|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Просветления эффект |
 |
Уменьшение скорости резонансного поглощения при увеличении интенсивности электромагнитного излучения
Описание
Просветления эффект – увеличение прозрачности среды под действием интенсивных потоков электромагнитного излучения. В большинстве случаев эффект просветления обусловлен уменьшением резонансного поглощения в веществе и, следовательно, проявляется лишь в определённой, часто весьма узкой области спектра.
Имеется несколько различных физических механизмов просветления. Наиболее распространённый из них – перераспределение населённостей квантовых уровней молекул вещества под действием резонансного излучения. Простейшим вариантом такого перераспределения является эффект насыщения. В этом случае с увеличением интенсивности падающего электромагнитного излучения населённости нижнего и верхнего уровней резонансного перехода выравниваются, что ведёт к выравниванию скоростей поглощения и вынужденного испускания. В результате поглощаемая мощность стремится к пределу, определяемому только скоростью релаксационных процессов, связанных с передачей энергии окружающей среде (спонтанное испускание на резонансном переходе, излучательные и безызлучательные переходы на другие энергетические уровни). При дальнейшем увеличении интенсивности поглощение уже не увеличивается, а следовательно доля мощности электромагнитной волны, поглощённая средой, уменьшается, среда становится прозрачной. Просветление вследствие насыщения имеет место как в поле непрерывного излучения, так и в поле импульсов, длительность которых существенно превышает время поперечной релаксации T2.
В общем случае следствием перераспределения населённостей является уменьшение поглощения как электромагнитной волны, вызывающей это перераспределение (эффект самопросветления), так и других потоков излучения с частотами, резонансными квантовым переходам, для которых результирующая разность населённостей уровней тоже уменьшается. Например, насыщению одного из переходов, как правило, сопутствует эффект просветления на переходах, имеющих общий нижний уровень с насыщаемым.
В конденсированных средах под действием интенсивного излучения при межзонном поглощении происходит опустошение уровней энергии вблизи потолка валентной зоны и заполнение уровней вблизи дна зоны проводимости. В этом случае эффект просветления имеет характер сдвига полосы поглощения в КВ-область. При этом возможно появление даже усиления в некотором интервале частот вследствие образования инверсной населённости. Такой механизм характерен, в частности, для цветных стёкол. Именно этим механизмом просветления объяснён С.И. Вавиловым (1923) эффект уменьшения поглощения света урановым стеклом при увеличении интенсивности проходящего света. Сходное поведение поглощения обнаруживается и для электронно-колебательных полос сложных молекул.
Просветление среды в области резонансного поглощения может быть связано со штарковским сдвигом частоты квантового перехода в поле электромагнитной волны. Кроме того, причиной эффекта просветления могут явиться также фотофизические и фотохимические превращения в среде под действием падающего излучения (фотоионизация, фотодиссоциация, химические реакции), приводящие к уменьшению общего числа частиц, поглощающих на заданной частоте.
Иной характер имеет эффект просветления в поле коротких импульсов, длительность которых меньше времён релаксации резонансного перехода. В этом случае возможен так называемый эффект самоиндуцированной прозрачности, когда вследствие когерентности взаимодействия энергия, поглощаемая веществом из передней части импульса, полностью возвращается импульсу на его заднем фронте.
Все перечисленные механизмы могут вызывать эффект просветления и при многофотонном поглощении. Кроме того, в этом случае возможно просветление вследствие нелинейной интерференции различных процессов возбуждения. Например, возбуждение перехода при трёхфотонном поглощении излучения с частотой ω может быть подавлено действующим в противофазе процессом однофотонного возбуждения в поле излучения на частоте третьей гармоники 3ω . При этом «выключается» как трёхфотонное, так и однофотонное поглощение. Аналогичные эффекты возникают и при двухфотонном поглощении. Эффект просветления такой природы называется интерференционным (иногда – параметрическим) просветлением.
Математическое описание эффекта просветления зависит от механизма просветления, а также от спектральных и временных характеристик излучения. При однофотонном поглощении монохроматического излучения эффект просветления описывается уравнением
, (1)
где I – интенсивность волны в точке z, k(I) – показатель поглощения, зависящий от интенсивности. Вид функции k(I) определяется конкретным физическим механизмом просветления и характером уширения линий (или полос) поглощения. Например, если эффект просветления обусловлен насыщением и линия поглощения уширена однородно, то
,
здесь k0 – показатель поглощения, который фигурирует в законе Бугера,
– константа насыщения.
Эффект просветления играет большую роль в квантовой электронике и нелинейной оптике: ячейки с просветляющимся веществом используются для так называемой пассивной модуляции добротности и синхронизации мод лазеров, формирования коротких импульсов в лазерных усилителях и т.п. Эффект просветления в газовых средах, помещённых в резонатор лазера и обладающих доплеровски уширенной линией поглощения на частоте генерации, используется для стабилизации частоты и сужения линий генерации. В нелинейной спектроскопии наблюдение эффекта просветлении в неоднородно уширенных линиях поглощения является одним из методов регистрации спектров с высоким разрешением.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
В 1994 году во ВНИИТФ расчетным путем было показано, а затем подтверждено экспериментами, что отношение флюенса тепловых нейтронов в центральном экспериментальном канале ИГР к энерговыделению возрастает примерно на 30-40% при разогреве активной зоны от 300 до ~1200К. Расчетные и экспериментальные точки представлены на рисунке 1.
Зависимость коэффициента просветления в ЦЭК от температуры
Рис. 1
Ранее этот эффект был известен только качественно. Для краткости он назван "просветлением" графита и вызван уменьшением эффективных сечений захвата и деления при увеличении энергии тепловых нейтронов в результате их термализации в графите с более высокой температурой. Поэтому при облучении образцов (например, ТВС энергетических реакторов) в экспериментальном канале будет иметь место нелинейный ввод энергии при постоянной мощности реактора.
Эффект просветления будет максимальным на уровне центральной плоскости активной зоны, где максимальна температура близлежащего топлива и минимальным вблизи ее торцов, где температура топлива минимальна и, кроме того, рядом находится холодный графит отражателя. На ИГР эффект просветления относительно невелик, но для МИГР по расчетам отношение флюенса тепловых нейтронов в центральном экспериментальном канале к энерговыделению будет возрастать примерно вдвое при разогреве активной зоны от 300 до ~2300К. Этот эффект необходимо учитывать не только при проведении экспериментов, но и при создании методики обработки сигналов годоскопа.
* * *
Самопросветление и нелинейное поглощение. Среды, непрозрачные для слабого излучения, могут стать прозрачными для высокоинтенсивного излучения (просветление), и, наоборот, прозрачные материалы могут «затемняться» по отношению к мощному излучению (нелинейное поглощение). Таковы наиболее важные особенности поглощения света большой интенсивности. Они объясняются зависимостью коэффициента поглощения от интенсивности света.
Если интенсивность резонансного по отношению к поглощающей среде излучения велика, существенная доля частиц среды переходит из основного в возбуждённое состояние и населённости её верхнего и нижнего уровней выравниваются. Для получения эффекта насыщения в равновесных условиях необходима затрата некоторой энергии, поэтому просветление среды сопряжено с определёнными потерями энергии светового пучка.
В поле коротких световых импульсов, длительность которых меньше характерных времён релаксации среды, наблюдается эффект просветления другого типа – резонансное самопросветление среды. В этом случае короткий мощный световой импульс проходит через среду, вообще не испытывая поглощения (слабое же квазинепрерывное излучение той же частоты может поглотиться этой средой практически полностью). Результатом взаимодействия такого очень короткого светового импульса со средой оказывается резкое уменьшение групповой скорости распространения светового импульса и изменение его формы.
Реализации эффекта
В основе всей теоpии излучения (и поглощения) света атомами лежит фоpмула, введенная в 1913 году Н. Боpом:
где En и Em - два каких-то дискpетных значения энеpгии атома, ν - частота света, соответствующая данному пеpеходу атома.
Что касается поглощения света, то фотон с соответствующей частотой, попадая на атом, имеет веpоятность быть захваченным (поглощенным) атомом, вследствие чего атом пеpейдет на более высокий энеpгетический уpовень. Сложнее дело обстоит с излучением. Существует не один, а два механизма излучения, и это обстоятельство очень важно. Один механизм не связан ни с каким внешним воздействием на атом: возбужденный атом спустя опpеделенное, но случайное вpемя сам по себе пеpеходит на нижний энеpгетический уpовень с излучением фотона соответствующей частоты. Такой механизм излучения называется спонтанным (самопpоизвольным) излучением. Спонтанное излучение pазличных атомов, очевидно, не находится ни в какой согласованности: каждый атом излучает сам по себе, независимо от дpугого. Дpугой механизм излучения называется вынужденным или индуциpованным. Используя индуциpованное излучение, можно добиться того, что возбужденная сpеда будет излучать: и монохpоматический, и когеpентный, т.е. согласованный по фазе, и одинаково поляpизованный, и напpавленный в одном опpеделенном напpавлении. Именно такой свет излучается лазеpами - оптическими квантовыми генеpатоpами.
Самопросветление и нелинейное поглощение. Среды, непрозрачные для слабого излучения, могут стать прозрачными для высокоинтенсивного излучения (просветление), и, наоборот, прозрачные материалы могут «затемняться» по отношению к мощному излучению (нелинейное поглощение). Таковы наиболее важные особенности поглощения света большой интенсивности. Они объясняются зависимостью коэффициента поглощения от интенсивности света.
Если интенсивность резонансного по отношению к поглощающей среде излучения велика, существенная доля частиц среды переходит из основного в возбуждённое состояние и населённости её верхнего и нижнего уровней выравниваются (см. Насыщения эффект). Для получения эффекта насыщения в равновесных условиях необходима затрата некоторой энергии, поэтому просветление среды сопряжено с определёнными потерями энергии светового пучка.
В поле коротких световых импульсов, длительность которых меньше характерных времён релаксации среды, наблюдается эффект просветления др. типа — резонансное самопросветление среды. В этом случае короткий мощный световой импульс проходит через среду, вообще не испытывая поглощения (слабое же квазинепрерывное излучение той же частоты может поглотиться этой средой практически полностью). Результатом взаимодействия такого очень короткого светового импульса со средой оказывается резкое уменьшение групповой скорости распространения светового импульса и изменение его формы.
Эффекты нелинейного поглощения связаны с тем, что при взаимодействии интенсивного излучения частоты w0 с частицами заметную вероятность имеют процессы одновременного поглощения m квантов частоты w1.
Насыщения эффект - уменьшение интенсивности спектральной линии (поглощения или излучения) при увеличении мощности внешнего резонансного электромагнитного излучения. Причина эффекта — выравнивание населённостей двух уровней энергии, между которыми под действием резонансного излучения происходят вынужденные переходы. Эффект насыщения наблюдается, когда мощность резонансного излучения достигает такой величины, при которой вероятность вынужденных переходов под действием излучения больше, чем вероятность релаксационных или спонтанных излучательных переходов. Эфект насыщения ограничивает мощности, генерируемые лазерами.
Релаксация (от лат. relaxatio — ослабление, уменьшение), процесс установления термодинамического, а следовательно, и статистического равновесия в физической системе, состоящей из большого числа частиц. Релаксация — многоступенчатый процесс, т. к. не все физические параметры системы (распределение частиц по координатам и импульсам, температура, давление, концентрация в малых объёмах и во всей системе и др.) стремятся к равновесию с одинаковой скоростью. Обычно сначала устанавливается равновесие по какому-либо параметру (частичное равновесие), что также называется релаксацией. Все процессы релаксации являются неравновесными процессами, при которых в системе происходит диссипация энергии, т. е. производится энтропия (в замкнутой системе энтропия возрастает). В различных системах релаксация имеет свои особенности, зависящие от характера взаимодействия между частицами системы; поэтому процессы релаксации весьма многообразны. Время установления равновесия (частичного или полного) в системе называется временем релаксации.
Литература
1. Ахманов С. А., Хохлов Р. В. Проблемы нелинейной оптики. - М.: Наука, 1964.
2. Бломберген Н. Нелинейная оптика, пер. с англ. - М.: Изд. ин. лит, 1966.
3. Климонтович Ю. Л., Квантовые генераторы света и нелинейная оптика. - М.: Наука, 1966.
4. Луговой В. Н., Прохоров А. М., Теория распространения мощного лазерного излучения в нелинейной среде, «Успехи физических наук», 1973, т. 111, с. 203—248.
5. Квантовая электроника и нелинейная оптика, пер. с англ. - М.: Изд. ин. лит, 1973.
