Ефекти ехо-камери та перспективи їх практичного використання (стр. 4 из 6)

Фотонна (світлова) ехо-камера або просто фотон-ехо-камера - нелінійний оптичний ефект, який також дозволяє здійснити звернення часу в системі атомних часток: атомів, молекул газу і рідини, домішок в кристалах, на екситонах напівпровідників і інших випадках. Це одне з найкрасивіших когерентних явищ, яке складає основу цілого напряму в сучасній оптиці і лазерній техніці - оптичній ехо-камера-спектроскопії [1]. Фотонна ехо-камера є проявом взаємодій ультракоротких світлових імпульсів з речовиною - газами, середовищами, що конденсують, плазмою - і в даний час широко застосовується для дослідження кінетичних процесів релаксації елементарних збуджень в твердих тілах. Воно також володіє своєрідною оптичною пам'яттю і може служити основою для зберігання, обробки і передачі великих масивів інформації. Фізичне єство цього явища полягає в наступному.

Хай в нашому розпорядженні є джерело ультракоротких лазерних імпульсів і відповідне резонансне середовище. Наприклад, це може бути лазер на фарбниках, що працює в імпульсному режимі, і кристал рубіна (кристал корунду Al2O3 з домішками іонів хрому Cr3 +). Частота лазерного випромінювання підбирається так, щоб бути резонансною (майже збігатися по величині) до деякого атомного переходу іона хрому. Саме цей матеріал використовувався в перших експериментах по виявленню і вивченню фотон-ехо-камери. Довжина хвилі оптичних імпульсів l = = 0,635 мкм, що відповідало фотонам енергії E = hn > 1,9 эВ. Ці фотони могли резонансно поглинатися тривалентним іоном хрому, що заміщає атом алюмінію в кристалічній решітці корунду, тобто вони переводили хром в збуджений стан, віддалений від основного рівня на енергію фотона. Тривалість лазерних імпульсів складала 15-20 нс. Час життя збудженого стану біля Т1 = 20 мкс, що перевершувало тривалість імпульсів в 1000 разів і дозволяло впливати багато разів на іон хрому в його збудженому стані. В даний час використовуються ще більш ультракороткі світлові імпульси аж до декількох фемтосекунд (10-15 с).

Якщо через кристал рожевого рубіна (він містить хром як домішку в кількості 0,005% по масі) пропустити два послідовні світлові імпульси з приведеними вище параметрами і інтервалом між імпульсами t < Т1, то в системі домішкових іонів хрому формується когерентний стан, який в результаті свого розпаду висвічує новий оптичний когерентний імпульс - сигнал двохімпульсної фотонної ехо-камери. Таким чином, це явище аналогічно явищу спин-ехо-камери. Відмінність полягає в діапазоні електромагнітного поля випромінювання: спінова-ехо-камера реалізується в радіодіапазоні, фотонна ехо-камера - в оптичному і інфрачервоному діапазонах довжин хвиль. У радіодіапазоні зазвичай довжина хвилі набагато перевершує розміри зразків резонансного середовища, тоді як при світлових довжинах хвиль ситуація зворотна: l! l, де l - товщина кристала рубіна. Це наводить до нових властивостей фотонної ехо-камери в порівнянні із спином - виникає певна спрямованість ехо-камера-сигналу.

3.2 Експеріментальне дослідження явища

Дослідження по спектроскопії домішкових неврегульованих твердотілих систем методом фотонної ехо-камери (ФЕ) були початі в лабораторії електронних спектрів в 1990 році. Ці дослідження сталі можливі в результаті розробки (Ю.Г. Вайнер, 1989-1990 рр.) методики низькотемпературних вимірів часів оптичного дефазування і швидкої спектральної дифузії в домішкових стеклах методом некогерентного ФЕ (НФЕ) і створення експериментальної установки. Вже перші виміри на створеній установці привели до виявлення (одночасно з групою американських дослідників (L.R. Narasimhan et al, Chem. Phys. Lett. v.176, N3,4 (1991)) спектральної дифузії [1-3]Наносекунди, важливому для розуміння природи елементарних низькочастотних збуджень в стеклах експериментальному факту. В даний час проводяться систематичні експериментальні і теоретичні дослідження по динаміці домішкових стекол з використанням двох різновидів техніки ФЕ: НФЕ з широкосмуговим лазерним джерелом і двохімпульсного пікосекундного ФЕ (2ФЭ).

Істотною перевагою методу НФЕ є можливість реалізації високого тимчасового дозволу, що робить можливим дослідження ультрамиттевих релаксаційних процесів в домішкових стеклах. Високий тимчасовий дозвіл установки (25 - 30 фс) дозволяє, зокрема, надійно розділяти ділянки кривих спаду ФЕ, відповідні бесфотонної лінії і фононному крилу (див. Мал. 3.2) і проводити таким чином виміри часу оптичного дефазування Т2 аж до температури 100 До і вище.

Мал. 3.2 Криві спаду двохімпульсної пікосекундної фотонної ехо-камери (а) і некогерентної фотонної ехо-камери (b-d) для системи цинк-октаетілпорфін в толуолі. Пунктирна лінія на (а) відповідає апроксимуючій експоненціальній залежності, використовуваній для визначення часу оптичного дефазування, Т2. Вставка на (d) демонструє розділення ділянок кривої спаду, відповідних бесфононной лінії (ZPL) і фононному крилу (PW).

Співпраця з дослідниками Байройтського університету (D. Haarer, S. Zilker), експериментальна установка 2ФЭ яких оснащена оптичним криостатом на Не-3, дало можливість вперше провести унікальні виміри процесів оптичного дефазування в домішкових стеклах в широкому діапазоні температур (від 0,35 До до 100 До) і отримати унікальну інформацію про релаксаційні процеси в стеклах в широкому температурному діапазоні [4-10] (див. Мал. 3.3). Ці виміри дозволили вперше визначити температури, при яких починає виявлятися вклад в оптичне дефазування, пов'язаний з взаємодією молекул домішки з квазілокалізованими низькочастотними коливальними модами аморфної матриці в системах, що вивчаються [3-11]. В ході цих вимірів був вперше виявлений ефект дисперсії часів оптичного дефазування Т2 в домішковій аморфній системі: тетра-терт-бутилтеррилен в поліізобутилені [7,12]. Аналіз залежності часів Т2 від температури в системах, що вивчаються, виявив відмінність низькотемпературної частини цієї залежності від передбачень теорії ФЕ в низькотемпературних стеклах.

Мал. 3.3 Температурні залежності зворотного часу оптичного дефазування, (яку можна розглядати як величину еквівалентну однорідній ширині лінії) для двох систем: – резоруфин в d-этаноле (a) і тетра-терт-бутилтеррилен в поліізобутилені (b), - виміряні методами двохімпульсної фотонної ехо-камери - (квадрати) і некогерентної фотонної ехо-камери - (кухлі). На (а) трикутниками показані результати незалежних вимірів виконаних в [M. Berg et al., J. Chem. Phys., 88, 1564 (1988)]. На (b) штриховими лініями показані вклади завширшки лінії від взаємодії домішки з дворівневими системами і квазілокальними низькочастотними модами матриці, переважаючі, відповідно, при низьких і високих температурах.

Чисельний аналіз отриманих даних і пояснення виявленої незгоди з передбаченнями існуючих теорій зажадав вдосконалення існуючих теоретичних моделей. Була розроблена і апробована модифікована модель ФЕ в низькотемпературних стеклах (А.В. Наумов, Ю.Г. Вайнер) [13,14]. Нова модель дозволяє враховувати всілякі мікроскопічні особливості взаємодії домішкових молекул з ДУС (наприклад, наявність мінімальної відстані між хромофорами і ДУС, дисперсію значень константи взаємодії примесь-ДУС, зміна властивостей матриці поблизу іонних хромофорних молекул і тому подібне). Для перевірки застосовності моделі м'яких потенціалів до опису процесів оптичного дефазування в аморфних середовищах розроблена методика розрахунків ширини ліній в таких середовищах в рамках моделі м'яких потенціалів (Ю.Г. Вайнер, М.А. Кольченко) [15,16]. Показано, що модель м'яких потенціалів якісно правильно описує температурну поведінку однорідної ширини бесфононной лінії у відносно широкому температурному діапазоні і може бути з успіхом використана в спектральних дослідженнях.

3.3 Місце фотонної луни серед інших явищ нелінійної оптики

Науковий напрям “Спектроскопія атомів і молекул” є одним з фундаментальних напрямів сучасної фізики. Даний напрям поширюється на такі явища нелінійної оптики: атомна і молекулярна спектроскопія; математична обробка і інтерпретація спектроскопічного експерименту; квантова динаміка і спектроскопія багатозарядних іонів; когерентна і нелінійна оптика.

Запропоновані нові підходи і розроблений комплекс прикладних програм для вирішення зворотних і прямих завдань обробки і інтерпретації експериментальних даних з особливостями (фрактальний шум, перемежана, статечні для дробу тренди, пропуски в даних і ін.). Розвиваються ідеї по вживанню вейвлет-перетворення для усунення обчислювальної нестійкості некоректних завдань. Запропоновано використовувати базис адаптивних вейвлетов в разі миттевопротікаючих процесів в нелінійних динамічних системах, редукції складних сигналів і томографії. На основі безперервного вейвлет-перетворення і методу похідної спектрометрії розроблений алгоритм підвищення дозволу спектральних ліній, частково і повністю перекритих. Використовуючи концепцію дробової похідної, створений метод визначення аналітичної форми спектральних ліній і їх параметрів на основі розподілів Гауса, Лоренца і Цалліса.

Спектроскопія багатозарядних іонів, яка почала в 80-і роки інтенсивно розвиватися в провідних наукових центрах світу у зв'язку з прогресом в області технології здобуття пучків важких іонів, є одним з напрямів сучасній атомній спектроскопії. Для дослідження спектрів багатозарядних іонів, які із-за сильного обурення власним полем випромінювання не можуть бути описані в рамках теорії обурень стандартними методами квантової електродинаміки, був потрібний розвиток нових методів в квантовій теорії. На кафедрі були закладені основи нового методу в квантовій теорії, який може відкрити нові можливості для опису квантово-електродинамічних ефектів в спектрах випромінювання багатозарядних іонів. В рамках методу була побудована теорія нестабільних зв'язаних станів атомних систем, процесів випромінювання і автоіонізаційного розпаду без звернення до теорії обурень і квазістаціонарного наближення, а також побудована теорія природного розширення спектральних ліній атомів, застосовна і у разі, коли взаємодія атома з власним полем випромінювання не є малим обуренням. Показано, що в разі перекривання рівнів станів з однаковими повним моментом, його проекцією і парністю, яке може мати місце для важких багатозарядних іонів, взаємодія атома з власним полем випромінювання стає ефективно сильною і може наводити до істотної відмінності форми контура спектральної лінії від лоренцевскої. Проведені розрахунки контурів спектральних ліній He- і Li- подібних іонів урану показали, що в таких спектрах можуть спостерігатися непертурбативні ефекти, наприклад, розщеплювання спектральних ліній, обумовлене взаємодією атома з власним полем випромінювання.