A nagy intenzitású lézersugár fázistranszferet tapasztalhat • Yuri Erin • Tudományos hírek a "Elemekről" • Fizika

A nagy intenzitású lézersugár fázisátmenetet tapasztalhat.

Ábra. 1. Kezdetben a lézerimpulzus szerkezete olyan, hogy a fény maximális intenzitása a központi tartományba esik. Balra: vázlatos diagram, amely bemutatja, hogy a gerenda sugárzásának intenzitása mikor mozog a tengelyétől. A központban: mivel a levegő törésmutatója növekvő sugárzási intenzitással növekszik (a Kerr-effektus), a légi lézersugárhoz képest a légkör kezd el viselkedni, így fókuszál (önfókuszálás). Ennek a fókuszálásnak köszönhetően a sugárzás intenzitása elegendő lesz a környező levegő ionizációjához és a plazma kialakulásához a környezet korlátozott térfogatában. Jobbra: A plazma törésmutatója alacsonyabb, mint a levegőé. Ennek következtében a plazma szerepet játszik a lézersugárzás szétszóródó lencséjének. Ábra az americanscientist.org-ból

A fázistranszformáció jelenségét rendszerint egy olyan anyag vagy tulajdonság paramétereinek változtatásával azonosítják, amely atomok, elektronok, magok vagy egyéb, nem nulla tömegű részecskékből áll. A spanyol elméleti fizikusok felfedezték, hogy egy fázisátalakítás is megtapasztalhat egy foton-készletet (részecskék nélkül), és nagy intenzitású lézersugarat képez.Megmutatták, hogy bármely lézernyaláb (például levegőben) mozgó lézersugár képes radikálisan megváltoztatni belső szerkezetét a lézer növekvő intenzitásával.

Azonnal foglaljon helyet, hogy nem minden lézer által sugárzott sugár nyúlhat át egyik fázisból a másikba. Ehhez egy fényimpulzust generáló készüléknek nagyon magasnak kell lennie – meg kell haladnia egy bizonyos küszöbértéket, amelyet a tápközeg jellemzői és a fény hullámhossza határoz meg. Például 800 nm hullámhosszú sugárzás esetén a levegőben terjedő küszöb kb. 3 GW (1 gigawatt = 109 W). Ilyen körülmények között a gerenda olyan nagy intenzitású, hogy szinte megszűnik diffrakciónak kitéve, és koncentrált maradhat, és nem térhet el néhány tíz vagy akár több száz méterig.

A lézersugár diffrakció nélküli viselkedését a Kerr-hatás magyarázza – a tápközeg refrakciós indexében bekövetkező változás, amelyen keresztül a fény elterjed. Megállapítottam, hogy a mágneses törésmutató és a látható sugárzás előtti és utána megjelenő különbség közötti különbség egy bizonyos koefficiensselarányosság. A legtöbb anyag esetében az arányossági együttható nagyobb mint nulla. Ez azt jelenti, hogy a fény terjedése a közeg törésmutatójának növekedését okozza. De annak érdekében, hogy észlelhető legyen a különbség, a fény intenzitásának nagyon nagynak kell lennie.

Tegyünk egyértelmű példát. Levegő esetén az arányossági együttható 3 · 10-19 lát2/ W A napfény intenzitása a Világ Meteorológiai Szervezet adatai szerint (PDF, 355 Kb) 120 W / m2. Következésképpen a Nap fénye a levegő törésmutatójának növekedését elhanyagolható mennyiséggel – 3,6 x 10-20%. Mégis, annak ellenére, hogy egy ilyen nagyon kicsi módosításról van szó, a Kerr-effektus nem teszi lehetővé a fent említett küszöbértéknél nagyobb intenzitású lézersugarat.

Hogyan segít a Kerr-hatás a lézerimpulzusban? Általában a lézersugár tengelyén a fény intenzitása maximális (1. ábra, a bal oldalon), és szimmetrikusan csökken a határok felé. Tegyük fel, hogy a lézersugár a levegőben mozog. Ezután a Kerr-effektus szerint a levegő törésmutatója a gerenda közepén nagyobb lesz, mint az éleknél.Ennek az optikai inhomogenitásnak köszönhetően a levegő közeg formálisan a lézersugárzáshoz viszonyítva viselkedik gyűjtőlencsékként: a gerenda vastagsága csökken (1. ábra, központ), és a fényintenzitás nő. Vagyis a sugár, ahogy összpontosítja magát – önfókuszálás történik.

Első pillantásra úgy tűnik, hogy a gerenda képes a zéró vastagságára. Ha azonban a fényintenzitás elér egy bizonyos értéket, többfoton ionizáció következik be. A lézer fotonok kopogtatnak elektronokat a levegőmolekulákból (nitrogén és oxigénmolekulák). A felszabadult elektronok alkotják a plazmát. A levegőhöz képest a plazmának alacsonyabb törésmutatója van, ezért formálisan úgy viselkedik, mint egy diffúz lencsék, és elkezdi a gerenda megszüntetését, csökkentve annak intenzitását (1. a jobb oldalon). Miután áthaladt a területen a plazmával, a gerenda folytatja mozgását, és a helyzet megismétlődik.

Ennek eredményeképpen az önfókuszálás és a defocusálás folyamata közötti egyensúly kiegyenlíti a gerendát tíz és több száz méter közötti távolságokat (2.

Ábra. 2. Az önfókuszálás (önfókuszálás) és a defocusálás (defókuszálás) folyamata lehetővé teszi a lézersugár elterjedését, hogy túlléphesse a tíz és több száz méter távolságot.Ebben az esetben a sugár főként a közegben szivattyúk (izzószálak) révén propagálódik; lásd a magyarázatot a szövegben. Egy adaptált rajz az americanscientist.org-ról és a felülvizsgálatról: A. Couairon, A. Mysyrowicz. Femtoszekundum filamentáció átlátszó médiában a folyóiratban Fizikai jelentések

Meg kell jegyezni, hogy a nagy intenzitás mellett a lézersugárnak rövid időtartamúnak is kell lennie – a femtoszekundum sorrendjében (10-15 másodperc). Ellenkező esetben a médium átvitelének többfoton ionizációja helyett kaszkádos ionizáció léphet fel: a felszabaduló elektronok koncentrációja olyan lesz, hogy elkezd ionizálni a molekulákat, még messze az elhaladó lézersugártól. Ez az önkifejezés és a defókuszálás közötti egyensúlyhiányhoz vezet. A gerenda megszűnik, és gyorsan eltér egymástól.

Az a tény, hogy egy nagy intenzitású lézersugár képes önmagára fókuszálni és diffúzni a közegben, nem diffraktív módon, 1994-ben kísérleti jelleggel mutatták be a Michigan Egyetem amerikai fizikusai által kifejlesztett 10 gigawattos lézerfelvevő impulzusokat, amelyek 200 nm hullámhosszúságú 800 nm hullámhosszúságúak.E kísérletek során a kutatók váratlanul felfedezték, hogy egy lézerimpulzus egy közegben történő mozgását főként nagyon vékony filamentumok mentén végzik, amelyek a hullámvezetők szerepét hordozzák. A tudósok szálaknak nevezték őket (2. ábra), és a lézersugarat szálakba – filamentálásnak nevezték el. Ábrán. 3 fekete kerek területeken – Ezek a filamentfotók.

Ábra. 3. A terawatt lézer által létrehozott 800 nm hullámhosszú lézerimpulzus filamentációs folyamatának fotója. A sugárzási intenzitás eloszlása ​​a lézersugár keresztmetszetében (profil) látható. Fekete foltok, amelyek a fényintenzitás legmagasabb értékeinek felelnek meg, szálak. Ábra: G. Méchain és munkatársai: Szálas filamentumok, amelyeket egy több terawattos femtoszekundumos lézer hoz létre a magazinban Optikai kommunikáció

By the way, manapság, amikor nagyon erősek tűntek (terawatt, 1012 W) lézerrendszerek, az izzítási jelenség az elméleti és a kísérleti optika egyik legaktívabban tanulmányozott.

Tehát közömbös következtetést vonjunk be: egy nagy intenzitású lézersugár diffrakciómentes terjedését két folyamat versenyével lehet elérni: a Kerr-effektusból származó gerendák önfókuszálása és a plazma miatt defókuszálódás.Úgy tűnik, hogy minőségi szinten minden világos. Azonban ebben az évben a folyóiratban Optika expressz közzétették a nagyszámú Kerr törésmutató levegőkomponensek méréséről szóló cikket, amelyben megkérdőjelezték azt a tényt, hogy a plazma miatt a defokuszálódás következik be.

A francia tudósok, ennek a műnek a szerzői egy sor kísérletet végeztek a különböző gáznemű közegekben lévő terawatt lézersugarakkal: levegőben, oxigénben, argonban és nitrogénben. Mivel a lézersugár intenzitása 26 TW / cm-nél nagyobb volt2 a törésmutató nem illeszkedik a várt lineáris törvénybe. Egyszerűen fogalmazva, a Kerr-hatás nagyon nagy intenzitású értékekre teljesen másnak tűnik. A törésmutató változását a szerzők szerint nem szabad lineárisan írni a fényintenzitás függvényében, mint korábban a Kerr-effektusban, hanem negyedik fokú polinomként kell megjeleníteni, míg a páratlan intenzitású együtthatóknak pozitív értékekkel kell rendelkezniük egyenletes együtthatók negatívak.

Hogy a Kerr-effektus "új" törvényéből hogyan kell értelmezni a gerenda diffrakciós terjedését a közegben,nem vonzza a plazma hatását? A magyarázatot könnyű megadni, ha a törésmutató függvényét a fényintenzitásra építjük (4.

Ábra. 4. A gáz-halmazállapotú közeg törésmutatójának változása (szobahőmérséklet, 1 atmoszférikus nyomás) a lézersugárzás intenzitásától függően (TW / cm2), amelyet elosztanak rajta. Függőleges pontozott vonalak azok az intenzitásértékek, amelyeknél az adott gáz törésmutatójának változása negatívvá válik. Piros vonalvezetés megfelel a nitrogénnek kék – oxigén, zöld – argon, fekete szilárd anyag – levegőre. V. V. Loriot et al. A főbb légkomponensek Kerr törésmutatója Optika expressz

A grafikon azt mutatja, hogy ha az intenzitás meghatározott értéket ér el egy adott közegen, a törésmutató növekedése negatívvá válik. Például levegő esetén 26 TW / cm2. Ezen a ponton a közeg kezd el viselkedni, mint egy diffúz lencse, megszünteti a gerendát és csökkenti annak intenzitását. A kép ismétlődik. Kiderül, hogy az önfókuszálás és defokusálás folyamata a frissen nem lineáris Kerr-effektusban magyarázható.

Francia munkatársaik kísérleti kutatásai alapján a spanyol elméleti fizikusok úgy döntöttek, hogy frissen vizsgálják a nagy intenzitású lézersugár terjedését, különösen a filamentációs folyamatot. Helyettesítik az egyenletet (a nemlineáris Schrödinger-egyenletet), amely leírja egy könnyű hullám terjedését egy nemlineáris közegben, a Kerr-effektus törésmutatójának új függősége, majd numerikusan külön-külön oldották meg oxigén és levegő számára.

Kiderült, hogy az intenzitásértéktől függően az izzítási folyamatnak két fázisa van. Amíg a lézersugár intenzitása nem haladt meg egy bizonyos kritikus értéken, mindegyik szál egy gömbölyű tartományok (buborékok) lánca, amelyek az űrben lokalizálódnak, a centrumokban a legnagyobb intenzitásúak, és a széleken fokozatosan nullára csökken (5. Ezek a területek rendszeresen rendezett rácsot képeznek a lézersugaras profilban (a mozgásának irányára merőleges síkban).

Az esetleges spekulációk kizárásához megjegyezzük, hogy nem beszéltek a fotonok kvantumstatisztikájának változásáról (a fotonok, mint a bozonok, maradtak).A cikk szerzői számolják, hogy a lézersugár nyomás ebben a fázisban arányos az intenzitás négyzetével. Ha minden egyes buborék fermionként képzõdik (egy halfinterlõ spin részecske), és a sugár intenzitása e buborékok sûrûségének felel meg, akkor a kimeneten a négyzetes nyomásfüggõ sûrûséget kapjuk, ami egy degenerált fermiongáz esetében jelentkezik. Ezzel az analógiával a szerzők cikkükben bevezetik a "fermion buborékok" kifejezést, és ennek a fázisnak a neve "fermion light".

Ábra. 5. A lézersugár intenzitása növeli a fázisátmenetet (belső szerkezete átalakításával) – a fermion buborékok láncaitól függően egy rendezett rácsot képezve, amely gömbös területeket képvisel a térben maximális intenzitással és fokozatosan csökken a széleik felé, folyadékfázisig cseppek, amelyekben a fermion buborékok egy vastag izzószálba olvadnak össze. Az oldalsó paneleken A lézersugaras profil intenzitási eloszlása ​​látható: piros területeken a maximális intenzitásnak felel meg kék – nulla érték. Ábra a tárgyalt cikkből Phys. Rev. Lett

A lézersugár intenzitásának további növelése (például a lézersugár útján speciális gyűjtőlencse elhelyezésével) fokionos buborékok vagy filamentumok láncainak fokozatos konvergenciájához vezet. Ha az intenzitás eléri a kritikus értéket (a levegő kritikus értéke a szerzők számításai szerint körülbelül 30 TW / cm2), a buborékokat egy vastag izzószálba keverjük. Határán belül a fényintenzitás egyenletesen oszlik el (5. Ábra), és az izzólámpán kívül élesen zuhan. A szerzők számolják, hogy az újonnan kialakított szerkezet által kifejtett könnyű nyomás fordítottan arányos a sugaraival. Mivel a hivatalosan megszerzett függőség hasonló a jól ismert Laplace-formulához, amely meghatározza a folyadék további nyomását a felület görbületétől függően, a szerzők a lézersugar ezen fázisát folyadékcseppnek nevezték.

Így a lézersugár intenzitásának beállításával megfigyelhetjük a fázisos állapotból a folyadékcsepp állapotába való átmenetet, és fordítva. Természetesen a fázisok közötti váltás mindeddig csak papíron történt meg.Azonban a cikk szerzői remélik, hogy hamarosan tesztelik az elméletüket, és segítenek más tudósoknak, hogy jobban megértsék a nagy intenzitású lézersugár filamentációs folyamatát. Ezen túlmenően a cikk megfogalmazásakor a kutatók azt mondják, hogy elméleti kutatásai eredményei megmutathatják a lézersugarak légköri kondenzációjával kapcsolatos kísérletek hatékonyságának javítását (lásd: Lézer segítségével kondenzálhatjuk a légköri vízgőzt, elemeket , 23.06.2010).

Forrás: David Novoa, Humberto Michinel, Daniele Tommasini. Fermionikus fény a közös optikai médiumban // Phys. Rev. Lett. 105: 203904 (2010. november 12.).

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: