Центр теоретической физики САФУ им. М.В. Ломоносова

Элементарные процессы с участием экзотических атомов

Ловушки и накопители экзотических атомов и их компонентов

Использование интенсивных электромагнитных полей для управления экзотическими атомами и их компонентами

Научно-образовательный курс для школьников и школьных учителей школьных учителей по новейшим направлениям физики и технологий(4 часа лекций)

Представлены методы управления накоплением и удерживанием экзотических атомов и их компонентов в накопителях и ловушках с использованием интенсивных электромагнитных полей, включая поля лазерных импульсов.

Разработка (без финансового обеспечения за счет средств Программы) в рамках работ по Соглашению от «21» сентября 2012 г. № 14.A18.21.1302по теме "Исследование процессов с экзотическими атомами и их компонентами в накопителях и ловушках с использованием интенсивных электромагнитных полей"

После создания лазеров сразу же возникла идея использовать их для получения коротких интенсивных импульсов света, тем более, что первый лазер на рубине уже испускал излучение в виде импульсов. Правда, эти импульсы представляли собой беспорядочную последовательность. Усилия в этом направлении оказались очень плодотворными, и они, в конце концов, привели к созданию уникальных источников импульсов – фемтосекундных лазеров.

            При рассмотрении методов генерации излучения в виде импульсов, можно выделить самые общие принципы получения коротких импульсов света.

Под ультракороткими импульсами понимаются импульсы, длительность которых меньше характерных периодов времени для атома-мишени.

Если такой импульс сфокусировать на площадку с радиусом 10 мкм, то интенсивность излучения достигнет 3*1020 Вт/см2, а напряженность электрического поля при этом будет порядка 1012 В/см.

Чтобы понять, насколько велико это поле, сравним его с теми полями, которые существуют внутри атомов. Напряженность электрического поля в атоме водорода, благодаря которому электрон удерживается около ядра, составляет около 5*109 В/см. Для сравнения: пробой такого хорошего изолятора, как слюда, происходит при 2*106 В/см.

В силу своей специфики ультракороткие импульсы на сегодняшний день являются одними из самых популярных объектов в атомной физике. Их действие на атомы носит встряскообразный характер и не осложнено длительным процессом временной эволюции и перестройки атомных состояний. Достигнутые в экспериментальной технике возможности генерации таких импульсов очень велики.

Генерация таких мощных коротких световых импульсов стала возможной после создания в 1985 г. американскими учеными лазеров специального типа, получивших теперь название СРА-лазеров (от англ. chirppulseamplification - усиление импульса с плавно изменяющейся частотой). В данных словах заложен принцип работы лазеров. СРА-лазер состоит из четырех блоков: генератор, растяжитель, усилитель и компрессор. Схематически это показано на рис.1.

LASER00

Рис.1.Принцип работы СРА-лазера.

Генератор - это обычный импульсный лазер, который создает ультракороткие импульсы малой мощности. Обычно длительность таких импульсов составляет десятки-сотни фемтосекунд. Энергия, которая содержится в импульсе, на уровне 10-6 Дж.

Из генератора такой короткий и слабый импульс поступает в устройство, которое называется «растяжитель», где он растягивается в тысячи раз. Здесь как раз и закладывается та ключевая особенность лазерного импульса, на которой основана работа СРА-лазеров. Импульс растягивается таким образом, чтобы частота излучения плавно изменялась по его длине. Изменение длины волны излучения от начала импульса к его концу обычно не столь уж велико и составляет доли процента.

Такой растянутый импульс поступает в усилитель - активную среду, атомы которой находятся в возбужденном состоянии. Проходя через эту среду, импульс переводит их в нормальное, невозбужденное состояние и собирает энергию атомов. В результате энергия импульса возрастает во много раз, хотя плотность энергии остается достаточно низкой за счет большой длины импульса.

После этого длинный импульс, обладающий большой энергией, поступает в устройство, которое называется компрессор. Задача последнего состоит в том, чтобы снова сжать импульс до его первоначальной длины. Достигается это за счет эффекта, обратного тому, благодаря которому импульс был растянут.

К концу 90-х гг. ХХ века была обработана техника  генерации предельно коротких (длительностью в 2-3 периода оптического поля, т.е. порядка 5 фс) фемтосекундных импульсов.

Важным моментом в получении ультракоротких импульсов является дальнейшее уменьшение длительности (компрессия) сгенерированного светового импульса с помощью специальных приемов. В процессе компрессии можно выделить два основных этапа - спектральное уширение и собственно сжатие импульса. Предельно малая длительность оптического импульса вследствие существования соотношения неопределенности связана с его энергетической шириной: чем меньше длительность импульса, тем большую энергетическую ширину он имеет. Поэтому спектральное уширение является необходимым условием для уменьшения длительности импульса. Однако само по себе спектральное уширение автоматически не ведет к укорочению импульса.

Если оптический импульс достаточно мощен и хорошо сфокусирован (плотность мощности порядка 1015 Вт/см2 и выше), то напряженность электрического поля, действующего на атомы, становится сопоставима с внутриатомным электрическим полем (порядка 109 В/см), т.е. становится достаточной, чтобы вызвать ионизацию атома за счет подавления кулоновского барьера. Освобожденный из атома электрон совершает колебательное движение в поле лазерного импульса; поскольку поле сильно, электрон может приобретать при этом большую кинетическую энергию. Ускоренный электрическим полем электрон испытывает соударения с атомами (в достаточно разреженных газах, как правило, с «родительскими ионами» - атомами, из которых он был выбит). При столкновениях достаточно высокоэнергетичных электронов с ионами имеет место тормозное излучение - электрон теряет энергию, излучая кванты электромагнитного поля (их энергия ограничена сверху максимально возможной энергией налетающего на ион электрона). В результате за короткое время (много меньшее оптического периода возбуждающего импульса) происходит генерация коротковолнового излучения. С помощью наборов фильтров или зеркал из широкого спектра высокочастотного излучения может быть выделена требуемая гармоника - импульс коротковолнового излучения с длительностью менее 1 фс.

Излучение с достаточно высокой энергией может выбить электрон с внутренних электронных оболочек атома. В этом случае говорят, что на внутренней электронной оболочке образуется вакансия. Такое состояние неустойчиво и электронная подсистема стремиться минимизировать энергию за счет заполнения вакансии электроном с одного из вышележащих уровней энергии атома. Выделяющаяся при переходе на нижележащий уровень энергия может быть испущена в виде кванта характеристического рентгеновского излучения либо передана третьему электрону, который покидает атом. Первый процесс более вероятен при энергии связи электрона, превышающей 1 кэВ, второй - для легких атомов и энергии связи электрона, не превышающей 1 кэВ. Большие энергии связи характерны для внутренних электронов тяжелых атомов.

Второй процесс называется эффектом Оже, а электрон, которому был передан избыток энергии, - оже-электроном. Энергия оже-электрона не зависит от энергии возбуждающего излучения, а определяется структурой энергетических уровней атома. Вследствие конечности времени жизни атома в возбужденном состоянии существует некоторый разброс энергий оже-электронов. Регистрируя энергетический спектр оже-электронов, можно, соответственно, получать информацию о временах жизни вакансий на внутренних электронных оболочках. Необходимым условием для временных измерений является малость длительности ионизующего импульса по сравнению с характерным временем релаксации, поэтому для исследования динамики электронных процессов на внутренних оболочках необходимо использовать аттосекундные импульсы [1].

1.2. Применение ультракороткого импульса

Новейшие достижения в области генерации ультракоротких импульсов (УКИ):

·            минимальная длительность импульсов непосредственно от генератора ~ 5 фс на длине волны 780 нм (т.е. менее 2 периодов световой волны); ~  0,7 фс равна 700 ас  при преобразовании в мягкое рентгеновское излучение с длиной волны 14 нм (энергия кванта около 90 эВ);

·            максимальная интенсивность ~ 1021 Вт/см2 , этой интенсивности соответствует напряженность электрического поля ~ 1012 В/см и давление света ~ 300 Гбар (для сравнения напряженность электрического поля в атоме Бора ~ 5×109 В/см, а давление внутри Солнца около 100 Гбар);

·            возможность перекрытия столь огромного диапазона обусловлена тем, что высокие мощности и интенсивности, присущие лазерам УКИ, обеспечивают высокие эффективности нелинейных эффектов преобразования частоты;

·            возможность генерации непрерывной, строго периодической последовательности (цуга) фемтосекундных импульсов с плавной регулировкой частоты следования. Это, во-первых, позволяет осуществлять точную синхронизацию лазерного ультракороткого импульса с внешними устройствами. При взаимодействии светового излучения со сверхвысокими напряженностями электрического поля и электронов, ускоренными до энергии в десятки ГэВ, электрон за счет релятивистских эффектов оказывается в электрическом поле, напряженность которого может достигать критического уровня квантовой электродинамики 2m2c3/eh = 1,3×1016 В/см, при которой происходит рождение электрон-позитронных пар. Во-вторых, строго периодическая последовательность импульсов означает, что излучение состоит из гребенки эквидистантно расположенных частот с интервалом, равным частоте следования, и простирающейся на интервал, приблизительно равный обратной длительности УКИ. Иными словами, лазер, испускающий такую последовательность импульсов, генерирует одновременно множество узкополосных линий с частотами с определенным интервалом между ними и с постоянной амплитудой, причем этот интервал можно регулировать. Удалось создать оптические часы с точностью 6,7×10-16 за 1с и продемонстрировать передачу на расстояние около 100 км информацию со скоростью, превышающей 1Тбит/с.

При интенсивности лазерного излучения, превышающей 1018 Вт/см2, скорость движущегося в лазерном поле электрона становится сравнимой со скоростью света. Если интенсивность составляет 3*1020 Вт/см2, то энергия электрона приблизительно равна 5 МэВ. Электрон с такой энергией пролетая в окрестности ядра, излучает g-кванты с энергией в несколько МэВ. Именно эти g-кванты и взаимодействуют с ядром, вызывая так называемые фотоядерные реакции. Обычно в результате такого взаимодействия g-квант выбивает из ядра нейтрон. Образовавшееся ядро соответствует изотопу исходного элемента и, как правило, через какое-то время распадается. Измеряя характеристики продуктов распада, можно удостовериться в том, что произошла фотоядерная реакция. Возможность инициирования ядерных реакций с помощью лазеров привлекательна и с экологической точки зрения. С помощью фотоядерных реакций долгоживущие радиоактивные элементы могут быть преобразованы в их короткоживущие изотопы.

Следует также отметить возможность интерпретации поля ультрарелятивистского многозарядного иона как поля ультракороткого импульса.

Учёные из США, Германии и Швеции во главе с Генри Чепменом (HenryChapman) из Ливерморской национальной лаборатории и ЯносомХайду (JanosHajdu) из университета Упсалы научились фотографировать тела нанометрового масштаба при помощи мощного ультракороткого импульса рентгеновского лазера. И не беда, что через несколько фемтосекунд объект съёмки (вирусы, бактерии и даже крупные органические молекулы) просто исчезает, разлетевшись во все стороны облачком плазмы.

Развитие же и внедрение в практику исследований такой экзотической фотографии создаст уникальные возможности для изучения структуры и динамики частиц нанометрового масштаба, включая большие биологические молекулы, без потребности в их предварительной кристаллизации, необходимой при обычном структурном рентгеновском анализе [9].

В 2000 г. при облучении тонких фольг высокоинтенсивными (более 1018 Вт/см2) лазерными импульсами были обнаружены протоны с энергией до 10 МэВ, вылетающие в основном из задней стенки фольги в направлении распространения импульса. Под действием лазерного импульса в фольге возникают быстрые электроны, которые проходят фольгу насквозь и вылетают с ее противоположной стороны (см. рис. 2). Их останавливает электрическое поле ионов, оставшихся в фольге. Вблизи задней поверхности мишени образуется отрицательно заряженный слой, состоящий из электронов. Электрическое поле, создаваемое этими электронами, достигает величины, достаточной для ионизации атомов, находящихся на поверхности. Под действием этого же электрического поля ионы начинают ускоряться. В процессе ускорения энергия от электронов переходит к ионам. Наиболее эффективно ускоряются легкие ионы (протоны), образовавшиеся из атомов водорода, адсорбированного на поверхности фольги.

Такие источники энергичных ионов уже находят применение в протонной радиографии. Таким методом удается, в частности, определить структуру электрических полей внутри исследуемого объекта. В настоящее время источниками протонов служат различные вакуумные ускорители, весьма громоздкие и дорогие [5].

http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/04_07/LASER07.GIF

Рис.2.Ускорение ионов (протонов) при облучении коротким лазерным импульсом тонкой фольги.

            Революцию совершило использование фазово-когерентных свойств излучения фемтосекундных импульсно-периодических лазеров. Такой лазер излучает последовательность одинаковых импульсов, частота повторения которых T определяется длиной лазерного резонатора (рис.10,а), со спектром в виде оптической гребенки (рис.10,б).

            Измерения 1999 и 2003 гг., выполненные с использованием оптической гребенки, достигли относительной погрешности 10–14, которая ограничена вкладом систематических эффектов водородного спектрометра. Эксперименты с ионными ловушками, проведенные в 2005 г., вывели на значение погрешности 10–15. Таким образом, точность измерений оптических частот вплотную приблизилась к точности первичных стандартов частоты, обладающих погрешностью 5*10–15.

            Эти работы имеют большое значение, как для фундаментальных исследований, так и для решения прикладных задач. С рекордной точностью определено значение постоянной Ридберга, измерены многие фундаментальные характеристики атомных систем, открылась возможность новых чувствительных тестов проверки постулатов теории относительности, принципа эквивалентности Эйнштейна и принципов симметрии.

Другие применения

            Благодаря своим уникальным свойствам излучения, фемтосекундные лазеры находят широкие применения в науке и технике. Эти применения можно подразделить на группы, в которых используется то или иное свойство излучения фемтосекундных лазеров. К этим свойствам относятся: исключительно короткая длительность импульса излучения, высокая пиковая мощность и интенсивность лазерного излучения, а также спектральная особенность спектра лазеров непрерывного действия.

            Исследования сверхбыстрых явлений и процессов. Предельно короткая длительность импульсов используется, главным образом, для изучения различных сверхбыстрых процессов. Обычно такие исследования проводятся по схеме “возбуждение - зондирование”. На образец направляется излучение в виде ультракороткого импульса. За время его длительности происходит быстрое возбуждение вещества исследуемого образца. В нем создается определенная концентрация короткоживущих образований (радикалы молекул, возбужденные состояния атомов). После прекращения воздействия эти объекты исследования возвращаются в первоначальное равновесное состояние, за характерное время релаксации. Определение времен появления новых образований и их релаксация и является целью измерений, поскольку знание этих времен позволяет судить о природе исследуемого процесса.

Также можно использовать растворы некоторых люминесцирующих красителей, которые можно возбуждать излучением импульсных ламп. Элементом активной среды в этом случае является кювета – цилиндрическая трубка с плоскопараллельными окошками, заполненная раствором люминесцирующего красителя. В современных лазерах резонатор часто представляет собой не просто два параллельных зеркала, но довольно сложную оптическую систему. Если в резонатор поместить еще устройство, основанное на явлении дисперсии (призма), отклоняющее лучи в зависимости от длины волны, то параллельность зеркал резонатора получается лишь для узкой области длин волн, причем эту область можно плавно изменять наклоном одного из зеркала. Получается т.н. селективный резонатор. Он в сочетании с селектором мод позволяет получать генерацию с узкой спектральной линией, длина волны которой плавно перестраивается наклоном зеркала

            Полупроводниковые лазеры. Также удалось получить инверсную населенность для излучательных переходов между зонами полупроводника с возбуждением электрическим током, проходящим через полупроводник. Эти лазеры непосредственно преобразуют электрический ток в лазерное излучение с очень высоким кпд, кроме того их отличают малые размеры(порядка мм).

            Волоконные лазеры. Развитие современной оптики включало освоение совершенно новых объектов – волоконных световодов, основанных на явлении полного внутреннего отражения. Успехи в области волоконной оптики привели к созданию твердотельных лазеров нового типа – волоконных лазеров. В них используются оптические волокна, сердцевина которых изготовлена из стекла с примесями ионов редкоземельных элементов (неодим Nd, иттербий Yb, эрбий Er, тулий Tm). При оптической накачке такие волокна становятся активными средами. Причем в качестве источников накачки используют не лампы, а полупроводниковые лазерные диоды.

            Мощные газовые лазеры. Совершенствуя конструкции, способы организации электрического разряда в газах, а также повышая коэффициенты отражения зеркал резонатора, удалось получить генерацию на многих переходах атомов и молекул. Так в He-Ne лазере помимо генерации на 1,15 мкм и 634 нм (красный свет) удалось получить генерацию на 3,39 мкм и в области зеленой части видимого спектра. Особенно замечательным оказался газовый лазер, работающий на колебательных переходах молекулы CO2 с длиной волны в области 10,6 мкм. Выходная мощность этого лазера в режиме непрерывной генерации достигает нескольких кВт. Он получил широкое распространение в промышленности (сварка, резка).

1.      П.Г. Крюков Фемтосекундные импульсы. Введение в новую область лазерной физики. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 208 стр.

2.      С.А Козлов, В.В. Самарцев Основы фемтосекундной оптики. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. – 292 стр.

3.      Л.М Горбунов Зачем нужны сверхмощные лазерные импульсы?// Природа – 2007. - №4. - Режим доступа: http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/04_07/LASER.HTM

4.      Лазерная спектроскопия экзотических атомов http://window.edu.ru/resource/156/21156/files/0101_077.pdf