеси и дефекты решетки. С точки зрения СИД аналогия с газовыми системами становится практически полной.

В Заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Как уже отмечалось, метод расчета, разработанный в [1,3], не позволяет рассмотреть случай резко селективного по скоростям взаимодействия частиц с излучением произвольной интенсивности. Чтобы охватить и этот случай, оптимальный для проявления СЩ и родственных ему эффектов, в наших расчетах (за исключением расчета СИД экситонов) использовалась модель сильных столкновений [il]. Для расчета же СИД экситонов использовался метод, разработанный в [1,3]. Поскольку взаимодействие экситонов с излучением слабо селективно по скоростям, то никаких ограничений на интенсивность излучения не накладывалось.

В диссертации выносятся на защиту следующие основные положения.

1. СЩ может приводить к легко наблюдаемым макроскопическим изменениям в газовой системе даже при ничтожной (" 10 ) доле частиц, взаимодействующих с излучением.

2. В случае эффекта СИД при ступенчатом возбувдении атомов изменение давления буферного газа может приводить к изменению направления дрейфа. При чисто лазерном ступенчатом возбуждении знак эффекта может зависеть, кроме того, и от интенсивности широкополосного излучения, вызывающего неселективные по скоростям переходы на одной из ступеней возбуждения.

3. Сверхтонкая структура уровней оказывает существенное влияние на зависимость величины эффекта СИД от частоты излучения.

4. Излучение, селективно по скоростям воздействующее на газовую смесь нейтральных частиц, способно породить электрический ток. Эффект обусловлен рождением направленного потока ионов и электронов в процессе столкновений возбужденных поглощающих частиц с буферными и различием скоростей торможения ионов и электронов.

5. Частицы газа, селективно по скоростям взаимодействующие с излучением и испытывающие столкновения с частицами буферного газа, способны "охлаждаться" или "нагреваться".

6. Излучение, резонансное переходу между экситонными уровнями в твердом теле, может вызвать дрейф экситонов. Механизм явления такой же, как и механизм СИД газов.

Результаты диссертации докладывались на УП Вавиловской конференции (Новосибирск, 1981) и в основном отражены в публикациях [12-15].

К настоящему времени имеется уже большое количество публикаций, посвященных явлению СИД. Можно считать, что теория явления в значительной степени разработана. Кроме того, есть целый ряд экспериментов, подтверждающих существование эффекта СИД для разных объектов. Дадим краткий обзор результатов, полученных к настоящему времени другими авторами. Теоретические работы можно разделить на три группы:

1) Работы, в которых исследовались основные закономерности явления СИД на основе модели двух невырожденных состояний [16-19,64].

2) Работы по исследованию влияния различных факторов,существенннх для реальных систем и требующих усовершенствования двухуровневой модели поглощавдих частиц (в эту группу мы включили и работы по двухфотонному СВД) [8,20-24].

3) Работы, в которых описывались новые явления, родственные по своей физической природе эффекту СИД газов или основанные на эффекте СИД [25-32, 64-66].

Во многих работах расчеты проводились на основе модели сильных столкновений [II], что позволило рассмотреть эффект СИД в оптимальных условиях его проявления. С этих позиций анализ эффекта СВД двухуровневых частиц в модели сильных столкновений проведен в [64]. Выражение для скорости дрейфа, полученное в [64], можно представить в виде (2) (см. [9]). При этом имеют смысл частот сильных упругих столкновений, а вероятность поглощения Р дается выражением

Р- y % ъа+уфы ' г (9) fajw"

Величины if(Q) » даются соответствующими формулами в (6), в которые нужно подставить ? из (9). Смысл остальных величин в (9) прежний.

Обратим особое внимание на тот факт, что при условиях Г>Kit или(ср. с (5)) из (9) следуют соответственно формулы (3) или (6), полученные в [3] без каких-либо цредположений о механизме столкновений. Таким образом, при условиях, использованных в Сз], модель сильных столкновений также дает правильные результаты.

Анализ, проведенный в [64], показал, что в поле монохроматического излучения интенсивностью несколько Вт/см^ скорость СВД может достигать следующих значений:

В поле немонохроматического излучения эффект СВД проявляется сильнее[16,17] . При одинаковой интенсивности скорость СВД в поле немонохроматического излучения может быть значительно больше, чем в поле монохроматического излучения. В [16,17] показана принципиальная возможность достижения скорости дрейфа, превышающей ? (при условии 9m. ^ ГО2 9м, ). Для реальных объектов такая скорость дрейфа вряд ли достижима: проблематично выполнение условия SW^IO^кроме того, в этой области скоростей могут возникать неустойчивости. Полученный результат ценен тем, что показывает, насколько велики потенциальные возможности эффекта СИД.

Как видно из (2), эффект СВД тем больше, чем больше различие частот 9м, и 9т/. При упругих столкновениях можно надеяться на различие частот ^иг, 9 м, в несколько раз. Однако если между буферными и поглощавдими частицами возможен квазирезонансный обмен возбуждением (например, в смеси изотопов), то эффективная частота SW увеличивается и возможно значительное (на порядок) различие частот SW,5ц, [18].

Использование импульсных источников света позволяет существенно расширить возможности экспериментального исследования ОВД. При переходе от стационарного режима возбуждения к импульсно-периодическому скорость дрейфа может уменьшаться незначительно [19]. Интересной особенностью явления СВД в случае импульсно-периодического возбуждения является возможность изменения направления дрейфа при изменении интенсивности излучения или длительности импульсов.

В тех случаях, когда транспортная частота столкновений частицы изменяется слабо при переходе из основного состояния в первое возбужденное, молено надеяться на большее изменение частоты при переходе в высоковозбужденные состояния. Энергии одного кванта излучения существующих лазеров часто оказывается недостаточно для возбуждения в высоколежащие состояния. В этой ситуации целесообразно двухфотонное возбуждение. Анализ явления СВД в условиях двухфотонного возбуддения проведен в работе Q20]. В ней рассмотрены случаи воздействия на среду непрерывного и импульсно-периодического излучения. В режиме им-пульсно-периодического возбуждения средняя интенсивность излучения, требуемая для максимального проявления эффекта СВД, ниже, чем в случае непрерывного возбуждения. При встречных волнах эффект СВД может проявляться сильнее, чем при однонаправленных. Явление СВД в случае двухфотонного поглощения рассматривалось также в работе [21].

Эффект СВД при колебательно-вращательном возбуждении молекул впервые был рассмотрен в работах[22,23], затем, более детально, в [8]. Анализ показал, что эффект СИД проявляется тем сильнее, чем больше скорость колебательной релаксации. Максимально достижимая скорость дрейфа в i/WgCJn/) раз меньше таковой для двухуровневых частиц. Здесь ( J^) - больцма-новский фактор, характеризующий вероятность нахождения молекулы на затронутом светом вращательном уровне J^ нижнего колебательного состояния.

В эксперименте эффект ОВД удобно регистрировать по перепаду концентрации поглощающих частиц дД/ на концах закрытой ячейки. Для перепада концентрации молекул в [8] была получена формула дД/ = (П) где л $ - изменение интенсивности излучения при прохождении ячейки; - транспортные частоты столкновений молекул в колебательных состояниях иг» w . Величина д & может быть непосредственно измерена, a ip(Q) легко находится из условий эксперимента. Таким образом, неизвестный фактор в формуле (II) - относительная разность транспортных частот, легко находится из экспериментальных данных. В дальнейшем соотношение вида (II) получено в [67] без каких-либо предположений о характере столкновений. Для "\)и,,9иг в [67] получена связь с микроскопическими характеристиками вещества.

В [8] проанализирован, кроме того, СИД эффективных трехуровневых систем. Третьим уровнем моделировалась совокупность уровней, на которые возможен столкновительный или радиационный переход (например, компоненты тонкой или сверхтонкой структур). Интересной особенностью для таких систем является то, что эффект СИД может возникать при отличии транспортных частот не только для комбинирующих уровней, но и для любой другой пары уровней. Это связано с переносом неравновесности в распределении по скоростям на уровень, не затронутый излучением.

СЩ частиц с вырожденными уровнями рассмотрен в работе [24]. Оказалось, что дрейф частиц возможен даже в том случае, когда основное и возбужденное состояния тождественны с точки зрения столкновений с буферными частицами. Для возникновения дрейфа достаточно лишь существования неравновесности в распределении по магнитным подуровням.

Физические процессы, обусловливаицие СЩ газов, могут приводить и к друстм эффектам. Если поглощающими частицами являются ионы в газоразрядной плазме, то СЩ ионов приведет к возникновению разности потенциалов на концах ячейки [64]. В оптимальных условиях эксперимента разность потенциалов может быть ^ 0,1 В, а величина электрического тока ~10 А.

В полупроводниках при оптических переходах между уровнями Ландау эффект Доплера проявляется так же, как и в газах. Подвижность электронов неодинакова на разных уровнях Ландау. Таким образом, выполняются все условия для возникновения СЩ электронов в полупроводниках [25,2б]. Разность потенциалов, возникающая в результате дрейфа, может достигать значений ~ Ю"3 В.

Роль буферного газа для поглощающих частиц может играть поверхность ячейки. Если частицы в основном ((г) и в возбужденном (иг) состояниях рассеиваются поверхностью по-разному (различны доли частиц <^yi3<^yyi> » рассеиваемых диффузно в состояниях п, yyl ), то при селективном по скоростям возбуждении возникнет дрейф поглощающих частиц [65, бб].5^ Скорость

На возможность этого эффекта впервые обратил внимание В. И. Донин. дрейфа пропорциональна lo^-^mj и при Ц^-оС^) ~ i может быть порядка тепловой скорости (для разреженного газа) [бб].

К интересному результату приводит рассмотрение эффекта отдачи поглощапцих частиц, находящихся в атмосфере буферного газа. Если SW^h, » то может возникать эффект "отрицательного" светового давления [27]. Эффект заключается в том, что частицы будут двигаться против направления света.

Много общего с эффектом СИД имеет явление втягивания (при ) или выталкивания (при ) частиц световым полем [28,29J. Так же, как и эффект СИД, это явление обусловлено столкновениями поглощающих частиц с буферными, а степень его проявления зависит от соотношения частот Для возникновения эффекта втягивания (выталкивания), так же как и для возникновения СИД, не требуется затрат ни энергии, ни импульса излучения.

На основе явления СИД возможна генерация звука в газе [зо]. Оценки, проведенные в [зб], показывают, что интенсивность звука может быть на много порядков больше интенсивности, соответствувдей порогу слышимости.

Дрейф (в частности, светоиндуцированный дрейф) полярных молекул в буферном газе приводит к их ориентации вдоль направления дрейфа [31] . В результате ориентации полярных молекул, имеющих дипальный момент, возникает постоянное электри-' ческое поле. Напряженность поля, возникающего при СИД, может достигать десятых долей В/см.

Явление СИД можно использовать для управления движением аэрозольных частиц, находящихся в смеси газов [32]. Дрейфовая сила, действующая на аэрозольную частицу, обусловлена тем, что потоки возбужденных и невозбужденных поглощающих атомов и буферных атомов имеют различную силу трения об аэрозольную частицу.

Перейдем теперь к обзору экспериментальных результатов исследования СВД [33-42], полученных после сентября 1979 г.

СВД молекул впервые был зарегистрирован в эксперименте

1z 13

33]. Компоненты смеси изотопных молекул £H3f+ CH3F разделялись при возбуждении молекул F излучением непрерывного С02~лазера. Впервые на основе эффекта СВД было найдено относительное изменение транспортной частоты при колебательном возбуждении молекул, которое для CH3F в буфер

12 ? ном газе СН^Р оказалось равным ~ ТО . Исследование СВД молекул CH3F было продолжено в более широком диапазоне экспериментальных условий (различные буферные газы, широкая область изменения давления и т.д.) [34,3б]. В экспериментах [33-35] получено хорошее согласие по целому ряду зависимостей, даваемых формулой (II). В частности, наблюдалась характерная для эффекта СВД зависимость от частоты излучения. Для

1Я 13 смеси достигнуто обогащение около 70$ по изотопным молекулам

В эксперименте [Зб] зарегистрирован эффект СВД при поглощении света на переходе между возбужденными состояниями неона, находившегося в условиях газового разряда в смеси с гелием. Обнаружена характерная для СВД антисимметричная зависимость от расстройки частоты. В условиях эксперимента доля атомов неона, находившихся в возбужденном состоянии, составляла Ю . Тем не менее при изменении знака расстройки без изменения ее абсолютной величины концентрация неона на одном' из концов ячейки заметно менялась (примерно на 3%). Этот эксперимент подтвердил теоретические выводы работы [14], изложенной в данной диссертации, о том, что эффект СИД может приводить к большим макроскопическим изменениям даже при ничтожной доле атомов, взаимодействующих с излучением.

Обнаружен и исследован СВД молекул в смеси изотопных молекул ^Л^з А/при воздействии непрерывного излу-,ения COg-лазера [37]. В эхом эксперте заревновано обогащение около 97$ по изотопной молекуле /VH3 • Относительное изменение транспортной частоты при возбуждении молекулы оказалось равным - 5«10~2 (при возбудцении транспортная частота уменьшается).

Экспериментальному исследованию СИД молекул $ f^ посвящены работы [38-41]. В работе [38] сообщалось о наблюдении разделения компонентов смеси £ ре с различными буферными газами под действием излучения СО^-лазера, работавшего в импульсном режиме. Эффект, однако, отсутствовал при облучении той же смеси газов излучением лазера, работавшего в непрерывном режиме. В [39] измерения проводились в поле излучения непрерывного ^-члазера. Изменение концентрации $ Fg на одном из концов ячейки авторы работ [38,39] связывали с СИД. В [40] сообщалось об отсутствии эффекта при облучении смеси+ Не непрерывным излучением. Наконец, в [4l] в широком диапазоне экспериментальных условий эффект СЩ для молекул в смеси с буферными частицами Не, не обнаружен с точностью 0,2 -г- 1% концентрация молекул3Z$ F6 не изменялась). Причины, по которым не удалось зарегистрировать эффект СЩ в экспериментах [40,4l], обсуждались в работе [4lJ. В ней сделан вывод о том, что результаты экспериментов [38,39] нельзя интерпретировать как проявление эффекта СВД.

Б эксперименте [42] надежно зарегистрирован СВД электронов в полупроводнике 1ц, электронного типа. Лазерное излучение с фиксированной длиной волны (Л = 119 мкм) поглощалось на переходе между уровнями Ландау. Изменение расстройки частоты излучения относительно частоты перехода осуществлялось магнитным полем. Дрейф электронов регистрировался по разности потенциалов на торцах образца. В эксперименте четко наблюдалась характерная для СВД антисимметричная зависимость сигнала от .Q .

Таким образом, в настоящее время имеются пять объектов (атомы Ml, fs/e. ; молекулы А/Н3 ; электроны в 1ц, £4 ), для которых эффект СВД надежно зарегистрирован [7,33-37,42].

Открытие эффекта СВД стимулировало появление работ [43,44]. В первой из них теоретически рассчитано изменение транспортной частоты при возбуждении в резонансное состояние атомов натрия и калия, находящихся в атмосфере гелия или неона. Транспортная частота изменяется при возбуждении на несколько десятков процентов. В работе [44] рассчитаны транспортные сечения молекулы СО в основном и в первом возбужденном колебательных состояниях (в обоих случаях вращательное квантовое число равно 9). Относительная разность транспортных сечений столкновения СО с Не около 1% (при температуре < 200°К).

Заключение диссертации по теме «Оптика», Пархоменко, Александр Иванович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перечислим основные результаты, полученные в диссертации.

1. Показано, что эффект СВД может существовать в поле излучения, резонансного переходу между возбужденными электронными состояниями атомов при нелазерном предварительном возбуждении (СВД при комбинированном возбуждении). Выяснено, что легко регистрируемые перепады концентрации атомов 1%) могут возникать даже при ничтожной их доле, взаимодействующей с излучением. Показано, что СВД возможен не только в режиме поглощения излучения, но и в режиме усиления. Предсказана возможность зависимости направления скорости СВД при комбинированном возбуждении от давления буферного газа.

2. Показано, что при ступенчатом лазерном возбуждении уровней в условиях селективных по скоростям переходов только на одной из ступеней возбуждения эффект СВД может обеспечиваться разностью транспортных частот столкновений для любой пары уровней, даже если какой-либо уровень не затронут монохроматическим излучением. В оптимальных условиях величина скорости дрейфа может быть порядка тепловой скорости. Предсказана возможность смены направления скорости СВД как при изменении давления буферного газа, так и при изменении интенсивности широкополосного излучения, вызывающего неселективные по скоростям переходы на одной из ступеней возбуждения.

3. Выяснено, что сверхтонкая структура (СТС) оказывает существенное влияние на зависимость величины эффекта СВД от частоты излучения. Показано, что с уменьшением расстояния между компонентами СТО и при прочих равных условиях максимальное проявление эффекта СВД может как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от соотношения параметров задачи (от соотношения между частотами столкновений и скоростями спонтанных переходов, от давления буферного газа и т.д.). Существенное уменьшение эффекта, однако, практически маловероятно. Показано, что направление скорости СВД при сверхтонком расщеплении уровней может зависеть от давления буферного газа.

4. Предсказано возникновение электрического тока и э.д.с. при селективном по скоростям воздействии излучения на газовую смесь нейтральных частиц. Эрфект обусловлен рождением направленного потока ионов и электронов в процессе столкновений возбужденных поглощающих частиц с буферными и различием скоростей торможения ионов и электронов. Найдена связь между скоростью СВД и величиной возникающей э.д.с., что в некоторых случаях позволяет изучать СВД путем непосредственной регистрации электрических сигналов. В оптимальных условиях величина э.д.с. может достигать значений ~ 10""2 В.

5. Предсказан эффект селективного "охлаждения" или "нагрева" компонентов газовой смеси. Эффект обусловлен селективным по скоростям воздействием излучения и столкновениями поглощающих частиц с буферными.

6. Предсказана возможность светоиндуцированного дрейфа экситонов. Механизм явления такой же, как и механизм СВД газов. Величина скорости дрейфа может достигать значения ^Ю2 * ТО3 см/с.

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность A.M. Шалагину и С.Г. Раутиану за руководство, постоянную поддержку и внимание к работе, ценные советы и систематическое обсуждение результатов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Пархоменко, Александр Иванович, 1984 год

1. Гелъмуханов Ф.Х., Шалагин A.M. Светоицдуцированная диффузия газов. - Письма в ЖЭТФ, 1979, т. 29, 1Ь 12, с.773-776.

2. Bennett W.R.Jr. Hole burning effects in a He-He maser. -Phys. Rev., 1962, v. 126, N 2, p. 580-593.

3. Гелъмуханов Ф.Х., Шалагин A.M. Теория явления светоиндуци-рованной диффузии газов. ЖЭТФ, 1980,т.78,В 5,с. 16741686.

4. Казанцев А.П. Резонансное световое давление. УФН, 1978, т. 124, Jfc I, с. II3-I45.

5. Карлов Н.В., Петров Ю.Н., Федоров И.В. Лазерное воздействие на термическую диффузию газов. В кн.: Лазерное разделение изотопов: Труды ФИАН, т. 114. - М.: Наука, 1979, с. 174-183.

6. Гелъмуханов Ф.Х., Шалагин A.M. Светоивдуцированная диффузия. Автометрия, 1980, J& 3, с. I03-II2.

7. Анцыгин В.Д., Атутов С.Н., Гелъмуханов Ф.Х., Телегин Г.Г., Шалагин A.M. Светоиндуцированная диффузия паров натрия. -Письма в ЖЭТФ, 1979, т.30, J& 5, с. 262-265.

8. Мироненко В.Р., Шалагин A.M. Светоиндуцированный дрейф многоуровневых систем. Известия АН СССР, сер. физ.,1981, т. 45, J& 6, с. 995-1006.

9. Шалагин A.M. Светоиндуцированный дрейф компонентов газовых смесей. В кн.: Нелинейная оптика, ч.2: Труды УП Вавилов-ской конференции, Новосибирск, 1982, с. 6-15.

10. Пенкин Н.П., Редько Т.П. Диффузия возбужденных атомов в собственном газе и примесях. В кн.: Спектроскопия газоразрядной плазмы, вып. I. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1976,с.51-80.

11. Раутиан С.Г., Смирнов Г.й., Шалагин A.M. Нелинейные резо-нансы в спектрах атомов и молекул. Новосибирск: Наука, 1979. - 312 с.

12. Гельмуханов Ф.Х., Пархоменко А.И., Прокопьев В.Е., Шалагин A.M. Столкновительно-радиационные охлаждение и нагрев газа. Квант, электрон., 1980, т.7,№ 10, с.2246-2248;- Новосибирск, 1980. г- 12 с. (Препринт/Институт автом. и электром. СО АН СССР: Ш 135).

13. Пархоменко А.И., Шалагин A.M. Светоиндуцированный дрейф при каскадном возбуждении уровней. Квант, электрон., 1982, т. 9, № 8, с. 1658-1668;- В кн.: Нелинейная оптика: ч. 2: Труды УП Вавиловской конференции. Новосибирск, 1982, с. 56-59.

14. Пархоменко А.И. Светоиндуцированный дрейф экситонов. -Физ. тв. тела, 1983, т. 25, Л 8, с.2374-2378.

15. Попов А.К., Шалагин A.M., Шалаев В.М., Яхнин В.З. Светоиндуцированный дрейф газов под действием немонохроматического излучения. ЖЭТФ, 1981, т. 80, Л 6, с. 21752186. .

16. Popov A»K«, Shalagin A.M., Shalaev V.M., Yakhnin V.Z, Drift of gases induced by nonmonocromatic light field,-Appl.Phys., 1981, v, 25, N 3, p. 347-350,

17. Гельмуханов Ф.Х., Телегин Г.Г. Светоиндуцированный дрейф частиц при квазирезонансной передаче энергии. ЖЭТФ, 1981, т. 80, J& 3, с. 974-981.

18. Попов А.К., Шалаев В.М., Яхнин В.З. Светоиндуцированный дрейф газов в условиях импульсно-периодического возбуждения. ЖЭТФ, 1982, т. 82, $ 3, с. 725-739.

19. Попов А.К., Шалаев В.М., Яхнин В.З. Светоиндуцированный дрейф газов при двухфотонном возбуждении. Красноярск, 1981. - 32 с. (Препринт/Институт физики им. Л.В.Корейского СО АН СССР: ЙФСО - 183 Ф).

20. Маныкин Э.А., Ожован М.И., Полуэктов П.П. Роль резонансной передачи возбуждения в случае одно-и двухфотонного светоицдуцированного дрейфа газа. В кн.: Нелинейная оптика, ч. 2: Труды УП Вавиловской конференции. Новосибирск, 1982, с. 84-85.

21. Дыхне A.M., Старостин А.Н. О дрейфе молекул под действием резонансного излучения. Докл. АН СССР, 1980,т. 251, № I, с. 74-78.

22. Дыхне A.M., Старостин А.Н. Теория дрейфового движения молекул в поле резонансного инфракрасного излучения. -ЖЭТФ, 1980, т.79, № 4, с. I2II-I227.

23. Гельмуханов Ф.Х. Дрейф вырожденных частиц. Новосибирск, 1981. - 8 с. (Препринт/Институт автом. и электром. СО АН СССР: №142).

24. Скок Э.М., Шалагин A.M. Светоиндуцированный дрейф электронов в полупроводниках.-Письма в ЖЭТФ, 1980,т.32, № 3,с. 201-204.

25. Дыхне A.M., Росляков В.А., Старостин А.Н. Резонансное возбуждение фототока в полупроводниках. Докл. АН СССР, 1980, т. 254, £ 3, с. 599-604.

26. Гельмуханов Ф.Х. "Отрицательное" световое давление. -Квант, электрон., 1981, т.8, № 9, с. I88I-I885.

27. Раутиан С.Г., Шалашн A.M. Вращательная релаксация и пространственная диффузия при поглощении из основного состояния. Новосибирск, 1970. - 24 с. (Препринт/Институт ядерн. физ. СО АН СССР: В 107-70).

28. Гельмуханов Ф.Х., Шалагин A.M. Диффузионное втягиваниеи выталкивание атомов световым полем. ЖЭТФ, 1979,т.77, Ш 2, с. 461-470.

29. Гельмуханов Ф.Х. Радиационно-столкновительная генерация звука. Акустический журнал, 1983,т.295,с.608-614.

30. Гельмуханов Ф.Х., Ильичев Л.В. Пространственная ориентация молекул дрейфом. Химическая физика, 1983, 3 5,с. 590-595.

31. Маныкин Э.А., Ожован М.И., Полуэктов П.П. Светоиццуциро-ванный дрейф аэрозольных частиц. В кн.: Нелинейная оптика, ч. 2: Труды УП Вавиловской конференции.Новосибирск, 1982, с. 81-83.

32. Панфилов В.Н., Струнин В.П., Чаповский П.Л., Шалагин A.M.

33. Письма в ЖЭТФ, 1981, т. 33, I I, 'с. 52-55. 34. Chapovsky Р.Ь.,Shalagin A.M., Panfilov V.N., Strunin V.P. Light-induced drift of CH^F molecules, Opt. Commun., 1981, v. 40, N 2, p. 129-134.13,

34. Светоиндуцированный дрейф и разделение кшпонентов смеси

35. Панфилов В.Н., Струнин В.П., Чаловекий П.Л. Исследование светоиндуцированного дрейфа молекул СН3 f t ЖЭТФ,1983, т.85, В 3, с. 881-892.

36. Atutov S.N., Chapovsky P.L., Shalagin A.M. Light-induced drift of neon under optical excitation from a metestable state. Opt.Commun., 1982, v.43, N 4, p. 265-269.

37. Фолин А.К., Чаловекий П.Л. Наблюдение эффекта светоиндуцированного дрейфа молекул аммиака. Письма в ЖЭТФ, 1983, т. 38, В 9, с. 452-454.

38. Баранов В.Ю., Велихов Е.П., Дыхне A.M., Казаков С.А., Межевов B.C., Орлов М.Ю., Письменный В.Д., Стародубцев

39. А.И., Старостин А.Н. Возбуждение дрейфового движения многоатомных молекул резонансным ИК излучением. Письма в ЖЭТФ, 1980, т.31, Л 8, с. 475-479.

40. Бржазовский Ю.В., Василенко Л.С., 1>убцова н.Н. Диффузия

41. J fJg под действием излучения С02-лазера. Письма в ЖЭТФ,1982, т.35, В 12, с. 527-529.

42. Панфилов В.Н., Струнин В.П., Чаповский П.Л. О светоинду-цированном дрейфе молекул ЖЭТФ, 1983, т.84, Л 3, с. 912-920.

43. Кравченко А.Ф., Палкин A.M., Созинов В.Н., Шегай О.А. Фотоэдс, индуцированная импульсом фотона при оптических переходах между уровнями Ландау. Письма в ЖЭТФ, 1983, т. 38, В 7, с. 328-329.

44. Редько Т.П. Коэффициенты диффузии нормальных и возбужденных в нижние резонансные состояния атомов натрия и калия в гелии и неоне. Опт. и спектр., 1982, т. 52, № 5,с. 769-771.

45. Булавин Н.А., Бухарин Е.В. Влияние колебательного возбуждения молекулы СО на транспортное сечение столкновения с атомом Не. Химическая физика, 1982, № II, с.1564-1565.

46. Бурштейн А.И. Лекции по курсу "Квантовая кинетика", ч.1.- Новосибирск: Изд-во ИГУ, 1968, 231 с.

47. Фадцеева В.Н., Терентьев Н.М. Таблицы значений интеграла вероятности от комплексного аргумента/Под ред. акад.В.А. Фока. М.: Гостехиздат, 1954. - 268 с.

48. Справочник по специальным функциям/Под ред. М.Абрамовича и И.Стиган. М.: Наука, 1979. - 832 с.

49. Радциг А.А., Смирнов Б.М. Справочник по атомной и молекулярной физике. М.: Атомиздат, 1980. - 240 с.

50. Ребане В.Н., Петрашень А.Г. Расчет вероятности индуцированных столкновениями переходов между уровнями сверхтонкой структуры атомов. Опт. и спектр., 1974, т.37,$ 5, с.826 - 832.

51. Галицкий В.М., Никитин Е.Е., Смирнов Б.М. Теория атомных столкновений.-М.: Наука, 1981. 256 с.

52. Смирнов Б.М. Возбужденные атомы. М.: Энергоиздат,1982.- 232 с.

53. Голант В.Е., Жилинский А.П., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат, 1977. - 384 с.

54. Митчнер М., Кругер Ч. Частично ионизованные газы. М.: Мир, 1976. - 496 с.

55. Мак-Даниэль И., Мэзон Э. Подвижность и диффузия ионов в газах. М.: Мир, 1976. - 424 с.

56. Биберман Л.М., Воробьев B.C., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982. -376 с.

57. Смирнов Б.М. Ионы и возбужденные атомы в плазме. М.: Атомиздат, 1974. - 456 с.

58. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Диссоциативная рекомбинация электрона и молекулярного иона. УФН, 1982, т. 136,Л I, с. 25-59.

59. Несмеянов А.Н. Давление пара химических элементов. -М.: Изд-во АН СССР, 1961. 396 с.

60. Балыкин В.И., Летохов B.C., Мишин В.И. Охлаждение атомов натрия резонансным лазерным излучением. ЖЭТФ, 1980,т. 78, J& 4, с. 1376-1385.

61. Letokhov V.S. Possibility of fast deep cooling of atomic or molecular gases by laser radiation. Appl. Phys., 1981, v. 24, N 2, p. 119-120.

62. Нокс P. Теория экситонов. M.: Мир, 1966. - 219 с.

63. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. М. : Наука, 1979. - 528 с.

64. Зиновьев Н.Н., Иванов Л.П., Ланг И.Г., Павлов С.Т., Проказников А.В., Ярошецкий И.Д. Релаксация импульса свободных экситонов в полупроводниках. Письма в ЖЭТФ, 1982,т. 36, J& I, с. 12-15.

65. Гельмуханов Ф.Х., Шалаши A.M. Светоиндуцированный ток в слабоионизованной плазме. Квант, электрон., 1981, т. 8, & 3, с. 590-594.

66. Ghiner A.V., Stockman M.I., Vaksman M.A, Surface light-induced drift of a rarefied gas, Phys. Lett., 1983, v. 96A, IT 2, p. 79-82.

67. Левданский Б.В. 0 светоиндуцированном дрейфе частиц в капиллярно-пористых телах. 1983, т. 53, № 4, с.810--811.

68. Шалагин A.M. Светоиндуцированный дрейф. Дис. . доктора физ.-мат. наук. - Новосибирск, 1982. - 151 с.