Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Взаимодействие лазерного излучения с атомами

Голосов: 0

Создание мощных источников когерентного монохроматического излучения - лазеров послужило толчком к изучению физических явлений, возникающих при взаимодействии мощного светового пучка с атомами. Иллюстрацией могут служить такие явления, как многофотонное возбуждение и ионизация, а также туннельный эффект.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                            INTERACTION OF LASER          ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО
                        RADIATION WITH ATOMS
                        B. A. ZON
                                                      ИЗЛУЧЕНИЯ С АТОМАМИ
                                                      Е. Д. бйз
                        The development of pow-
                                                      ЗУ УМВКТНЛИ „УТЫ‰‡ ТЪ‚ВММ˚И ЫМЛ‚В ТЛЪВЪ
                        erful sources of coherent
                        monochromatic radiation
                        such as lasers has stimu-                Создание оптических квантовых генераторов
                        lated investigations of              (лазеров) заслуженно считается одним из крупней-
                                                             ших достижений физики второй половины XX века.
                        new physical phenomena               Это открытие привело к возникновению нового
                        accompanying the inter-              раздела технической физики – квантовой электро-
                        action of powerful light             ники. Поскольку лазерное излучение обладает уни-
                                                             кальными свойствами, отличающими его от тради-
                        beam with atoms. Some                ционных, классических источников света, возникла
                        of these phenomena –                 потребность в выяснении особенностей его взаимо-
                        multiphoton      excitation          действия с материальными объектами.
                        and ionization, tunneling                Известно, что простейшими такими объектами
                                                             являются атомы, из которых построены все вещест-
                        effect – are considered.             ва. Поэтому понимание взаимодействия лазерного
                                                             излучения с атомами, изложению которого посвя-
                                                             щена статья, лежит в основе технических, биологи-
                        лУБ‰‡МЛВ ПУ˘М˚ı ЛТ-
                                                             ческих, медицинских и других применений лазеров.
                        ЪУ˜МЛНУ‚ НУ„В ВМЪМУ„У
                        ПУМУı УП‡ЪЛ˜ВТНУ„У ЛБ-               йлйЕЦззйлна гДбЦкзйЙй абгмуЦзаь
                        ОЫ˜ВМЛfl – О‡БВ У‚ ФУ-
                        ТОЫКЛОУ ЪУО˜НУП Н ЛБЫ-               у‡ТЪУЪ‡ Л ПУМУı УП‡ЪЛ˜МУТЪ¸

                        ˜ВМЛ˛ ЩЛБЛ˜ВТНЛı fl‚ОВ-                  Первый квантовый генератор был создан на пуч-
                                                             ке молекул аммиака и давал излучение в диапазоне
                        МЛИ, ‚УБМЛН‡˛˘Лı Ф Л                 миллиметровых длин волн. Это излучение относит-
                        ‚Б‡ЛПУ‰ВИТЪ‚ЛЛ ПУ˘МУ-                ся к радиодиапазону, и соответствующие устройства
                        „У Т‚ВЪУ‚У„У ФЫ˜Н‡ Т                 были названы мазерами. Лазеры, излучающие в оп-
                                                             тическом и близком к нему инфракрасном и ультра-
                        ‡ЪУП‡ПЛ. аОО˛ТЪ ‡ˆЛВИ                фиолетовом диапазонах, были созданы позже. Су-
                        ПУ„ЫЪ ТОЫКЛЪ¸ Ъ‡НЛВ fl‚-              ществуют разные виды лазеров, которые по частоте
                        ОВМЛfl, Н‡Н ПМУ„УЩУЪУМ-               перекрывают весь оптический, а также ближние
                                                             инфракрасный и ультрафиолетовый диапазоны.
                        МУВ ‚УБ·ЫК‰ВМЛВ Л ЛУ-                Имеются первые результаты по генерации излуче-
                        МЛБ‡ˆЛfl, ‡ Ъ‡НКВ ЪЫМ-                ния в мягкой рентгеновской области спектра (рент-
                        МВО¸М˚И ˝ЩЩВНЪ.                      геновские лазеры).
                                                                Для традиционных источников света, как есте-
                                                             ственных, например излучения Солнца или горя-
                                                             щего костра, так и искусственных – электрических
                                                             ламп накаливания или люминесцентных ламп, –
                                                             характерен широкий спектр излучения. Свечение
                                                             естественных источников и ламп накаливания оп-
                                                             ределяется только температурой источника: чем
                                                             температура выше, тем больше излучается энергии
                                                             в коротковолновой области спектра и тем больше
     © бУМ Е.Д., 1998




                                                             ширина этого спектра. Эти зависимости содержатся
                                                             в знаменитой формуле Планка, описывающей из-
                                                             лучение абсолютно черного тела, в которой впервые
                                                             возникла постоянная, названная впоследствии по-
                                                             стоянной Планка и определяющая масштаб кванто-
                                                             вых свойств природы.


84                                                              лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹1, 1998


   В отличие от таких источников лазерное излуче-      монохроматичность. Согласно квантовомеханичес-
ние характеризуется очень узким спектром. Поэтому      кому соотношению неопределенности, при дли-
монохроматичность лазерного излучения, которая         тельности лазерного импульса τ энергетическая
обусловлена целенаправленным использованием            ширина спектра излучения не может быть меньше
квантовых свойств света, является одним из его         h /(2πτ), где h – постоянная Планка. Поэтому, на-
важнейших качеств. У современных твердотельных         пример, при длительности импульса в 10 фс шири-
лазеров, работающих в импульсном режиме генера-        на спектра не может быть меньше 0,06 эВ.
ции, ширина спектра излучения составляет при-
мерно 10 ГГц (это соответствует энергетической
ширине спектра около 40 мкэВ), а специальные ус-       дУ„В ВМЪМУТЪ¸
тановки, используемые для получения стандартов
длин волн оптического диапазона, обладают шири-           Наконец, еще одним важным свойством лазер-
ной спектра всего 10 Гц.                               ного излучения является его когерентность. Это оз-
                                                       начает, что все фотоны лазерного излучения нахо-
еУ˘МУТЪ¸                                               дятся в одной и той же фазе в отличие, скажем, от
                                                       фотонов, излучаемых тепловыми источниками. Там
   Наряду с монохроматичностью лазерные источ-         каждый атом или молекула излучают кванты света
ники света обладают очень большой мощностью.           независимо друг от друга. В результате в общем све-
Достигается это тем, что энергия, накопленная в        товом потоке фазы фотонов распределены хаотиче-
активной среде лазера в течение сравнительно дли-      ски. В лазерном же источнике атомы или молекулы
тельного времени, затем быстро высвечивается. В        излучают кванты одновременно, поэтому их фазы
результате мощность лазерного импульса возраста-       совпадают. В этом смысле лазерное излучение похо-
ет на много порядков величины по сравнению с           же на излучение обычных радиоантенн. Как извест-
мощностью источников, используемых для накачки
                                                       но, радиоизлучение создается классическими (не
лазера. Кроме того, лазерное излучение вследствие
                                                       квантовыми) переменными токами или магнитны-
его когерентности, о которой речь пойдет дальше,
                                                       ми полями, поэтому радиоволна, содержащая ог-
можно хорошо сфокусировать, так что поперечные
                                                       ромное количество квантов, характеризуется тем не
размеры области фокусировки становятся сравни-
мы с длиной световой волны. При этом возрастает        менее определенной фазой. В то же время радиоиз-
плотность световой энергии, а с ней и поток мощ-       лучение Солнца определенной фазой не обладает.
ности. Можно считать освоенным диапазон пото-          По этой причине раздел физики, изучающий и ис-
ков мощностей до 1019 Вт/см2, поскольку соответст-     пользующий когерентность лазерного излучения,
вующие установки имеются во многих научных             получил название квантовой радиофизики.
лабораториях. На стадии разработок или получения          Одним из следствий когерентности является ма-
первых эксплуатационных результатов находятся          лая угловая расходимость лазерного излучения (у
лазерные установки с мощностью в 102–104 раз
                                                       газовых лазеров, работающих в непрерывном режи-
больше. Для того чтобы представить себе подобные
                                                       ме, менее 1 мрад). Другими словами, лазерный луч
величины, их часто сравнивают с мощностями
                                                       имеет практически строго цилиндрическую форму,
крупных электростанций. Так, если всю мощность
Красноярской ГЭС 6000 MВт пропустить через             что существенно упрощает его использование как в
проводник с радиусом около 0,1 мкм, то как раз по-     технике, так и в физических экспериментах.
лучается поток мощности в 1019 Вт/см2.                    Перейдем к описанию некоторых эффектов,
                                                       возникающих при взаимодействии лазерного излу-
СОЛЪВО¸МУТЪ¸ О‡БВ М˚ı ЛПФЫО¸ТУ‚                        чения с атомами.
   Так как большая мощность лазерных импульсов
достигается в течение короткого времени, длитель-
                                                       езйЙйойнйззДь айзабДсаь
ность каждого лазерного импульса также является
очень важным параметром. Чем короче импульс,
тем большее разрешение по времени можно полу-          аТЪУ Лfl УЪН ˚ЪЛfl
чить при исследовании того или иного быстро про-
текающего физического, химического или биоло-             Ионизацию вещества под действием света назы-
гического процесса. Получены лазерные импульсы         вают фотоионизацией. Основные законы фотоио-
длительностью в несколько десятков фемтосекунд         низации были выяснены на рубеже XIX и XX столе-
(1 фс = 10−15 с). Это означает, что в течение одного   тий. Фундаментальный вклад в экспериментальное
импульса успевает произойти всего около десятка        изучение фотоэффекта (открытого Г. Герцем) внес
электромагнитных колебаний световой волны.             известный физик А.Г. Столетов. Теоретическая ин-
   Следует, однако, учесть, что при сокращении         терпретация законов фотоэффекта дана А. Эйн-
длительности лазерного импульса увеличивается          штейном и наряду с открытиями Планка послужила
ширина его спектра излучения, то есть ухудшается       основой для создания квантовой механики.


бйз Е.Д. ЗбДаейСЦвлнЗаЦ гДбЦкзйЙй абгмуЦзаь л ДнйеДеа                                                        85


        Основные законы фотоэффекта                           причем показатель степени q определяет минималь-
        1. Число электронов N, выбиваемых из вещества         ное число квантов, необходимых для ионизации.
     под действием света, пропорционально интенсив-           Нетрудно видеть, что формула (1) является частным
     ности светового потока I :                               случаем (2) для q = 1.
                              N ∼ I.                    (1)       Эксперименты показали, что степенные зависи-
                                                              мости (2) с одним и тем же значением q в сколько-
        2. Фотоэлектроны не образуются, если длина            нибудь заметном интервале изменения интенсив-
     волны излучения больше некоторого критического           ности практически не наблюдаются. Объяснение
     значения (красной границы фотоэффекта), которое          этого факта удалось получить приняв во внимание
     характерно для каждого конкретного вещества.             квантовомеханические законы поглощения атомом
        Наличие красной границы фотоэффекта озна-             фотонов. Согласно квантовой механике, электроны
     чает, что вещество характеризуется некоторой ми-         в атомах могут находиться лишь в состояниях с не-
     нимальной энергией (потенциалом ионизации),              которыми вполне определенными значениями энер-
     которую необходимо затратить, чтобы вырвать из           гии. Поэтому после поглощения первого фотона,
     вещества один электрон. Энергия каждого фотона           энергия которого недостаточна для ионизации,
     определяется его длиной волны λ с помощью фор-           атом не может ждать, когда к нему подлетит второй
     мулы E = hc / λ, где c – скорость света. Отсюда видно,   фотон, поскольку энергия состояния ожидания за-
     что если длина волны слишком велика, то энергии          прещена квантовой механикой. Тем не менее слу-
     фотона может не хватить для выбивания электрона.         чайно (а из-за сложности атомных спектров такие
        Из пропорциональности числа фотоэлектронов            случаи достаточно вероятны) может оказаться, что
     интенсивности светового потока следует, что фото-        после поглощения какого-либо фотона энергия
     ны “рождают” электроны независимо друг от друга.         атома приблизится к разрешенному энергетическо-
        Потенциалы ионизации разных веществ сильно            му состоянию.
     различаются. Например, для оксида серебра он                 А далее следует учесть, что энергетическое по-
     имеет величину около 1 эВ, а для платины – 5,32 эВ.      ложение этого состояния само зависит от интен-
     Потенциалы ионизации атомарных газов превыша-            сивности лазерного излучения, поскольку интен-
     ют, как правило, потенциалы ионизации твердых            сивность велика. Возникает явление, называемое
     тел. Максимальный потенциал ионизации у гелия            динамическим эффектом Штарка и состоящее в из-
     (24,6 эВ), а минимальный (среди нерадиоактивных          менении (физики говорят – возмущении) атомного
     атомов) у атома цезия (3,89 эВ). Поэтому, казалось       спектра лазерным полем. В результате положения
     бы, оптическое излучение не может приводить к ио-        атомных уровней начинают меняться с изменением
     низации атомов.                                          лазерной интенсивности и простая степенная зави-
        Однако такой вывод следует из классических за-        симость (2) заменяется более сложными.
     конов фотоэффекта. Если же оптическое излучение
     является достаточно сильным, то ионизация может          и flП‡fl Л   ВБУМ‡МТМ‡fl ЛУМЛБ‡ˆЛfl
     произойти вследствие одновременного поглоще-
                                                                 Выше уже говорилось, что в процессе поглоще-
     ния нескольких фотонов. Другими словами, боль-
                                                              ния фотонов один из них может подойти достаточ-
     шая мощность света отменяет закон о наличии
                                                              но близко к разрешенному атомному состоянию.
     красной границы фотоэффекта: ионизация может
                                                              После создания лазеров с перестраиваемой часто-
     произойти под действием излучения с большой
                                                              той излучения такие ситуации стали создавать спе-
     длиной волны, если мощность этого излучения до-
                                                              циально. В частности, удалось “организовать” мно-
     статочно велика. Данное явление получило назва-
                                                              гофотонное возбуждение высоколежащих атомных
     ние многофотонной ионизации. Теория его впер-
                                                              уровней.
     вые была развита Л.В. Келдышем в 1964 году, а
     первое экспериментальное наблюдение осуществ-               В зависимости нелинейного фототока от часто-
     лено в 1965 году Г.С. Вороновым и Н.Б. Делоне в          ты многофотонное возбуждение проявляется в виде
     атомах благородных газов.                                резонанса. Поэтому многофотонную ионизацию с
        Поскольку при многофотонной ионизации для             промежуточным возбуждением реальных атомных
     выбивания одного электрона требуется несколько           состояний называют резонансной, тогда как иони-
     квантов, фототок перестает линейно зависеть от           зацию с отсутствующими промежуточными резо-
     интенсивности света. Таким образом отменяется и          нансами называют прямой. Сказанное иллюстри-
     второй закон классического фотоэффекта.                  рует рис. 1, на котором схематически изображены
                                                              процессы прямой и резонансной многофотонной
     йТМУ‚М˚В Б‡НУМУПВ МУТЪЛ                                  ионизации.
                                                                 Многофотонное возбуждение оказалось очень
        В начале исследований многофотонной иониза-
                                                              полезным для атомной спектроскопии, поскольку
     ции считалось, что зависимость фототока от интен-
                                                              удалось наблюдать много новых атомных состоя-
     сивности должна быть степенной:
                                                              ний, которые для обычной, нелазерной спектро-
                           N ∼ I q,                     (2)   скопии были недоступными. Это обстоятельство


86                                                               лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹1, 1998


         а                                  б
                                                                                   8π mcU 3
                                                                         N ∼ exp – ----- ------------- .
                                                                                       -             -           (3)
                                                                                   3h 2πe 2 I
                      Граница
                     ионизации
                                                       В этой формуле m и e – масса и заряд электрона, а
                                                       U – потенциал ионизации атома.
                                                          Условие возникновения туннельного эффекта в
                       Энергии
                                                       переменном поле можно качественно понять следу-
                    возбужденных                       ющим образом (рис. 2). В силу когерентности лазер-
                      состояний                        ное излучение возможно представить как классиче-
                                                       скую электромагнитную волну, причем магнитной
                                                       составляющей волны можно пренебречь1. Тогда на
                                                       атомный электрон действует электрическое поле,
                                                       периодически изменяющееся во времени с часто-
                                                       той лазерного излучения. В случае, если электрон
                      Основное                         успеет протуннелировать из атомной потенциаль-
                      состояние
                                                       ной ямы глубиной U за один полупериод поля, он
                                                       окажется ионизованным в соответствии с законами
   Рис. 1. Схемы прямой (а) и резонансной (б ) 4-фо-   туннельного эффекта, описываемого формулой (3).
   тонной ионизации атома. Во втором случае при        В противном случае будет реализован, как гово-
   поглощении трех фотонов происходит трехфотон-       рят, многофотонный режим, который описывается
   ное возбуждение атома
                                                       формулой (2).
                                                          Предэкспоненциальный множитель в форму-
привлекло к явлению многофотонного возбужде-           ле (3) был рассчитан в работе А.М. Переломова,
ния и физиков, изучающих строение молекул, так         В.С. Попова и М.В. Терентьева и в окончательном
как молекулярные спектры намного сложнее в             виде получен в работе М.В. Аммосова, Н.Б. Делоне
сравнении с атомными. Сейчас многофотонная мо-         и В.П. Крайнова. Записанная таким образом фор-
лекулярная спектроскопия является весьма бурно         мула (3) прекрасно согласуется с эксперименталь-
развивающимся разделом молекулярной физики.            ными результатами по наблюдению туннельной ио-
                                                       низации атомов лазерным излучением, которые
нЫММВО¸М˚И ˝ЩЩВНЪ ‚ О‡БВ МУП ФУОВ
                                                       1
                                                        Магнитное поле действует на частицы с той же силой,
   Одно из принципиальных отличий многофо-             что и электрическое, если частицы движутся с реляти-
                                                       вистскими скоростями. Атомные же электроны, исклю-
тонной ионизации от однофотонной состоит в сле-        чая самые глубокие оболочки в самых тяжелых атомах,
дующем. Поскольку энергия каждого светового            являются нерелятивистскими.
кванта в многофотонном случае может быть очень
мала, а следовательно, велик период световых коле-
баний, многофотонная ионизация должна в преде-
                                                                                                           1
ле переходить в случай ионизации атома в постоян-
ном электрическом поле.
   Как известно, полевая ионизация описывается                                                Электрическое поле
квантовой механикой как туннелирование электро-                                             лазерной световой волны
на под потенциальным барьером (аналогичным об-
разом Г. Гамовым был описан ядерный α-распад,                        U
что явилось одним из триумфов квантовой механи-
ки в годы ее становления). Другими словами, иони-
                                                                                                           2
зацию атома в постоянном поле можно рассматри-
вать как многофотонное поглощение, когда энергия
каждого отдельного фотона стремится к нулю, а                      Поле
число поглощенных фотонов становится бесконеч-                атомного остова
ным. Впервые туннельный эффект в переменном
поле теоретически был описан в той же пионерской           Рис. 2. Возникновение туннельного эффекта в
работе Л.В. Келдыша.                                       переменном поле. За один полупериод поле в ок-
                                                           рестности атома изменяется от кривой ( 1 ) до кри-
   Очевидно, что при q      ∞ формула (2) пере-            вой (2 ). Если за это время электрон успеет “просо-
                                                           читься” через потенциальный барьер, образован-
стает быть справедливой. Вместо степенной в этом           ный полем атомного остатка и лазерным полем,
случае возникает экспоненциальная зависимость              произойдет туннельный эффект; в противном слу-
фототока от интенсивности                                  чае реализуется многофотонный режим



бйз Е.Д. ЗбДаейСЦвлнЗаЦ гДбЦкзйЙй абгмуЦзаь л ДнйеДеа                                                                  87


     впервые были получены канадским физиком Чи-            накомления с некоторыми достижениями этого на-
     ном (S. Chin), а позже наблюдались во многих лабо-     правления можно рекомендовать перечисленные
     раториях.                                              ниже публикации.

     лУ‚ ВПВММ˚В Ф У·ОВП˚                                   кЦдйеЦзСмЦеДь ганЦкДнмкД
        Многофотонная ионизация атомов продолжает
                                                               1. Делоне Н.Б., Крайнов В.П. Основы нелинейной оп-
     активно изучаться и сейчас как экспериментально,          тики атомарных газов. М.: Наука, 1986.
     так и теоретически. Поэтому представляется преж-
     девременным излагать здесь другие, хоть и весьма          2. Рапопорт Л.П., Зон Б.А., Манаков Н.Л. Теория мно-
     интересные особенности этого явления. Тем не ме-          гофотонных процессов в атомах. М.: Энергоатомиз-
                                                               дат, 1978.
     нее нельзя не назвать некоторые факты, обнару-
     женные сравнительно недавно и еще не получив-             3. Казанцев А.П., Сурдутович Г.И., Яковлев В.П. Меха-
     шие полного объяснения.                                   ническое действие света на атомы. М.: Наука, 1991.
        Оказалось, что наряду с отрывом одного элек-           4. Балыкин В.И., Летохов В.С., Миногин В.Г. Охлажде-
     трона в лазерном поле от атома могут отрываться           ние атомов давлением лазерного излучения // Успехи
     сразу несколько электронов, так что в результате об-      физ. наук. 1985. Т. 147. С. 117.
     разуются многозарядные ионы атомов. Впервые это           5. Делоне Н.Б., Зон Б.А., Федоров М.В. Поляризация
     явление наблюдалось И.П. Запесочным и В.В. Сура-          ядер при резонансной ионизации атомов // Журн.
     ном на атомах щелочноземельных элементов. Сам             эксперим. и теорет. физики. 1979. Т. 76. С. 505.
     по себе этот факт не был бы удивителен, если бы не        6. Зон Б.А., Карпешин Ф.Ф. Ускорение распада ядра
     одно обстоятельство – вероятность отрыва не-              235m
                                                                   U в поле лазерного излучения // Там же. 1990. Т. 96.
     скольких электронов весьма велика и иногда срав-          С. 401.
     нима с вероятностью отрыва одного электрона.
                                                               7. Делоне Н.Б. Многофотонные процессы // Соросовс-
        При исследовании энергий ионизованных элек-            кий Образовательный Журнал. 1996. № 3. С. 75–81.
     тронов было обнаружено, что они не всегда равны
     наименьшей энергии, необходимой для того, чтобы
                                                                                      * * *
     электрон покинул атом. Природа этого эффекта,
     получившего название надпороговой ионизации,               Борис Абрамович Зон, доктор физико-матема-
     также продолжает активно дискутироваться.              тических наук, профессор, заслуженный деятель
        Следует отметить, что изучение явления много-       науки РФ, зав. кафедрой математической физики
     фотонной ионизации атомов привело к возникнове-        Воронежского университета. Специалист в облас-
     нию целого направления в физике – физики много-        ти атомной и молекулярной физики. Автор трех мо-
     фотонных процессов при взаимодействии лазерного        нографий и более чем 150 научных работ в отечест-
     излучения с веществом. Для более подробного оз-        венных и зарубежных журналах.




88                                                             лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹1, 1998



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика