авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 9 |

«ЮБИЛЕЙНЫЙ СБОРНИК КАФЕДРЕ ОПТИКИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА 70 ЛЕТ MCMXXXIV — MMIV УДК ...»

-- [ Страница 3 ] --

4. В.С.Егоров, Н.М.Зацерковнюк, А.А.Пастор, Г.А.Плехоткин. К вопросу о взаимодействии кратковременного импульса суперизлучения с резонансно поглощающей средой. // Опт. и спектр. Т.30, стр.1170-1173, 1971.

5. В.С.Егоров, Н.М.Зацерковнюк, И.Г.Вольфовский. Изменение спектра импульса суперизлучения при взаимодействии с резонансно поглощающей плазмой положительного столба тлеющего разряда // Опт. и спектр. Т.43, стр.571-573, 1977.

6. В.С.Егоров, Н.М.Зацерковнюк, А.А.Пастор. Исследование изменения формы импульса суперизлучения неона при его распространении через резонансно поглощающую среду. // Опт. и спектр. Т.44, стр.431-435, 1978.

7. В.С.Егоров, Н.М.Зацерковнюк. Исследование характеристик суперизлучения неона на длине волны 614,3 нм при импульсном разряде в капилляре. // Опт.

и спектр. Т.50, стр.859-864. 1981.

8. В.С.Егоров, И.А.Чехонин. Эффекты комбинационного рассеяния при резонансном возбуждении в опытах при внутрирезонаторной спектроскопии. // Опт. и спектр. Т.53, стр.784-786, 1983.

9. В.В.Васильев, В.С.Егоров, И.А.Чехонин. Параметрическое возбуждение кооперативных эффектов в опытах по внутрирезонаторной спектроскопии. // Опт. и спектр. Т.58, стр.944-946, 1985.

10. В.В.Васильев, В.С.Егоров, И.А.Чехонин. Стаационрные волны при конденсации спектра в опытах по внутрирезонаторной спектроскопии. // Опт. и спектр. Т.60, стр.664-667. 1985.

11. В.С.Егоров, И.А.Чехонин, Н.Н.Шубин. Эффекты кооперативной самодифракции света: оптическая мультивибрация и светоиндуцированное переключение резонансной среды в метастабильное состояние. // Опт. и спектр. Т.62, стр. 853-859. 1987.

12. В.С.Егоров, Н.М.Реутова. Об особенностях когерентного распространения импульса суперизлучения через оптически плотную резонансную поглощающую среду. // Опт. и спектр. Т.66, стр.1231-1235. 1989.

13. В.В.Васильев, В.С.Егоров, И.А.Чехонин. Исследование явления конденсации спектра генерааации при внутрирезонаторной лазерной накачке вещества. // Опт. и спектр. Т.70. стр.897-901. 1991.

14. В.С.Егоров, А.Н.Федоров, И.А.Чехонин. Кооперативное излучение вблизи ОВФ зеркала. // Опт. и спектр. Т.72. стр.349-352. 1992.

15. В.С.Егоров, И.А.Чехонин, А.Н.Федоров Нестационарное двухволновое взаимодействие в оптически плотных резонансных поглощающих средах. // Опт. и спектр. Т.73. стр.102-107. 1992.

16. В.В.Васильев, В.С.Егоров, А.Н.Федоров, И.А.Чехони. Лазеры и лазерные системы на основе кооперативных эффектов в оптически плотных резонансных средах без инверсии заселенностей. // Опт. и спектр. Т,76.

Стр.146-160. 1994.

17. V.S.Egorov, A.N.Fedorov, I.A. Chekhonin, Cooperative phenomena in the optically dense resonant inversionless media as a new method for generation of the USP coherent radiation. В книге “Modern problems of laser physics”, MPLP 95, Novosibirsk, Aug.28 – Sept.2, 1995, Изд-во РАН, Новосибирск. Стр.138 149, 18. В.С.Егоров, Н.М.Реутова, В.В.Козлов, Э.Е.Фрадкин. Эффект сверхпрозрачности. // ЖЭТФ. Т.110, вып.5, стр.1688-1711. 1996.

19. В.С.Егоров, Н.В.Денисова, В.В.Козлов, Н.М.Реутова, П.Ю.Сердобинцев.

Э.Е.Фрадкин. Безинверсное усиление при совместном распространении когерентных импульсов импульсов света в оптически плотной трехуровневой среде. // ЖЭТФ, Т.113, вып.1, стр.305-331.. 1998.

20. С.Н.Багаев, В.С.Егоров, П.В.Морошкин, А,Н.Федоров, И.А.Чехонин.

Усиление и генерация в двухуровневых оптически плотных резонансных средах без инверсии заселенностей на основе кооперативных явлений при взаимодействии света и вещества. // Опт. и спектр. Т.86, вып.6, стр.912-917.

1999.

21. С.Н.Багаев, В.С.Егоров, И.Б.Мехов, П.В.Морошкин, И.А.Чехонин Параметрические коллективные явления при распространении полихроматического лазерного импульса в оптически плотной резонансной среде без инверсии заселенностей. // Опт. и спектр. Т.93, вып.6, стр.955-962.

2002.

22. С.Н.Багаев, В.С.Егоров, И.Б.Мехов, П.В.Морошкин, И.А.Чехонин, Е.М.Давлятшин, Е.Киндель. Нестационарное параметрическое усиление полихроматического излучения, распространяющегося в протяженной поглощающей, резонансной среде. // Опт. и спектр. Т.94, стр.92-98. 2003.

23. S.N.Bagayev, V.S.Egorov, I.B.Mechov, P.V.Moroshkin, I.A.Chekhonin, E.M.Davljatshin, E.Kindel Resonant nonstationary amplification of polychromatic laser pulses and conical emission in an optically dense fnsamle of neon metastable atoms. // Phys. Rev. A, vol. 68, p.p. 043812-1-043812 – 10, 2003.

С.А. Пулькин ИССЛЕДОВАНИЕ АТОМНЫХ КОНСТАНТ – СИЛ ОСЦИЛЛЯТОРОВ, ВЕРОЯТНОСТЕЙ ПЕРЕХОДОВ И ВРЕМЕН ЖИЗНИ ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ АТОМОВ Экспериментальные исследования атомных констант были начаты в Санкт-Петербургском Университете Д.С. Рождественским в начале 20-века в связи с развитием теории атома и квантовой механики. Знаменитый метод крюков Рождественского был применен на кафедре оптики Университета для систематического исследования сил осцилляторов для оптических переходов большого числа элементов Периодической системы. Полученные экспериментальные данные на долгие годы явились надежным критерием правильности различных теоретических методов расчетов в квантовой механике, по существу, явились экспериментальной базой квантовой механики атома и стимулом развития все новых, более совершенных и мощных методов, прежде всего, метода Хартри-Фока и полуэмпирических методов расчета. На кафедре оптики, долгие годы руководимой ее создателем С.Э. Фришем, а затем Н.П. Пенкиным, была создана школа по исследованию атомных констант. В конце 50-х годов под руководством А.Л. Ошеровича были начаты работы по измерению времен жизни возбужденных состояний атомов и ионов. За более чем 30 лет были исследованы времена жизни возбужденных состояний атомов многих элементов Периодической системы. Актуальность этих работ связана прежде всего с развитием теории атома, физики плазмы, спектрального анализа, астрофизики и физики лазеров. По существу, атомные константы в физике лазеров, физике процессов взаимодействия лазерного излучения с атомарной средой являются входными параметрами, необходимыми для расчета различными методами параметров лазеров и систем с которыми лазер взаимодействует. Современные методы расчета лазерной рабочей среды – это методы решения систем уравнений для матрицы плотности с релаксационными константами – ширинами уровней и вероятностями переходов. Для расчета конкретного лазера, т.е. получения порогового условия лазерной генерации, необходимо знание не только времен жизни верхнего и нижнего лазерного уровня, но и знание всех вероятностей переходов всех соседних уровней, связанных с рабочими лазерными уровнями. Данные, полученные на кафедре оптики по силам осцилляторов, вероятностям переходов и временам жизни атомов широко использовались и используются для расчетов лазерных сред.

Работу по систематизации данных по силам осцилляторов и вероятностей переходов проводили под руководством Н.П. Пенкина Л.Н. Шабанова и В.А. Комаровский. Работу по автоматизации измерений проводил Г.В. Жувикин. Гигантскую работу по систематизации данных по временам жизни под руководством А.Л. Ошеровича провел Я.Ф. Веролайнен. Работу электроники обеспечивал М.Л. Бурштейн.

Число опубликованных работ по измерению сил осцилляторов и вероятностей переходов настолько велико, что невозможно в рамках этого раздела даже перечислить всех авторов. Основной вклад в эти работы внесли Л.Н. Шабанова, В.А. Комаровский, Ю.И. Островский, Г.Ф. Парчевский, Т.П. Редько и многие другие авторы. Абсолютные силы осцилляторов резонансных линий в атомах элементов 1-4 группы и редкоземельных элементов Периодической системы измерены с высокой точностью для атомов:

1-группа – Li, Na, K, Rb, Cs, Cu, Ag, Au 2-группа – Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd, Hg 3-группа – Al, Ga, In, Tl 4-группа – C, Si, Ge, Sn, Pb Вероятности переходов в главных сериях для атомов 1 – 3 групп элементов Периодической системы были исследованы Л.Н. Шабановой и Н.П. Пенкиным. Было показано, что немонотонное поведение вероятностей переходов вдоль серии соответствует немонотонному поведению квантового дефекта. Это связано с возмущающим действием из-за конфигурационного взаимодействия в электронной оболочке.

Специальная программа исследования атомных констант (сил осцилляторов и времен жизни) атомов и ионов редкоземельных элементов была выполнена Н.П. Пенкиным, В.А. Комаровским в связи с разработкой лазеров на парах некоторых редкоземельных элементов, а также для астрофизических исследований. Было показано, что абсолютные силы осцилляторов атомов и ионов некоторых редкоземельных атомов близки к соответствующим значениям для атомов щелочно-земельных элементов, имеющих такое же строение внешней электронной оболочки.

В лаборатории фотометрии под руководством проф.А.Л. Ошеровича были проведены систематические исследования времен жизни возбужденных состояний атомов и ионов элементов нескольких групп Периодической системы элементов:

– Rb, Cs, Cu, Ag, Au (А.Я. Николаич, Г.А. Плехоткина), – Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd (С.А. Пулькин, В.И. Привалов, Е. Борисов) – Bi, Sb, Mo, W, J (М.Л. Бурштейн, В.В. Тезиков, Г.А. Плехоткин) – Ne, Ar, Xe (Я.Ф. Веролайнен) – Редкие земли (В.А. Горшков, В.А. Комаровский, К.Б. Благоев) Измерения проводились в основном многоканальным методом задержанных совпадений, а также методом сдвига фаз (В.А. Горшков, В.Н. Иванов). Для исключения влияния межатомных столкновений и пленения излучения были применены атомные пучки.

Огромный экспериментальный материал по временам жизни позволил исследовать поведение времен жизни в спектральных сериях в зависимости от главного квантового числа. Нарушение степенной зависимости объяснено авторами конфигурационным взаимодействием. Примененная теория много канального квантового дефекта и экспериментальные данные по временам жизни вдоль серии уровней позволили экстраполировать поведение времен жизни для тех членов серии, для которых времена жизни не могут быть измерены. Теоретическое обоснование степенной зависимости было обосновано в дальнейшем Н.Н. Безугловым. На многих исследованных переходах в настоящее время работают лазеры.

Отметим несколько областей лазерной физики, в которых в последние годы были достигнуты впечатляющие результаты и где широко использованы данные по атомным константам, полученным на кафедре оптики:

– Радиочастотные стандарты частоты с лазерной накачкой – Cs, Rb – Оптические реперы частоты с магнитооптическими ловушками на резонансном и метастабильном переходе – Ca, Sr, Yb – Бозе-Эйнштейновский конденсат на атомах Na, Yb при лазерном охлаждении.

– Усиление света и генерация без инверсии населенностей в двух- и трехуровневых системах при лазерной накачке – используется для получения лазерной генерации в областях спектра и на переходах, где нельзя получить инверсию населенностей и генерацию – Индуцированная оптическая прозрачность на атомной среде под действием лазерного излучения и получение большого показателя преломления при нулевом коэффициенте поглощения – используется в работах по оптическому компьютеру – Генерация на лазерных стеклах, лазеры на диэлектрических кристаллах с ионной структурой и жидкостные лазеры с редкоземельными активаторами.

1. Н.П.Пенкин. Экспериментальное определение вероятностей электронных переходов и времен жизни возбужденных состояний атомов и ионов.

(Experimental determination of electronic transition probabilities and lifetimes of the exited atomic and ionic states) Proceedings of the Sixth International Conference on Atomic Physics, August 17-22, 1978, Riga, USSR 2. Н.П.Пенкин Определение сил осцилляторов спектральных линий атомов. В сб.Спектроскопия газоразрядной плазмы, Л., Наука, 1970, с.63-109.

3. Я.Ф.Веролйнен, А.Я.Николаич // Успехи физ.наук, 1982, т.137, с.305.

4. А.Л.Ошерович, Я.Ф.Веролайнен, А.Я.Николаич, В.И.Привалов, С.А.Пулькин, В.В.Тезиков. Новые данные о радиационных временах жизни атомных и ионных уровней рубидия, цезия, магния, кальция, бария, цинка, кадмия и сурьмы. В сб. Прикладная спектроскопия, М., «Наука», 1977, с Ю.А. Толмачев, М.К. Лебедев ДИФРАКЦИЯ И ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ Монохроматический точечный источник света и плоская (или сферическая) волна — это основные идеальные объекты классической оптики.

Сегодня, по нашему мнению, настало время добавить к ним плоскую и сферическую (t)-образную волну. Как первые служат хорошим приближением к реальным квазимонохроматическим сигналам, но не существуют в природе, так и вторые могут послужить удобным приближением в оптике и технике ультракоротких импульсов. Импульсы светового диапазона могут состоять из одного-двух колебаний. При столь малом их числе обычное понятие «частоты сигнала» становится неопределенным.

Развитие нового методического подхода к оптике ультракоротких импульсов и ряда открывающихся при этом необычных возможностей было начато в 1994 г и продолжается сегодня. Состояние и обоснованность соответствующих разработок достигли стадии, когда их можно смело использовать и в научно-технической практике, и в преподавании оптики в высшей школе.

Интерференция встречных одиночных дельта-импульсов и кодовых последовательностей, рассмотренная в работах [1-5], показала, что записанная интерференционная картина обладает всеми свойствами голограмм (как плоских, так и объемных), полученных традиционными методами. В дополнение к ним она позволяет точно воспроизвести структуру немонохроматического сигнала во времени [2,4,5]. Подобное сочетание свойств позволяет надеяться на применение дельта-голографии для записи полной информации о быстропротекающих волновых процессах и цифровой информации.

Расширение этих работ потребовало развития теории нестационарной дифракции. Оставаясь в рамках приближения Кирхгофа, мы разработали способ описания процессов формирования во времени поля ультракоротких импульсов при дифракции на наиболее распространенных видах в оптике апертур:

полуплоскость [6], щель [7], круг [8,9] и диафрагма с гауссовым пропусканием [10]. Форма полученных решений, в отличие от обычных для теории дифракции соотношений, очень проста и удобна для численных расчетов. В асимптотических случаях (большие расстояния от отверстия, монохроматическое колебания) они переходят в известные из классической теории.

С помощью развитых представлений и выведенных соотношений была изучена работа основных оптических устройств, основанных на дифракции, интерференции и преобразовании формы волнового фронта. Во всех случаях результаты исследования совпали с известными, однако, оказалось возможным предложить целый ряд систем преобразования сигналов во времени, использующих специфические свойства импульсной реакции тех, или иных оптических элементов.

1. Толмачев Ю.А. Регистрация формы фронта волны с помощью ультракоротких импульсов.// Оптика и спектроскопия. 1994. Т.76, №6, С. 999-1004..

2. Лебедев М.К., Толмачев Ю.А. Голография с помощью волновых процессов с нулевой длительностью когерентности. Оптика и Спектроскопия. 1997, т. No 5, с. 824-831.

3. Лебедев М.К., Толмачев Ю.А. Применение временного кодирования в дельта-голографии. Оптика и Спектроскопия. 1997, т.82, №4, с. 679-682.

4. M.K. Lebedev, Yu.A.Tolmachev. Nondispersive methods of ultrashort pulses of light encoding, recording and transformation. Proc. SPIE, 1998, v. 3403-31, Р. 223 - 232.

5. Лебедев М.К., Толмачев Ю.А. Амплитудная голографическая спектроскопия как способ восстановления временной структуры поля осциллятора. В сб.:

«Фундаментальные проблемы физики». Тр. Второй междунар. конф., Саратов, Россия 2000, с.123.

6. М.К.Лебедев, Ю.А.Толмачев. Решение задачи о дифракции волны на прямолинейном крае импульсным методом. // Вестн. С-Петерб.ун-та. Сер.4:

Физика, химия. 2002. Вып.3 (№ 20). С.83-87.

7. Сулейменов И.Э., Лебедев М.К., Толмачев Ю.А. Дифракция ультракороткого импульса на щели.// Оптика и спектроскопия. 2000. Т.88, № 1. С. 104-109.

8. Lebedev M.K., Tolmachev Yu.A. On the problem of ultrashort pulse diffraction. // Proc. SPIE. 2000. № 4071. P. 184-190.

9. Лебедев М.К., Толмачев Ю.А. О дифракции ультракороткого импульса на отверстии.// Оптика и спектроскопия. 2001. Т.90, № 3, С. 457-463. 31.

10. Лебедев М.К., Толмачев Ю.А.. Дифракция плоской -волны на гауссовой диафрагме// Вестн. С-Петерб. Ун-та. Сер. 4. 2003. Вып. 3 (№20). С. 15-22.

И.А. Жувикина ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОГРАММИРУЕМЫМ СПЕКТРОМ ГЕНЕРИРУЕМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Для решения многих научных и технических задач голографии, медицины, спектрального анализа, хранения и передачи информации необходимо использовать одновременную генерацию излучения на нескольких длинах волн в одной лазерной системе или излучение более сложного спектрального состава, управляемого в широком спектральном диапазоне. С 1986 года работы по изучению возможности генерации такого лазерного излучения проводились в лаборатории голографии и оптики лазеров. Они были инициированы профессором А.Г. Жиглинским и выполнялись под его руководством. В 1996 году коллектив разработчиков (А..Г. Жиглинский, А.М. Измайлов, И.А. Жувикина (Смирнова), Г.Г. Кунд, П.А. Воротнев) за цикл работ по данной теме был удостоен первой премии Санкт-Петербургского физического общества. Исследования также финансово поддерживались Российским Фондом фундаментальных исследований и Российским Центром лазерной физики.

Основной физической причиной, препятствующей созданию лазера с управляемым спектром генерации, является конкуренция мод. В то время традиционным методом получения одновременной генерации на нескольких длинах волн являлось объединение нескольких независимых лазеров в общую систему с одним выходом. Такой подход не решал проблемы конкуренции мод, а значит не давал возможности формировать сложные спектры с большим числом параметров управления.

На основе идей, выдвинутых А.Г. Жиглинским, в процессе проводимых под его руководством экспериментальных и теоретических исследований, была разработана концепция континуальной лазерной системы. Такая система представляет собой непрерывную совокупность элементарных лазеров, каждый из которых обладает собственным элементарным резонатором, независимой накачкой и уровнем потерь. Физической основой нарушения конкуренции мод в континуальной лазерной системе является пространственное разделение (полное или неполное) каналов генерации излучения с разными длинами волн.

Каждый из элементарных резонаторов, слагающих общий резонатор, вполне аналогичен традиционному плоскопараллельному резонатору сопределенной длиной волны и уровнем потерь. Оригинальная конструктивная особенность резонатора позволяет осуществлять независимую поточечную накачку активной среды перпендикулярно плоскости внутрирезонаторного спектрального прибора.

Континуальная лазерная система может быть построена на основе различных оптических схем. Основной используемой схемой была схема так называемого точечно-отображающего резонатора: концевыми элементами служили дифракционная решетка и резонаторное зеркало, фокусирующими элементами – два ахроматических внутрирезонаторных объектива. В качестве активной среды может быть выбрано любое вещество, обладающее широким однородно уширенным спектром усиления. Большими возможностями в этом отношении обладают растворы органических красителей, которые в основном, и использовались в экспериментах. Независимая поточечная накачка активной среды обеспечивалась системой зеркал, допускающих независимую юстировку.

В экспериментах осуществлялась накачка нескольких узких полосок активной среды, одного или нескольких протяженных участков активной среды либо одновременно узкой полоски и широкого участка. Степень завязывания мод регулировалась взаимным положением фокуса одного из объективов и дифракционной решетки: помещение решетки в фокус объектива соответствует максимальному взаимодействию мод. При удалении решетки от фокуса завязывание мод уменьшается. Были найдены оптические схемы, соответствующие полному развязыванию каналов генерации излучения с различными длинами волн.

Основные результаты экспериментов можно свести к следующему:

получена генерация дискретного набора линий, участков непрерывного спектра или их комбинация, причем взаимоположением и интенсивностью компонентов спектра можно управлять путем перераспределения полос накачки по активной среде. Также была получена генерация сплошного спектра или нескольких участков сплошного спектра, причем при достаточной мощности накачки его суммарная ширина может достигать 0.5-0.7 ширины спектра люминесценции активной среды. Показана возможность дальнейшего усложнения спектра генерации – одновременной генерации линейчатого и сплошного спектра.

Ширина линии генерации без использования внутрирезонаторного интерферометра составляет 0.1-0.3 нм. При необходимости дальнейшее сужение линий может осуществляться традиционными методами.

Теоретическое описание процесса генерации излучения в континуальной лазерной системе потребовало рассмотрения свойств пассивного и активного точечно-отображающего резонатора. Особенностью таких резонаторов является существенное использование внеосевых и наклонных световых пучков, что усложнило применение традиционного формализма лучевой и волновой матричной оптики. Однако, были предложены матричные методы решения прямой задачи распространения излучения через сложную оптическую систему резонатора и обратной задачи синтеза такой системы, которая обеспечивала бы необходимое свойство точечного отображения. В результате был дан исчерпывающий перечень типов точечно-отображающих резонаторов, описаны их лучевые и волновые свойства.

Для описания процесса генерации в континуальной лазерной системе была сформулирована система уравнений, обобщающая систему балансных уравнений, используемую для описания традиционных лазеров. Для различных вариантов накачки активной среды (сплошной или дискретной) были найдены стационарные аналитические решения. Компьютерное моделирование системы позволило сделать выводы о достижимости и устойчивости найденных асимптотических решений, времени их установления. При этом были достигнуты все асимптотические режимы генерации, полученные в экспериментах или аналитически.

1. Жиглинский А.Г., Измайлов А.М., Жувикина (Смирнова) И.А., Воротнев П.А.. Спектр излучения лазеров с полным пространственны разделением каналов генерации // Вестн.Ленингр.Ун-та, Сер.4. 1991. Вып.2 (№ 11). С.8- 2. Izmailov A.M., Zhuvikina (Smirnova) I.A., Zhiglinsky A.G. Investigation of the novel cavities with self-reconstructed points // Proc. SPIE-Int. Soc.Opt.Ing.

(USA)/ 1993. Vol.1868. P.326-332.

3. И.А.Жувикина. Физика континуальных лазерных систем. // В кн. Лазерные исследования в Санкт-Петербургском государственном университете. – СПб.: НИИ «Российский центр лазерной физики», 2001, с.67-92.

Ю.А. Пиотровский, Ю.А. Толмачев КОАКСИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА Большая эффективность применения пучков электронов высокой энергии в мощных лазерах «оставила за бортом» тщательных исследований целую гамму газоразрядных систем, в том числе применяемых в лазерах, где энергии пучка электронов не превосходят 100-300 эВ. Кроме того, в исследованиях по лазерной тематике не уделялось достаточно внимания физическим процессам, происходящим в образованной электронным пучком плазме. Серия исследований, призванная восполнить этот пробел, была предпринята на кафедре оптики, начиная с 1975 года. Преследовались три цели: во-первых, понять общие свойства плазмы, образующейся при возбуждении разреженного газа пучком монокинетических электронов;

во-вторых, разработать методы расчета заселенности уровней в такой плазме и, в-третьих, применить такую газоразрядную систему для измерения атомных констант.

Для исследований применялись электронные пушки различной конструкции, общим для них было использование встречных пучков электронов. В случае цилиндрической геометрии в гелии, неоне и аргоне была получена хорошая фокусировка пучка на оси симметрии в диапазоне энергий от 30 до 100-120 эВ и огромном диапазоне изменения тока пучка (от единиц мА до нескольких ампер). Была показана принципиальна пригодность системы для получения генерации при низких давления (до 100-200 Па) как в чистых инертных газах и их смесях, так и в смесях с парами металлов. Одновременно было обнаружено сходство свойств функции распределения электронов по энергиям в пушке и полом катоде, широко применяемом в лазерной технике.

Установлены также два важных различия: возможность управления энергией пика быстрых электронов путем изменения напряжения питания и крайне низкая энергия группы медленных электронов. Эти два различия обеспечивали широкие возможности применения коаксиальной пушки для исследования элементарных процессов в плазме.

Для того, чтобы обеспечить высокую воспроизводимость параметров плазмы (порядка 10%) в последующих конструкциях использовались стандартные элементы вакуумной электроники, что позволило провести большую серию исследований процессов резонансной и квазирезонансной передачи возбуждения между частицами. В абсолютной мере были определены величины сечений для нескольких десятков уровней, представляющих интерес с точки зрения лазерной физики. Впервые была построена полная система процессов формирования заселенностей ридберговских состояний атомов в плазме (на примере атома гелия).

Исследования с применением пучков монокинетических электронов успешно продолжаются, и нами обнаружены новые каналы преобразования качественного состава ионов в пучковой плазме, которые могут играть важную роль в системах УТС и плазме, образованной ионизирующим излучением в плотных газах.

1. Пиотровский Ю.А., Станкова К.С., Толмачев Ю.А. Возбуждение ридберговских состояний гелия в пучковой плазме. Кинетика процессов возбуждения и разрушения. // Оптика и спектроскопия, 1992. Т. 72. Вып. 1.

С. 24-30.

2. Пиотровский Ю.А., Толмачев Ю.А., Эйхвальд А.И. Возбуждение ридберговских состояний гелия в пучковой плазме. IV. Математическое моделирование процессов возбуждения. // Оптика и спектроскопия, 1993. Т.

75. Вып. 3. С. 548-553.

3. Пиотровский Ю.А., Толмачев Ю.А., Эйхвальд А.И. Возбуждение ридберговских состояний гелия в пучковой плазме. V. Динамика ансамбля смешанных по заселенности состояний. // Оптика и спектроскопия, 1993. Т.

75. Вып. 6. С. 1171-1176.

4. Арсланбеков Р.Р., Кудрявцев А.А., Пиотровский Ю.А., Толмачев Ю.А.

Электронные параметры плазмы, образованной пучком электронов в гелии низкого давления. // Теплофизика высоких температур. 1994. Т. 32. С. 163 172.

5. Пиотровский Ю.А., Толмачев Ю.А. Газоразрядные лазеры высокой симметрии с поперечной накачкой электронным пучком. В сб.: Лазерные исследования в Санкт-Петербургском Госуниверситете. Под ред.

В.Б.Смирнова. 2001. с. 7-32.

В.М. Немец, С.В. Ошемков, А.А. Петров, А.А. Соловьев ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОАНАЛИТИКА В 60-е годы двадцатого столетия спектроаналитическая наука, как и вся оптика и спектроскопия в целом, получила новый мощный импульс для своего развития – использование оптических квантовых генераторов открыло новые возможности для улучшения таких параметров спектроаналитических методов как чувствительность и спектральная селективность, локальность пробоотбора, пространственное и временное разрешение и т.д. Лаборатория спектрального анализа кафедры оптики вскоре после появления первых промышленных лазеров включила в сферу своей деятельности и лазерную тематику применительно к анализу чистых веществ в их различных состояниях – плазменном и газообразном, жидком и твердотельном.

Одно из первых направлений лазерных работ лаборатории относится к использованию лазеров в спектрально-изотопном методе анализа веществ и материалов для локальной импульсной абляции органических и неорганических проб в атмосфере изотопосодержащего газа при определении в них газообразующих элементов (водорода, азота, кислорода и углерода) [1-8]. В большинстве этих работ процессы локальной лазерной абляции пробы и спектроскопического эмиссионного анализа изотопного состава этих элементов, возбуждаемых в газоразрядной плазме над поверхностью пробы, разделены во времени. В то же время, в работе [4] осуществлено совмещение локальной импульсной лазерной абляции металлической пробы с регистрацией изотопической структуры эмиссионного аналитического спектра окиси углерода, возбуждаемого в самом лазерном факеле. Достоинствами совмещения импульсной лазерной абляции твердых проб с приемами введения в аналитическую процедуру изотопной метки являются, с одной стороны, возможность локального и послойного анализа этих проб и, с другой стороны, возможность проводить анализ без использования стандартных образцов состава, адекватных анализируемым пробам.

Второе направление работ лаборатории по лазерной аналитике состоит в применении локальной, послойной и сканирующей лазерной абляции монолитных диэлектрических, полупроводниковых и металлических проб при получении аналитической информации в виде сигналов атомной эмиссии, абсорбции или флуоресценции определяемых микропримесей металлов в этих пробах. Очевидно, что во всех этих случаях необходимо использование адекватных стандартных образцов состава, как и в традиционных нелазерных методах спектрального анализа. Основными же достоинствами этих лазерных методов по сравнению с традиционными являются прежде всего их более высокая чувствительность;

более высокая локальная и послойная разрешающая способность и, наконец, возможность проведения анализов без какой-либо пробоподготовки.

В рамках этого направления разработаны методики многоэлементного атомно-абсорбционного сканирующего или локального анализа монолитных или порошковых неметаллических технологических, геологических и экологических проб при их абляции и атомизации непрерывным лазерным излучением с просвечиванием паров пробы над ее поверхностью зондирующим полихроматическ излучением многоэлементных ламп с полым катодом и регистрацией многолинейчатого спектра абсорбции паров пробы полихроматором на основе линейной матрицы фотодиодных приемников света.

При этом для устранения отрицательного влияния на степень атомизации паров пробы их взаимодействия с воздухом зона абсорбции над поверхностью пробы экранируется от воздушной среды пламенем газовой горелки или струей инертного газа. Для учета влияния вариаций мощности лазерного облучения проб и их матричного состава на эффективность лазерной абляции абсорбционный сигнал нормируется к стандартному значению температуры разогрева зоны абляции пробы. Этот метод обеспечивает высокую чувствительность анализов, варьируемую, однако, в зависимости от физико химических свойств определяемых элементов и основных компонентов матрицы [9-12].

В рамках этого же направления разработан метод анализа твердых проб, основанный на их локальной и послойной импульсной неселективной лазерной абляции и атомизации в вакууме с последующим импульсным лазерным селективным возбуждением и измерением атомной флуоресценции микропримесей определяемых металлов в разлетающемся факеле продуктов лазерной абляции пробы. В этом методе используются два импульсных лазера – один неперестраиваемый для неселективной абляции приповерхностных слоев твердой пробы и второй, перестраиваемый и синхронизованный с первым, обеспечивающий селективное возбуждение аналитической атомной флуоресценции определяемых элементов при ее пространственно-временной селекции от паразитного фонового излучения плазмы лазерного факела. Этот метод обладает уникальным сочетанием аналитических свойств – возможностью локального и послойного анализа твердых проб различного происхождения и назначения (металлы, геологические образцы) с его высокой чувствительностью [13-16].

Временная селекция паразитного фона была успешно применена и в плазменно-лазерном флюоресцентном анализе порошковых (или высушенных жидких) технологических проб на содержание в них микропримесей металлов при их испарении в импульсном полом катоде. Возбуждение флуоресценции определяемых металлов осуществлялось импульсным селективным излучением перестраиваемого лазера. С целью уменьшения паразитного эмиссионного фона плазмы полого катоде его разрядный ток периодически прерывался, и лазерное возбуждение и регистрация аналитической флуоресценции определяемых примесей осуществлялась в послесвечении разряда, когда фон плазмы снижался примерно на три порядка, а концентрация атомов определяемой примеси в объеме полого катода практически еще не уменьшалась, что обеспечивало высокую (107 – 108 %) чувствительность анализов [17].

Параллельно с этими работами исследовались возможности локального и послойного анализа твердых проб при их импульсной абляции, создаваемой из поверхностных слоев пробы плазмой лазерной искры, с одновременным детектированием неселективно возбуждаемого при этом спектра эмиссии определяемых примесей металлов или с последующим селективным возбуждением их атомной флуоресценции излучением смещенного относительно момента лазерно-искрового пробоя импульса перестраиваемого лазера на красителе [18-19]. Показано, что чувствительность второго, лазерно флуоресцентного, варианта на два-три порядка выше, чем первого, плазменно эмиссионного. Однако, очевидно, первый вариант значительно проще.

(Отметим, что первое упоминание о возможности лазерно-искрового анализа твердых проб приведено в [20]).

Наряду с лазерно-искровым анализом твердых проб в лаборатории реализовано применение лазерной искры для дистанционного атомно эмиссионного и атомно-флуоресцентного определения микропримесей металлов в воздухе и в чистых технологических газах. По аналогии с вышеизложенными методами лазерно-искрового анализа твердых тел для эмиссионного анализа газов используется прямое неселективное импульсное лазерное возбуждение спектров эмиссии определяемых примесей, а для флуоресцентного анализа применяют последовательную комбинацию двухступенчатого неселективного и селективного лазерного воздействия на анализируемую газовую пробу [21-23] Здесь также флуоресцентный метод значительно чувствительнее, но и существенно сложнее по сравнению с эмиссионным и, кроме того, эмиссионный вариант дает более доступную возможность многоэлементного анализа.

Сотрудниками лаборатории разработаны также два варианта комбинированного двухступенчатого плазменно-лазерного флуоресцентного [24] и плазменно-лазерного абсорбционного [25] определения трудновозбудимых (недоступных для прямого лазерного возбуждения) атомарных (Ne, Kr) и молекулярных (О2) газов в других высокочистых технологических газах, например, в гелии. Предвозбуждение атомов неона, криптона и кислорода (для последнего одновременно и диссоциация его молекул) осуществляется в плазме высокочастотного импульсного разряда, а последующее импульсное лазерное возбуждение их атомной флуоресценции или абсорбции наиболее эффективно происходит в стадии послесвечения разряда, поскольку в этом случае, как правило, уменьшается паразитное излучение самой газоразрядной плазмы и, кроме того, вследствие каскадных переходов возрастает заселенность возбужденных (как правило, метастабильных) уровней, с которых происходит возбуждение лазерной флуоресценции и наиболее эффективна абсорбция зондирующего лазерного излучения. Плазменно-лазерный абсорбционный вариант метода аппаратурно проще флуоресцентного, но наиболее значительно чувствительнее.

Аналогичный вывод о более высокой чувствительности лазерно флуоресцентного анализа по сравнению с традиционным атомно абсорбционным подтвержден сотрудниками лаборатории и при определении упругости паров металлов в графитовой кювете, обычно используемой в атомно-абсорбционном методе [26].

В лаборатории разработан также высокочувствительный вариант лазерно-флуоресцентного анализа газов, в том числе – воздуха, на легковозбудимые молекулярные газообразные примеси без их газоразрядного предвозбуждения. Этот метод обеспечивает, в частности, непрерывный мониторинг атмосферы рабочих помещений на содержание в них оксидов азота [27].

Наряду с лазерным анализом твердотельных и газообразных веществ на содержание в них неорганических атомарных и молекулярных микропримесей в лаборатории созданы лазерные методы флуоресцентного контроля загрязнения воды и почвы органическими веществами, в частности нефтепродуктами, и рефрактометрического контроля качества моторных топлив [28].

Помимо разработки вышеперечисленных конкретных лазерных аналитических методик и на их основе сотрудниками лаборатории обобщаются, формулируются и развиваются подходы, составляющие в своей совокупности систему новых методических приемов, направленных на повышение чувствительности, точности и универсальности лазерной аналитической спектроскопии [17,29,30].

В работах лаборатории по лазерной аналитике, начатых ровно 40 лет назад, участвовало в разное время несколько десятков сотрудников, студентов и аспирантов кафедры оптики. За это время ими сделано более ста публикаций в материалах международных и отечественных конференций и в международных и отечественных журналах по прикладной спектроскопии и аналитической химии и защищено более десяти кандидатских и три докторские диссертации по специальностям «Оптика» и «Аналитическая химия». Результаты этих работ нашли также свое отражение в пяти монографиях, соавторами которых являются сотрудники лаборатории. Таким образом, можно утверждать, что лаборатория спектрального анализа кафедры оптики СПбГУ входит в число ведущих научных коллективов России в области лазерной аналитики.

1. Н.А.Закорина, Г.С.Лазеева, А.А.Петров, Г.В.Скворцова, М.П.Фаворская. О некоторых вариантах установок для спектрально-изотопного определения газов в металлах // Вестник ЛГУ, № 10, с.152, 1965.

2. Г.С.Лазеева, А.А.Петров, Г.В.Скворцова. О возможности использования оптического квантового генератора для спектрально-изотопного определения газов в металлах // Вестник ЛГУ, № 4, с.63, 1967.

3. А.А.Петров, Г.В.Скворцова. Использование оптического квантового генератора для дифференцированного спектрально-изотопного определения поверхностного и объемного кислорода в металлах // Журн. Прикладой спектроскопии, Т.14, с.793, 1971.

4. А.А.Петров,Н.А.Победоносцева, Г.В.Скворцова. О возможности использования лазерного факела как источника света в спектрально изотопном методе // Журн. Прикладной спектроскопии, Т.17, с.391, 1972.

5. А.А.Петров. Спектрально-изотопный метод исследования материалов, Л.:, изд. ЛГУ, 327с., 1974.

6. В.Н.Котиков, А.А.Петров, С.В.Ошемков, Г.В.Скворцова, А.С.Черемухин.

Применение ОКГ для спектрально-изотопного определения азота в поверхностном слое стали // Заводская лаборатория, № 9, с.814, 1979.

7. Г.С.Лазеева, Т.Ю.Мещерякова. Лазерный метод локального определения изотопного состава азота в биологических объектах // Журн. Прикладной спектроскопии, Т.39, с.190, 1983.

8. Г.С.Лазеева, Т.Ю.Мещерякова. Спектрально-изотопные методики локального определения азота и углерода в растительных образцах при превращении твердой пробы в газах с помощью лазера // Журн.

Аналитической химии, Т.40, с.1456, 1985.

9. В.С.Аленичев, Н.Н.Гулецкий, З.Н.Комарова, С.В.Ошемков, А.А.Петров. О возможности анализа геологических проб при их атомизации излучением лазера непрерывного действия // Вестник ЛГУ, №22, с.86, 1983.

10. Б.Р.Кано, Е.ОР.Артамонова, С.В.Ошемков, А.А.Петров. Эффект матрицы при атомно-абсорбционном определении меди в силикатно-магнетитовых пробах при их атомизации излучением лазера непрерывного действия // Журн. Прикладной спектроскопии, Т.51, с.7, 1989.

11. Е.И.Ашихмина, Е.О.Артамонова, Н.Н.Гулецкий, А.А.Петров и др.

Многоэлементный лазерный анализатор монолитных проб // Приборы и системы управления, №6, с.45, 1999.

12. Е.О.Артамонова, С.В.Ошемков, А.А.Петров и др. Методы и аппаратура для лазерного аналитического контроля объектов окружающей среды // Экологические системы и приборы, №2, с.9, 2002.

13. О.Н.Ежов, С.В.Ошемков, А.А.Петров. Спектрометр для лазерно флуоресцентного анализа твердых проб при их лазерной атомизации // Вестник ЛГУ, №3, с.99, 1987.

14. О.Н.Ежов, С.В.Ошемков, А.А.Петров. О возможности лазерного локального и послойного анализа твердых проб с лазерно-флуоресцентным детектированием // Журн. прикладной спектроскопии, Т.49, с.309, 1988.

15. О.Н.Ежов, С.В.Ошемков, А.А.Петров. Лазерно-флуоресцентное определение свинца в геологических пробах при их испарении импульсным лазерным излучением // Журн. Прикладной спектроскопии, Т.56, с.394, 1992.

16. О.Н.Ежов, С.В.Ошемков, А.А.Петров. Локальное и послойное определение свинца в сталях лазерным атомно-флуоресцентным методом // Высокочистые вещества, №2, с.154, 1992.

17. А.А.Большаков, Н.В.Головенков, О.Н.Ежов, О.С.Лунев, С.В.Ошемков, А.А.Петров. Лазерно-флуоресцентный анализ с временной селекцией фона // Вестник С-ПбГУ, №4, с.28, 18. Д.О.Большухин, В.Е.Евтихеев, С.В.Ошемков, А.А.Петров. Лазерно-искровое эмиссионное определение металлов в газах// Вестник С-ПбГУ, №11, с.97, 1996.

19. Е.О.Артамонова, В.Е.Евтихеев, С.В.Ошемков, А.А.Петров и др. Методы и аппаратура для лазерного аналитического контроля объектов окружающей среды // Сборник «Лазерные исследования в Санкт-Петербургском государственном университете», вып.1, С.-П.б.: изд. РЦЛФ С-ПбГУ, ISBN 5 85987-024-8, с.288, 2001.

20. В.Е.Евтихеева, С.В.Ошемков, А.А.Петров. Разработка лазерно-эмиссионных методов анализа элементного состава аэрозолей атмосферы // Сборник «Физика лазеров», вып.14, С-Пб.: изд. РЦЛФ С-ПбГУ, ISBN 5-85987-013-2, с.14, 1996.

21. О.С.Лунев, С.В.Ошемков, А.А.Петров. О возможности лазерно флуоресцентного определения металлов в газах // Журн. Прикладной спектроскопии, Т.51, с.183, 1989.

22. Д.О.Большухин, В.Е.Евтихеев, О.С.Лунев, С.В.Ошемков, А.А.Петров.

Лазерно-искровая атомизация для определения следов элементов в воздухе // Материалы Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды». Томск: изд. ТГУ, с.43, 1995.

23. Д.О.Большухин, В.Е.Евтихеев, О.С.Лунев, С.В.Ошемков, А.А.Петров.

Лазерно-искровое определение металлов в газах // Вестник С-ПбГУ, №11, с.97, 1996.

24. А.А.Большаков, Н.В.Головенков, С.В.Ошемков, А.А.Петров. Определение малых концентраций неона в гелии при лазерном возбуждении флуоресценции в послесвечении разряда // Журн.прикладной спектрокопии, Т.48, с.896, 1988.

25. В.Б.Борисов, А.К.Ермаков, А.А.Соловьев. Возможности лазерного атомно абсорбционного определения примеси неона в гелии // Высокочистые вещества, №3, с.135, 1995.

26. Н.В.Бодров, А.М.Немец, С.В.Ошемков, А.А.Петров и др. Лазерно флуоресцентное определение паров металлов в графитовой кювет Журн.прикладной спектроскопии, Т.47, с.563, 1987.

27. Н.В.Головенков, С.В.Ошемков, А.А.Петров. Определение NO2 в газах с временным разделением флуоресценции и неселективно-рассеянного лазерного излучения // Журн.прикладной спектроскопии, Т.47, с.753, 1987.

28. В.М.Немец, А.А.Петров, Н.Р.Машьянов. Транспорт, экология, аналитика // Пути решения экологических проблем транспортных коридоров, С-Пб.: изд.

«Когерент», с.225, 2000.

29. С.В.Ошемков, А.А.Петров. Корреляционные связи – эффективное средство метрологического обеспечения лазерной спектроаналитики // Лазерные исследования в Санкт-Петербургском государственном университете, С-Пб.:

изд. НИИ РЦЛФ С-ПбГУ, вып.1, с.298, 2001.

30. В.Б.Борисов, А.С.Козлов, В.М.Немец, М.Н.Полянский, А.А.Соловьев.

Определение типов смесей сложных углеводородов при лазерно флуоресцентном анализе // Лазерные исследования в Санкт-Петербургском государственном университете, С-Пб.: изд. НИИ РЦЛФ С-ПбГУ, вып.2, с.375, 2003.

В.С. Егоров ОТ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ПЛАЗМЫ И ИМПУЛЬСНЫХ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАЗЕРОВ К ИСТОЧНИКАМ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ КООПЕРАТИВНЫХ ЭФФЕКТОВ В ОПТИЧЕСКИ ПЛОТНЫХ СРЕДАХ БЕЗ ИНВЕРСИИ ЗАСЕЛЕННОСТЕЙ С середины 50-х годов на кафедре Оптики по инициативе С.Э. Фриша и А.М. Шухтина были начаты работы по исследованию процессов в импульсном газовом разряде через инертные газы и пары металлов. Первоначально эти работы были связаны с желанием иметь новый тип источника возбуждения вещества для проведения измерений сил осцилляторов в условиях, отличных от термических в печи Кинга. Одновременно предполагалось, что такой источник будет полезен при решении задач систематики спектров в ультрафиолетовой области длин волн и создания новых методов спектрального анализа. В дальнейшем акценты исследования несколько сместились, и на первый план выдвинулись вопросы, связанные с формированием распределения заселенностей и степенью его отличия от равновесного и причинами такого отличия. Работы по решению этой фундаментальной проблемы велись достаточно широким фронтом – в них участвовало большое число сотрудников кафедры, аспирантов, студентов. Изучались различные типы возбуждения вещества, разные фазы этого возбуждения и даже качественно различные типы энергетических состояний атомов. Особенно «повезло» в этом отношении метастабильным состояниям атомов. Конечно, невозможно даже просто перечислить те существенные результаты, которые были получены на кафедре за годы исследования нестационарной плазмы. Поэтому я ограничусь лишь теми, в которых принимал участие, будучи сотрудником группы А.М. Шухтина в 50-х – 60-х годах и работая в составе лаборатории С.Э. Фриша в последующие годы.

Одним из наиболее важных, по-видимому, методических достижений ранней поры исследований нестационарной плазмы на кафедре Оптики явилась разработка так называемого «импульсного» метода крюков Рождественского.

Эта модификация метода с использованием импульсных источников сплошного спектра в долазерную эру (речь идет о 1957 годе) позволила получить фотографии крюков с временным разрешением менее 1 мкс, что, по описываемым временам, было очень хорошим результатом. В дальнейшем использование лазеров на красителях (впервые это сделал Г.К. Тумакаев в Физтехе при исследовании методом крюков ударных волн) позволило довести разрешение метода крюков до нескольких наносекунд.

Одним из конкретных результатов этого же времени (конец 50-х годов), полученных с помощью усовершенствованного таким образом метода крюков Рождественского, явилось открытие релаксационных (рекомбинационных) максимумов в заселении метастабильных состояний атомов инертных газов и паров металлов в первые моменты после прекращения импульсного разряда, на стадии его послесвечения. Впервые удалось получить величины концентраций метастабильных атомов порядка 1013 см-3. Эти значения на порядок величины превосходили характерные для стационарного тлеющего разряда концентрации.

Кроме того, сам факт существования релаксационных максимумов поставил на повестку дня вопрос о детальном изучении кинетики процессов с участием метастабильных атомов в плазме импульсного разряда. Эта проблема в дальнейшем была решена не только силами группы А.М. Шухтина, но не в последнюю очередь другими группами исследователей кафедры (работы С.Э. Фриша, О.П. Бочковой, И.П.Богдановой).

Исследование кинетики процессов с участием метастабильных атомов повлекло за собой необходимость детального изучения некоторых элементарных процессов с участием нейтральных и заряженных частиц в плазме – диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов инертных газов, ионно-молекулярных реакций и т.д. Здесь следует упомянуть работы по масс спектрометрии нестационарной плазмы, выполненные автором обзора совместно с А.А. Пастором, В.Б. Борисовым, Г.А. Плехоткиным, Н.А. Ашурбековым. В 70-х, 80-х годах упомянутые элементарные процессы интенсивно изучались не только вышеупомянутыми исследователями, но и сотрудниками лаборатории Физики плазмы Ю.Б. Голубовским, В.А. Ивановым, Н.Б. Колоколовым, В.М. Милениным. Руководил в то время лабораторией профессор Ю.М.Каган.

Возвращаясь к изложению результатов работы в группе А.М. Шухтина, следует отметить одно из первых в СССР наблюдение акустических колебаний и ударных волн в плазме импульсного разряда (Ю.Г. Козлов) и очень детальные, в экспериментальном и теоретическом отношении, результаты по кинетике заселенностей высоковозбужденных состояний атомов в условиях ударно-радиационной рекомбинации, прежде всего, в парах металлов (В.Н. Скребов).

Работы по нестационарной плазме. проведенные на кафедре Оптики в конце 50-х – начале 60-х годов получили весьма высокую оценку у научной общественности – помимо докторской диссертации А.М. Шухтина, кандидатских диссертаций его учеников, работа по модификации метода крюков Рождественского для исследования нестационарной плазмы (импульсный разряд, ударные волны) была представлена на Всемирной выставке в Брюсселе в 1958 г. в разделе научных достижений СССР, она была также удостоена Университетской премии 1963 года.

Появление квантовых оптических генераторов придало работам по нестационарной плазме и новое звучание, и новый импульс. Из общих соображений, следовавших, в том числе и из знаменитой заявки В.А. Фабриканта с соавторами, вытекало чрезвычайно перспективное использование импульсного разряда в целях создания активных сред газовых лазеров. Кафедра Оптики в конце 50-х – начале 60-х годов была вполне готова для того, чтобы принять участие в увлекательной и важной в практическом отношении работе по созданию активных сред газовых лазеров. Достаточно упомянуть работы С.Э. Фриша и О.П. Бочковой по ударам 2-го рода, работу Ю.М. Кагана, В.И. Переля и М.П.Чайки по оптическим усилителям, опыты с многоходовыми кюветами (предшественниками, в определенном смысле, лазерных резонаторов) и развитие их теории для увеличения чувствительности метода поглощения. Поэтому вполне естественным выглядит тот факт, что вскоре после появления в мировой литературе сообщения о создании импульсного газоразрядного лазера на смеси гелий-неон аналогичные результаты были получены в лаборатории А.М. Шухтина (В.С. Егоров, А.С. Тибилов). Следует подчеркнуть, что в методическом отношении эта работа являлась логическим продолжением исследований методом крюков распадающейся плазмы импульсного разряда в инертных газах.


Упомянутое выше исследование импульсного газоразрядного лазера на смеси гелий-неон явилось первой, но не последней работой, выполненной на кафедре по импульсным газоразрядным лазерам. Очень интересной (и, вообще говоря, недостаточно оцененной научной общественностью) работой является разработка лазера на смеси натрий-водород (А.С. Тибилов). Коэффициент усиления на одной из линий побочной серии натрия был столь велик, что в экспериментах наблюдалось интенсивное суперизлучение (генерация без резонатора). Это был один из первых опытов такого рода вообще.

Научный задел, полученный при исследовании импульсного разряда методом крюков, имел непосредственное отношение к увеличению эффективности работы импульсных газоразрядных лазеров. Речь идет о так называемом двойном импульсном возбуждении активной среды в лазерах на парах меди, создании значительных объемов активных сред для тугоплавких металлов и т.д.

В то же время (конец 60-х годов) на кафедре Оптики начались исследования, связанные с импульсными самозапирающимися лазерами на чистых инертных газах и их смесях. Уже несколько позже (в 70-е – 80-е годы) автором в лаборатории С.Э. Фриша (руководство которой после смерти С.Э. Фриша принял на себя Н.П.Пенкин) вместе с А.А. Пастором, П.Ю. Сердобинцевым, Н.Н Шубиным были проведены методом крюков исследования по кинетике процессов в импульсном поперечном разряде и, соответственно, изучение характеристик генерации в эксимерных лазерах.

Наконец, следует упомянуть изучение процессов в импульсном газоразрядном лазере на смеси неон-водород, в ходе которого были получены детальные сведения об элементарных процессах в плазме, ведущих к возникновению инверсной заселенности на одном из переходов красно-желтой серии неона – линии 585.2 нм (совместно с А.А. Пастором, В.В. Борисовым, Н.А. Ашурбековым) В ходе работы с импульсными самозапирающимися лазерами было обращено внимание на то, что длительность вспышки когерентного излучения, генерируемого этими лазерами, сравнима, или даже меньше, чем время фазовой когерентности состояний, при переходах между которыми возникают линии красно-желтой серии. Это обстоятельство послужило тем исходным пунктом, с которого началась длительная, не прекращающаяся и до сих пор работа по исследованию когерентного взаимодействия импульсов лазерного излучения с резонансно-поглощающими средами.

Первой работой в этом направлении на кафедре Оптики было исследование, выполненное автором этих воспоминаний совместно с Н.М.Зацерковнюк (Н.М. Реутовой). Оно было посвящено нелинейным эффектам, наблюдающимся при взаимодействии кратковременного импульса суперизлучения неона на линии 614.3 нм с резонансно-поглощающей (усиливающей) средой. При этом в ходе исследования наиболее интересные результаты были получены в отношении процессов, происходящих в самозапирающемся лазере на неоне. Впервые в истории газоразрядных лазеров было показано, что формирование импульса суперизлучения происходит вследствие возникновения коллективного спонтанного излучения – суперизлучения по Дике. Возникающий макроскопический квантовый ансамбль возбужденных атомов при этом ведет себя как единое целое, и свойства его резко отличаются от свойств индивидуальных частиц, образующих ансамбль.

Была изучена и последующая трансформация формы импульса супер излучения при распространении света через неоднородную в пространстве и времени резонансно-поглощающую плазму газового разряда в неоне. В принципе, зафиксированные в экспериментах изменения формы и спектра импульса суперизлучения находились, в большинстве случаев, в качественном согласии с созданной к тому времени теорией «самоиндуцированной прозрачности». Однако некоторые результаты явно выпадали из качественных предсказаний теории. В частности, был зафиксирован значительный (существенно больший теоретического) сдвиг несущей частоты импульса на выходе из поглощающей среды и получены весьма удивительные в то время результаты, говорящие о значительном ( в несколько сот раз) уменьшении скорости светового сигнала в поглощающей среде при его когерентном распространении. Справедливости ради, следует сказать, что это последнее явление не было, к сожалению, детально изучено.

Еще более разительные отступления от канонической теории самоинду цированной прозрачности были зафиксированы при фокусировке импульса суперизлучения в оптически плотную среду. Так же, как и в предыдущем опыте, резонансным поглотителем служил положительный столб тлеющего разряда, точнее, метастабильные атомы в положительном столбе. Наблюденный эффект заключался в том, что при определенных условиях возникало явление, названное нами «сверхпрозрачностью». В среде с оптической плотностью более 100, когда, в условиях линейного взаимодействия света с веществом, излучение просто не проходит через поглотитель, а при учете известных в то время нелинейных эффектов излучение должно было ослабляться в десятки раз, интенсивность импульса на выходе оказывалась всего в четыре раза меньше, чем на входе (т.е. амплитуда его уменьшалась всего вдвое). Связано это было с возникновением очень сильного сдвига несущей частоты импульса в красную (стоксову) область спектра.

Явление сверхпрозрачности привлекло внимание теоретиков – лазерщиков, (Э.Е. Фрадкин, В.В. Козлов) и в сотрудничестве с ними появилась оригинальная теория распространение трехмерного солитона в оптически плотных резонансных средах – так называемая дисперсионно-дифракционная теория распространения и устойчивости солитона. Тем не менее, явление сверхпрозрачности ждет еще своего детального исследования и вызывает огромный интерес, обусловленный потребностью в решении ряда принципиальных моментов распространения оптических импульсов в виде «оптических пуль» и «игл». Сегодня – это один из наиболее актуальных вопросов и теории, и практики применения лазерных импульсов в устройствах связи.

Некоторые особенности самозапирающегося импульсного лазера на неоне, в частности, возможность получения генерации одновременно на нескольких линиях красно-желтой серии, позволил в последние годы провести ряд интересных экспериментов по наблюдению усиления света в средах без инверсии заселенностей, т.е. поглощающих в приближении линейной оптики.

Этот эффект лежит в основе существования так называемых лазеров без инверсии заселенностей. Возникновение усиления в подобных средах возможно только в многоуровневых квантовых системах и обусловлено явлением квантовой интерференции состояний.

Эксперимент, выполненный совместно с Э.Е. Фрадкиным, Н.М. Реутовой, В.В. Козловым, П.Ю. Сердобинцевым и Н.В. Денисовой проводился с использованием так называемой 3-уровневой V-образной схемы на двух линиях красно-желтой серии неона, имеющих общий нижний уровень.

Действительно, удалось наблюдать усиление на линии 594.5 нм при накачке излучением с длиной волны 614.3 нм.

Наряду с вышеупомянутыми работами по исследованию когерентного распространения импульса суперизлучения в резонансных поглощающих средах, на кафедре Оптики развивается направление, которое в последние годы является доминирующим в работах автора воспоминаний. Речь идет о совершенно новом для лазерной физике разделе – источниках когерентного излучения, основанных на кооперативных эффектах взаимодействия поля с веществом в резонансных, оптически плотных средах без инверсии заселенностей (источники излучения с сильной связью э/м поле – среда). Начало этому направлению было положено изучением некоторых особенностей использования для диагностики нестационарной плазмы метода лазерной спектроскопии с применением широкополосного усилителя и поглощающей среды с узкой линией поглощения, помещенных внутри резонатора (метод внутрирезонаторной лазерной спектроскопии). В основе теории метода лежали достаточно простые и физически ясные представления о том, что генерация света при наличии в резонаторе широкополосного усилителя будет развиваться одинаково везде в широких спектральных областях, за исключением узких линий поглощения вещества. Излучение тогда должно иметь сплошной спектр с отсутствующими узкими линиями, совпадающими с линиями поглощения.

Реальность же оказалась более сложной. Одним из наиболее ярких проявлений отступления от простой картины являются особенности, связанные с эффектом «конденсации» спектра генерации широкополосного лазера вблизи сильных линий поглощения вещества, проявляющимся в увеличении мощности генерации в этих областях.

Несмотря на то, что само явление конденсации спектра было известно довольно давно, какого-либо адекватного и последовательного его объяснения не существовало. Проведенное нами детальное исследование явления, как в условиях внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, так и в условиях свободного пространства (в последнем случае исследовалась не конденсация спектра, а особенности спектра усиления вблизи сильных линий поглощения вещества) позволило нам сформулировать новый принцип, лежащий в основе работы таких источников когерентного излучения. Главной его идеей явились представления о параметрическом возбуждении кооперативных явлений взаимодействия электромагнитного поля и вещества в протяженных оптически плотных резонансных двухуровневых системах без инверсии заселенностей.

Рассматриваемые явления относятся к наиболее принципиальным проблемам взаимодействия света и вещества. Исторически сложилось так, что лазерная физика исследовала, прежде всего, ситуации, в которых существование коллективных эффектов в излучении связывалось с наличием сильной инверсии заселенностей (суперизлучение по Дике). Между тем, уже в ряде ранних работ по изучению процессов переноса резонансного излучения в оптически плотных поглощающих средах и по взаимодействию поля с веществом в резонаторе, заполненном оптически плотной средой без инверсии заселенностей, была отмечена такая характерная для кооперативных явлений особенность, как перманентный обмен энергией между полем и веществом, наиболее ярко проявляющийся в отсутствии диссипативных процессов и наличии сильной связи поле – вещество. Нами (работа проводилась совместно с И.А. Чехониным, В.В. Васильевым, А.Н. Федоровым, П.В. Морошкиным, И.М. Меховым;


ряд экспериментов был выполнен совместно с Э. Кинделем в его лаборатории в Институте низкотемпературной плазмы Университета города Грейфсвальда в Германии;

особо следует подчеркнуть при ее выполнении роль академика С.Н. Багаева, без всесторонней поддержки которого это исследование вряд ли бы состоялось) была доказана принципиальная возможность параметрического возбуждения таких явлений при выполнении определенных условий, относящихся к характеристикам среды, мощности оптической накачки, ее спектральному составу, присутствию резонатора и т.д.

Хотелось бы отметить, что исследования взаимодействия когерентного излучения с оптически плотными средами в условиях существования кооперативных эффектов открывают новые перспективы в развитии лазерной физики, так как напрямую связаны с такими ее разделами как квантовая электродинамика резонаторов («вакуумное расщепление Раби»), ультрамедленным распространением светового сигнала в оптически плотных средах, специальными квантовыми состояниями поля и вещества («сжатые состояния», «перепутанные состояния»). Параметрически возбуждаемые кооперативные системы без инверсии заселенности («кооперативный лазер») являются потенциальными источниками когерентного излучения с неклассическим уровнем шума, источниками ультракоротких импульсов когерентного излучения с, возможно, ультрастабильными характеристикам и т.д. Особый интерес вызывает проблема возникновения в указанных условиях нового фазового состояния вещества – так называемого Бозе – Эйнштейновского поляритонного конденсата при комнатной температуре.

БИБЛИОГРАФИЯ 1. А.М.Шухтин, В.С.Егоров, Наблюдение аномальной дисперсии по методу крюков Д.С.Рождественского при импульсном разряде в неоне. Вестн.ЛГУ, вып.3, N 16, 64 – 69, 2. В.С.Егоров, А.М.Шухтин Послесвечение и его связь с плотностью газа при импульсном разряде в неоне. Опт.и спектр. 9, 791 - 792, 3. В.С.Егоров, Ю.Г.Козлов, А.М.Шухтин, О концентрациях возбужденных атомов при импульсном разряде в гелии. Опт. и спектр. 17, 154 – 156, 4. В.С.Егоров, Ю.Г.Козлов, А.М.Шухтин, О концентрациях возбужденных атомов при импульсном разряде в смеси гелий – неон, Опт.и спектр. 15., – 841, 5. В.С.Егоров, В.Н.Скребов, А.М.Шухтин, О концентрациях возбужденных атомов при импульсном разряде в парах ртути, Опт. и спектр., 26, 9 – 13, 6. В.С.Егоров, А.А.Пастор, Г.А.Плехоткин Установка с квадрупольным масс спектрометром для диагностики плазмы по массам заряженных частиц.

Вестн.ЛГУ, N 16, 69 – 72 7.,В.С.Егоров, А.А.Пастор, О влиянии ионно – молекулярных реакций на характер послесаечения разряда в смеси неон – водород, Вестн.ЛГУ. N 22 – 52, 8. В.С.Егоров, А.А.Пастор, Влияние реакций с участием молекулярных ионов на характер послесвкчения разряда, В кн. Спектроскопия газоразрядной плазмы, вып.1, Изд-во ЛГУ, 80 – 104, 9. Н.А.Ашурбеков, В.С.Егоров, В.Б.Борисов, Исследование процессов релаксации заселенностей возбужденных состояний в плазме мощного импульсного наносекундного разряда в неоне, Вестн.ЛГУ.N 16, 85 – 89, 10. В.Б.Борисов, В.С.Егоров, Н.М.Зацерковнюк, А.А.Пастор, М.Э.Фарес, Масс спектроскопические исследования процесса образования молекулярных ионов гелия в стадии распада плазмы импульсного разряда,ЖТФ,49,1418 – 1424, 11. В.С.Егоров, Молекулярные ионы инертных газов в плазме импульсного разряда. В кн. Химия плазмы. Изд-во Атомиздат,М.187 – 218, 12. В.С.Егоров, А.С.Тибилов Некоторые замечания по поводу процессов в распадающейся плазме импульсного разряда на смеси гелий-неон в условиях генерации. Опт.и спектр. Т.18, стр.719 – 721, 13. В.С.Егоров. Г.А.Плехоткин. Импульсный разряд в неоне, обладающий суперизлучением, как источник света в методе поглощения. Опт. и спектр..

т.26 стр.515 –518, 14. В.С.Егоров, А.А.Пастор, П.Ю.Сердобинцев, Спектроскопическое исследование методом поглощения импульсного поперечного разряда в неоне с наносекундным временным разрешением. Вестн. ЛГУ.N16,стр.101 – 103, 15. В.С.Егоров, Н.М.Зацерковнюк, А.А.Пастор, Г.А.Плехоткин. К вопросу о взаимодействии кратковременного импульса суперизлучения с резонансно поглощающей средой. Опт. и спектр. Т.30,стр.1170-1173., 1971.

16. В.С.Егоров, Н.М.Зацерковнюк, И.Г.Вольфовский Изменение спектра импульса суперизлучения при взаимодействии с резонансно поглощающей плазмой положительного столба тлеющего разряда. Опт. и спектр. Т.43, стр.571 – 573. 17. В.С.Егоров, Н.М.Зацерковнюк, А.А.Пастор Исследование изменения формы импульса суперизлучения неона при его распространении через резонансно поглощающую среду. Опт.и спектр. Т.44, стр.431 – 435, 18. В.С.Егоров, Н.М.Зацерковнюк Исследование характеристик суперизлучения неона на длине волны 614,3 нм при импульсном разряде в капилляре. Опт.и спектр.т.50, стр.859 – 864. 1981.

19. В.С.Егоров, И.А.Чехонин Эффекты комбинационного рассеяния при резонансном возбуждении в опытах по внутрирезонаторной спектроскопии.

Опт.и спектр. Т.53, стр. 784 – 786, 20. В.В.Васильев, В.С.Егоров, И.А.Чехонин Параметрическое возбуждение кооперативных эффектов в опытах по внутрирезонаторной спектроскопии.

Опт.и спектр. Т.58, стр.944 – 946, 1985.

21. В.В.Васильев, В.С.Егоров, И.А.Чехонин Стационарные волны при конденсации спектра в опытах по внутрирезонаторной спектроскопии Опт. и спектр. Т.60, стр.664 – 667. 22. В.С.Егоров, И.А.Чехонин, Н.Н. Шубин, Эффекты кооперативной самодифракции света: оптическая мультивибрация и светоиндуцированное переключение резонансной среды в метастабильное состояние, Опт.и спектрю т.62, стр. 853-859. 23. В.С.Егоров, Н.М.Реутова Об особенностях когерентного распространения импульса суперизлучения через оптически плотную резонансную поглощающую среду. Опт. и спектр. Т.66, стр. 1231 – 1235, 24. В.В.Васильев, В.С.Егоров, И.А.Чехонин, Исследование явления конденсации спектра генерации при внутрирезонаторной лазерной накачке вещества. Опт. и спектр. Т.70. Стр. 897 – 901. 1991.

25. В.С.Егоров, А.Н.Федоров, И.А.Чехонин Кооперативное излучение вблизи ОВФ зеркала. Опт. и спектр. Т.72. стр. 349 – 352. 1992.

26. В.С.Егоров, И.А.Чехонин, А.Н.Федоров. Нестационарное двухволновое взаимодействие в оптически плотных резонансных поглощающих средах Опт. и спектр. Т.73, Стр. 102 – 107, 1992.

27. В.В.Васильев, В.С.Егоров, А.Н.Федоров, И.А.Чехонин., Лазеры и лазерные системы на основе кооперативных эффектов в оптически плотных резонансных средах без инверсии заселенностей. Опт. и спектр.Т.76, Стр.

146 –160, 1994.

28. V.S.Egorov, A.N.Fedorov, I,A,Chekhonin, Cooperative phenomena in the optically dense resonant inversionless media as a new method for generation of the USP coherent radiation. В книге «Modern problems of laser physics»,MPLP 95, Novosibirsk, Aug.28 – Sept.2, 1995 Изд-во СО РАН, Новосибирск, стр. – 149, 1996.

29. В.С.Егоров, Н.М.Реутова, В.В.Козлов, Э.Е.Фрадкин Эффект сверхпрозрачности ЖЭТФ. Т.110, вып.5, стр.1688 – 1711. 30. В.С.Егоров, Н.В.Денисова, В.В.Козлов, Н.М.Реутова, П.Ю.Сердобинцев, Э.Е.Фрадкин Безинверсное усиление при совместном распространении когерентных импульсов света в оптически плотной трехуровневой среде.

ЖЭТФ, Т.113, вып.1. 31. С.Н.Багаев, В.С.Егоров, П.В.Морошкин, А.Н.Федоров, И.А.Чехонин Усиление и генерация в двухуровневых оптически плотных резонансных средах без инверсии заселенностей на основе кооперативных явлений при взаимодействии света и вещества Опт. и спектр. Т.86, вып.6, стр. 912 – 917.

32. С.Н.Багаев, В.С.Егоров, И.Б.Мехов, П.В.Морошкин, И.А.Чехонин Параметрические коллективные явления при распространении полихроматического лазерного импульса в оптически плотной резонансной среде без инверсии заселенностей. Опт.и спектр. Т. 93, вып.6, стр.955 – 962, 33. С.Н.Багаев, В.С.Егоров, И.Б.Мехов, П.В.Морошкин, И.А.Чехонин, Е.М.Давлятшин, Е.Киндель Нестационарное параметрическое усиление полихроматического излучения, распространяющегося в протяженной поглощающей, резонансной среде Опт. и спектр. Т.94, стр. 92 –98, 34. S.N.Bagayev, V.S.Egorov, I.B.Mechov, P.V.Moroshkin, I.A.Chekhonin, E.M.Davljatshin, E.Kindel Resonant nonstationary amplification of polychromatic laser pulses and conical emission in an optically dense ensemble of neon metastable atoms. Phys.Rev.A, vol.68, p.p.043812-10, А.Н. Ключарев ФОТОРЕЗОНАНСНАЯ ПЛАЗМА:

ИСТОРИЯ, СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ Интерес к исследованию ионизации с участием оптически возбужденных атомов в отделе Оптики и спектроскопии НИИ Физики и на кафедре Оптики физического факультета ЛГУ начался с публикации в ведущем советском научном журнале "Экспериментальная и Теоретическая Физика" в 1967 году статьи украинских физиков Н.Д. Моргулиса, Ю.П. Корчевого, А.М. Пржонского "Получение цезиевой плазмы методом облучения резонансной радиацией и некоторые ее физические свойства" [1]. До этого было известно, что, приложив к межэлектродному промежутку с газом постоянную разность потенциалов, можно наблюдать явление электрического пробоя промежутка, сопровождающееся образованием низкотемпературной газовой плазмы (НТП).

Исследования НТП традиционно составляло содержание обширного раздела физики – физики газоразрядной плазмы.

Сам факт протекания электрического тока через объем с газом не является обязательным условием существования плазмы – хорошо известны, например, случаи ионизации вещества в газовой фазе под воздействием переменных электрического и электромагнитных полей в высокочастотном, сверхвысокочастотном и оптическом диапазонах частот.

Явление пробоя газа сфокусированным излучением твердотельных лазеров с модулированной добротностью и пиковой мощностью в десятки мегаватт впервые наблюдалось в 1963 году. В последнем случае для получения интенсивностей ионизирующего излучения порядка 105 МВт/см2, соответствующих гигантским значениям напряженности поля световой волны 106-107 В/см, требовалась фокусировка луча лазера, работающего в режиме гигантского импульса в кружок диаметром 10-2 см. Заметим, что развитие электронной лавины ионизации под воздействием интенсивного светового излучения по своей природе мало отличается от явления пробоя в полях другого типа. При использовании наносекундных и более длительных лазерных импульсов при давлении газа 10-1 10-2 мм рт.ст., первичные "затравочные" электроны образуются за счет процесса многофотонной ионизации атомов, явление пробоя при увеличении частоты электромагнитного (светового) поля смыкается с явлением пробоя СВЧ-полем.

Для промежуточных значений частот в обоих случаях наблюдается общность законов подобия (Ю.П. Райзер, 1987 г. [2]).

К началу семидесятых годов XX столетия был также известен более экзотичный способ образования бестоковой плазмы в магнитном поле, основанный на поверхностной ионизации атомов, так называемая Q-машина (см., например, А.Н. Ключарев, Н.Н. Безуглов 1983 г. [3]). В установке такого типа реализуется специфический случай термодинамического равновесия:

температура поверхности пластин ионизатора и температура заряженных частиц совпадает, что сближает Q-машину с установками типа печи Кинга как больцмановского излучателя с температурой, совпадающей с температурой нагретой стенки.

К моменту публикации работы украинских физиков в научной группе, руководимой член-корреспондентом АН СССР С.Э. Фришем, при участии автора были начаты работы по фотовозбуждению паров щелочных металлов в рамках весьма актуальной тогда проблемы получения инверсной заселенности в возбужденных газовых средах. Используемые при этом экспериментальные установки, в принципе, не отличались от однотипных установок киевской группы физиков за одним исключением: киевлян интересовали исключительно электрокинетические характеристики оптически возбуждаемой щелочной среды, а ленинградская группа располагала, помимо этого, возможностью проведения оптических измерений. Таким образом, объект исследований оказался нам хорошо знакомым. Тем самым было положено начало нашим исследованиям, поставленным по инициативе С.Э. Фриша в конце 60-х годов и успешно продолжающимся до сегодняшнего дня в смежных областях оптики, физики низкотемпературной плазмы, переноса резонансного излучения и элементарных процессов.

В отличие от приоритетных задач чисто лазерных тематик нас интересовал промежуточный диапазон напряженностей полей облучения, когда, с одной стороны, еще не могли появиться процессы многофотонной ионизации атомов с высокими степенями нелинейности, но, с другой стороны, процессы с участием оптически возбужденных атомов существенным образом могли менять свойства самой среды.

Подобная ситуация как раз характерна для условий эксперимента, выполненного в группе Н.Д. Моргулиса, авторы которого и ввели в литературу термин "плазма резонансного излучения" или "фоторезонансная плазма".

Понятие "фоторезонансная плазма" является частным случаем бестоковой фотоплазмы, механизм ионизации в которой не обусловлен столкновениями в силовом поле источника облучения. Тем самым, помимо очевидного случая газоразрядной плазмы, можно провести строгую грань и по отношению к явлениям лазерного пробоя и непрерывного оптического разряда, поддерживаемого мощным лазерным излучением.

Для полноты изложения укажем, что существовали еще более ранние работы Молера и Бекнера (см. А.Н. Ключарев, Н.Н. Безуглов 1983 г.), в которых было зарегистрировано увеличение тока диода с накаливаемым катодом в парах цезия под действием облучения диода светом спектральных линий главной серии CsI. Как показал цикл исследований, выполненный автором совместно с Н.С. Рязановым, в названных выше работах мы имеем дело с типичным случаем оптогальванической спектроскопии, регистрирующей факт поглощения кванта света по изменению электрических характеристик газоразрядного промежутка, облучаемого светом.

Поскольку неотъемлемой частью рассмотрения фотопроцессов ионизации на количественном уровне являются вопросы, связанные с характеристиками самой оптически возбужденной среды, мы не могли рассматривать стадию ионизации в отрыве от стадии фотовозбуждения. Это обстоятельство и обусловило направление дальнейших исследований.

Знание вероятностей оптических переходов лежит в основе любого анализа процессов с участием возбужденных атомов. Несмотря на то, что литература на эту тему к началу наших исследований насчитывала не один десяток работ, вопрос о силах осцилляторов для переходов в побочных и главных сериях щелочных атомов оставался нерешенным. Поэтому при оптической диагностике нам приходилось использовать результаты специально поставленных экспериментов и расчетов вероятностей оптических переходов в щелочных атомах (А.З. Девдариани, А.Н. Ключарев, 1979 г. [4]).

При оптическом возбуждении атомов в резонансные (первые возбужденные) состояния существенную роль играют эффекты пленения излучения, и при больших значениях оптических толщин среды первично возбужденные атомы сосредоточены около поверхности облучаемой кюветы.

Начало нашей работы по возбуждению оптически плотных сред – типичных условиях существования фоторезонансной плазмы, вызвало оживленную дискуссию по поводу того, что на границе оптически плотной среды излучение будет "переизлучено назад". Итогом таких дискуссий явилась постановка экспериментальных и теоретических работ по определению параметров возбуж денных оптически плотных сред (А.Н. Ключарев, Н.Н. Безуглов, 1983 г.).

Итогом проведенного анализа был вывод о том, что при возбуждении среды конечных размеров в режиме переноса излучения может быть сформировано равномерное по объему распределение возбужденных атомов с максвелловским характером распределения по скоростям и концентрацией по порядку величины равной концентрации первично возбужденных атомов в пристеночном слое. Полученные результаты были в дальнейшем успешно использованы при объяснении отмеченного в эксперименте эффекта увеличения электропроводимости канала МГД-преобразователя энергии при впрыскивании в него щелочного металла – работы, проводимые в 80-е годы отделом Оптики и спектроскопии НИИ Физики совместно с Государственным институтом Прикладной Химии. В итоге совместной работы были разработаны модельные представления о природе оптических и электрокинетических характеристиках проводящей среды в рамках представлений о локальных источниках ионизации – фотоплазмы в паровом слое, окружающем испаряющиеся капли металла.

Наши теоретические и экспериментальные исследования показали, что оптическое возбуждение в режиме переноса излучения может быть корректно применено для количественного исследования процессов столкновительной ионизации с участием оптически возбужденных атомов. Заметим, что откликом резонансно-поглощающей оптически плотной среды в этом случае является излучение в области далеких крыльев самоуширенных линий – центральная часть линии сильно реабсорбирована. Это позволило, в частности, использовать метод флуоресценции для исследования профиля сателлитов самоуширенных резонансных линий – до того времени такие исследования проводились только по методу поглощения (А.Н. Ключарев, Н.Н. Безуглов, 1983 г.).

Экспериментальная установка для определения константы ионизации при парных столкновениях атомов цезия в первых (резонансных) возбужденных состояниях, описанная в наших первых работах (А.Н. Ключарев, Н.С. Рязанов, 1972 г., [6]), была также применена для экспериментального определения сечения фотоионизации с резонансно-возбужденных уровней атома цезия.

Процессы фотоионизации атома более просты для теоретического исследования, чем процессы столкновительной ионизации, поэтому для них существовали достаточно надежные теоретические значения соответствующих сечений. Сравнение полученных экспериментальных и теоретических данных по фотоионизации резонансно-возбужденных атомов цезия показали их хорошее согласие, что, в свою очередь, свидетельствовало и о достоверности получаемых в тех же условиях результатов по константам элементарных ионизационных процессов соответствующих начальному этапу развития фотоплазмы. Заметим, что полученные нами сечения фотоионизации резонан сно-возбужденных атомов цезия (А.Н. Ключарев, Н.С. Рязанов, 1972 г.) и рубидия оказались первыми прямыми измерениями сечений фотоионизации атомов в излучающих состояниях.

Разработанные на начальных этапах экспериментальные установки для исследования образования фоторезонансной плазмы были затем с некоторыми модификациями использованы при изучении ассоциативной ионизации при парных столкновениях резонансно-возбужденных атомов рубидия, калия, натрия (А.Н. Ключарев, В.Ю. Сепман, В. Вуйнович, 1977 г. [7]) и ридберговских атомов щелочных металлов (А.З. Девдариани, А.Н. Ключарев, А.В. Лазаренко, В.А. Шеверев, 1978 г. [8]), а также нижних триплетных состояний атомов кадмия и ртути, заселяемых при комбинациях оптически и столкновительных переходов.

Отметим, что в дальнейшем ионизационные процессы с участием метастабильного состояния 63Р0 атома ртути, играющих роль аккумулятора энергии первичного возбуждения 63Р1 атомов, были использованы как канал эффективной фотопредыонизации самостоятельного объемного разряда в азоте при давлениях порядка атмосферного (см. монографию А.Н. Ключарева, М.Л. Янсона, 1988 г., [5]).



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 9 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.