Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница

О системе

Технические требования

Синтез

Обучающий модуль

Справка по системе

Контакты
Искать:
  Расширенный   Формализованый   По связи разделов
 А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я 
Общий каталог эффектов

Пленение излучения
Задержка выхода фотонов из оптически толстой среды

Анимация

Описание

 Пленение излучения (ПИ)  - задержка выхода фотонов из оптически толстой системы, обусловленная многократностью актов их поглощения и последующего переизлучения атомами среды.ПИ относится прежде всего к так называемым резонансным фотонам, частота которых совпадает с частотой фотонов, испускаемых при излучательных переходах возбуждённых атомов на наиболее населённый (часто низший) энергетический уровень. С другой стороны, многократное поглощение и переизлучение «одного и того же» фотона (более строго -  радиационный перенос возбуждения) может реализоваться лишь при слабом тушении переносимых возбуждении, что ограничивает сверху допустимую концентрацию «тушащих» частиц (например, в плазменной системе электронов). В этом предельном случае ПИ играет определяющую роль в переносе излучения.Для ПИ обычно характерно длительное по сравнению с пролётным временем «застревание фотона» в атоме, грубо выражаемое неравенством >>1/(x00c). Здесь радиационное время жизни атома, x00~n02 максимальный коэффициент поглощения резонансного излучения с длиной волны в среде невозбуждённых атомов с плотностью n0, с скорость света. В этих же обозначениях условие большой оптической толщины системы имеет вид x00L>>1, где L характерный размер системы.Основной количественной характеристикой ПИ служит среднее время выхода фотона из системы на её поверхность , где N(L) – среднее число актов поглощения-переизлучения фотона в ходе его миграции па расстояние L.Конкретный вид зависимости N(L) определяется двумя физическими факторами: а) уширением спектральной линии, прежде всего линии поглощения [коэффициента поглощения x(w)]; б) степенью перераспределения частоты фотона w →w’ в акте его переизлучения возбуждённым атомом.В формальном пределе неуширенной, монохроматической линии ПИ приводит к обычной диффузии фотонов, описываемой зависимостью N~ (х00L)2. Эта диффузионная картина может иметь место и в случае пленения реальной, уширенной линии,  когда переизлучающий атом не успевает "забыть детали своего предшествующего радиационного возбуждения" и благодаря этому поддерживает приближённую монохроматичность (w'≈w) «рассеяния» фотона.Более типична, однако, противоположная ситуация, когда уширение линии [зависимость x(w), содержащая и далёкие крылья] сочетается с практически полным перераспределением по частоте в акте переизлучения (полное «забывание» возбуждённым атомом своей предыстории). Анализ ПИ для этого важнейшего случая впервые был дан в 1947 независимо Л. М. Биберманом и Т. Холстейном (Th. Holstein).И уширение, и перераспределение частоты приводят к существованию уменьшению значения N(L) и ослаблению эффекта ПИ по сравнению с монохроматическим, чисто диффузионным, пределом.Так, уширение спектральной линии, например за счёт появления сторонней (доплеровской или столкновительной) ширины Г линии поглощения, обычно значительно превосходящей естественную ширину , снижает в Г/>>1 раз остроту резонанса в поглощении, приводя к замене величины x0 значением коэффициента поглощения в центре w=w0 уширенной линии: x(w0)=х0 ~ х00(/Г)<<x00.Переизлучение в условиях полного перераспределения по частоте, приводящее к практически одинаковости профилей линий поглощения и переизлучения, создаёт такую ситуацию, когда в результирующем потоке фотонов, выходящих в единицу времени за пределы системы, преобладают не наиболее многочисленные (но и наиболее сильно поглощаемые) фотоны из центра линиии (|w-w0| < или = Г), а относительно малочисленные фотоны из далёких крыльев линии (|w-w0|>>Г), такие, свободный пробег которых 1/x(w) сравним по порядку величины с размером системы L.Статистически типичному «центральному» фотону |w w0| < или = Г после его поглощения атомом внутри системы для быстрейшего выхода на поверхность более выгодно не сохранять свою частоту для последующей длительной диффузии, а «промигрировать» по w в такой участок далёкого крыла линии, x(w)L~1, откуда он сможет достичь поверхности «одним прыжком».В итоге реальная зависимость N(L) оказывается существенно слабее, чем в монохроматическом, диффузионном, случае: для доплеровского профиля обеих ли

для лоренцевского

 

При этом в полном потоке выходящих фотонов вклады центрального, «диффузионного», диапазона линии, x(w)L > или = 1, и «прострельной» области её далёких крыльев, x(w)L < или = 1, относятся соответственно как 1:1 в доплеровском и 1:3 в лоренцевском случаях. Таким образом, уже в доплеровском случае ПИ носит существенно недиффузионный, а в лоренцевском и вовсе «антидиффузионный» характер. Это соответствует и характеру спада интенсивности линии в её крыльях крутому в доплеровском случае и более пологому в лоренцевском.
В условиях ПИ поток выходящих фотонов, несмотря на большую оптическую толщину системы x0>>1, остаётся пропорциональным её объёму (а не поверхности) вплоть до столь больших значений x0L, которым соответствует время выхода tL) порядка среднего времени между двумя тушащими столкновениями (в рассматриваемом случае очень редкими).

 

Ключевые слова

 

Разделы наук

 

Применение эффекта

В лазерной спектроскопии используется идея управления (охлаждения, пленения) движением атомов с помощью лазерного излучения. Атом в лазерном поле может поглощать фотоны, переходя при этом в возбужденное состояние, при этом фотоны передают ему свои импульсы. Девозбуждаясь атом переизлучает фотоны по всем возможным направлениям. В результате атом испытывает световое давление в направлении распространения лазерного луча. Возбуждение атома происходит в том случае, когда частота света близка к частоте оптического перехода атома. Атом, с частотой перехода ν0, двигаясь вдоль оси лазерного луча частоты ν, испытывает максимальное световое давление при резонансной скорости V=(ν-ν0 (эффект Допплера), где – длина волны лазерного излучения. Если ν<ν0, то резонанс возникает, когда атом движется против распространения луча и в этом случае атом замедляется. Если атомарный газ со всех сторон облучать лазерным светом с частотой меньше частоты атомного перехода, то в газе увеличивается количество медленных атомов, что и означает уменьшение его температуры. Минимальная температура атомарного газа при лазерном охлаждении составляет 10-6 К.

Реализации эффекта

Техническая реализация - создание ловушек для фотонов и, соответственно, устройств хранения и обработки информации на их основе. Такая ловушка представляет собой область в кристалле, выход излучения из которой запрещен в силу отсутствия в окружающем ловушку материале фотонной "зоны проводимости".
Захват излучения в фотонных кристаллах является принципиально новым явлением, так как происходит без процесса многократного поглощения и испускания фотонов. Оно здесь попросту невозможно в силу определенных соотношений между параметрами фотонных и электронных энергетических зон. Поэтому перенос излучения при его пленении в фотонном кристалле носит упорядоченный характер, существенно отличаясь от известного ранее хаотического движения в газовой среде.
В работах, выполненных в исследовательских центрах Гарвардского университета, поставлен эксперимент по "остановке" света. Здесь волновой цуг, занимающий в пустом пространстве несколько километров, был сжат до размеров в несколько миллиметров, что соответствует снижению групповой скорости света до сотни метров в секунду. Экспериментаторы записывали во входном световом сигнале информацию с частотой модуляции 1 кГц, а затем восстанавливали ее из сжатого состояния. Таким образом, было непосредственно продемонстрировано создание элементов памяти на тяжелых фотонах.
Тяжелые фотоны планируется использовать и для создания нового типа оптических транзисторов и логических элементов, в основе работы которых чаще всего лежит эффект нелинейного взаимодействия света с веществом, требующий излучения очень большой мощности, но даже в этом случае объемная плотность фотонов чрезвычайно мала вследствие высокой скорости света в обычных оптических средах.
В случае тяжелых фотонов, чью скорость можно понизить до необычайно малой величины, нелинейные процессы идут с большой эффективностью, и для реализации нелинейного режима требуется гораздо меньшая плотность мощности излучения.

Литература

1. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол.: Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др.– М.: Большая Российская энциклопедия. Т. III –. 1998. Стр. 635.

2. Сивухин Д.В.Общий курс физики. Учеб. пособие: Для вузов. В 5 т. Т. IV. Оптика. — 3-е изд., М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005., стр. 452

Формализованное описание Показать

Стартовая страница  О системе  Технические требования  Синтез  Обучающий модуль  Справка по системе  Контакты 
Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина