Введение к работе
Актуальность темы. Прогресс в создании коротковолновых лазеров и развитие методов многофотонной спектроскопии и нелинейного смешения частот на область далекого ультрафиолета стимулировали интерес к изучению высоколежащих состояний атомов и молекул, включая автоионизационные состояния и состояния непрерывного спектра (континуума). Кроме того, с переходами через континуум связано решение многих актуальных задач физики селективного воздействия излучением на вещество, в частности, лазерная фотохимия и разделение изотопов, генерация гармоник в области вакуумного ультрафиолета (БУФ) и ультрамягкого рентгена (УМР), получение поляризованных электронов и поляризованных ядер и многое другое. Уже в первых работах по генерации УФ и БУФ излучений методами нелинейного смешения частот в атомно-молекулярных средах возник вопрос об адекватном эксперименту теоретическом описании нелинейных явлений, когда мощные излучения резонансны переходам в континуум и автоионизационные состояния. Аналогичные проблемы взаимодействия излучений с переходами между некоторыми дискретными состояниями и полосами состояний существуют и в молекулах, кристаллах, высокотемпературных сверхпроводниках, в ядерной физике и физике элементарных частиц. В связи с этим возникает общая проблема описания оптических процессов в условиях резонансов со связанно-свободными переходами сред. Теория таких оптических явлений (в том числе и нелинейных) развита в гораздо меньшей степени, чем в случае чисто дискретных переходов. Фактически исследования нелинейных явлений на связанно-свободных переходах в атомах и молекулах ограничивались такими некогерентными процессами, как многофотонное возбуждение и ионизация, для теоретического описания которых часто достаточно чисто вероятностного подхода, основанного на "золотом правиле Ферми" в квантовой механике. Совсем иначе обстоит дело, например, в случае нелинейного смешении частот, когда суммарная частота превосходит порог ионизации. В этом случае теоретический анализ отнюдь не сводится к прямому перенесению или доразвитию результатов теории нелинейно-оптических явлений на чисто дискретных переходах вещества. В этой связи появилась настоятельная необходимость развития соответствующего теоретического формализма и разработки основных представлений и методов для описания и анализа нелинейно-оптических процессов, идущих с участием переходов в сплошной спектр состояний. Кроме того, воздействие мощного лазерного излучения на среду может приводить к изменению спектральных характеристик переходов в континуум. Главной особенностью такого радиационного изменения спектральных свойств среды является возможность проводить их целенаправленным образом, т.е. фактически управлять нужными процессами.
С практической точки зрения наиболее интересными являются возможности управления процессами преобразования частот с целью увеличения эф-
фективности преобразования и устранения ряда ограничивающих процессов. Кроме того, частотно - селективное воздействие излучением открывает новые возможности нелинейной спектроскопии малоизученных автоионизационных состояний.
Все это и определяет актуальность работы, направленной на поиск решения указанных вопросов. Важность такого рода работы обусловлена не только исследованием и описанием новых физических явлений, но и представляет интерес для создания новых приборов, методов спектроскопии и средств воздействия излучением на вещество.
Цель и задачи работы. Основной целью работы является изучение особенностей нелинейно-оптических процессов на переходах между дискретными состояниями и континуумом, их использованию в спектроскопии вещества и для управления спектральными характеристиками переходов в сплошной спектр состояний. Исследования охватывают широкий круг явлений: многофотонная ионизация, нелинейное смешение частот, многофотонная спектроскопия, рассеяние излучений на связанно-свободных переходах газов и твердых тел и др. Характерной особенностью процессов является интерференция переходов в континуум, которая обусловливает ряд новых свойств нелинейных явлений на связанно-свободных переходах вещества.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые единым образом проведено комплексное исследование нелинейно - оптических явлений на переходах в континуум и автоионизационные состояния, предложен и в ряде случаев реализован метод управления спектральными характеристиками континуума в газах. Предсказаны явления значительного изменения (уменьшения или увеличения) ширин автоионизационных резонансов в полях излучений умеренной интенсивности, безынверсного усиления излучений на переходах в автоионизационные состояния, подавления многофотонной ионизации за счет генерации излучения суммарной частоты в оптически плотных средах. Впервые развит четырехмерный векторный формализм для описания взаимодействия дискретных состояний на фоне континуума, что позволило единым образом рассмотреть целый ряд различных физических явлений в оптике, нелинейной спектроскопии и физике ifo-мезонов. Проведенные исследования получили дальнейшее экспериментально - теоретические развитие как у нас в стране, так и за рубежом. Результаты работы достаточно широко цитируются в мире в ведущих научных изданиях: Nature 339, 181 (1992), Physics Today 45, 17 (1992), Physics Reports 219, 175 (1992), Progress in Quantum Electronics 13, 1 (1989), Phys.Rev.Lett., Phys.Rev., УФН, ЖЭТФ, моногарафии и др. В основу диссертации положены теоретические и экспериментальные разработки, идеи и методы, позволившие получить ряд новых результатов предсказательного характера и имеющие приоритетное значение.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Взаимодействие дискретных состояний с континуумом сопровождается
не только их распадом и затуханием атомного осциллятора, но и сохранением когерентности, которая является следствием самосогласованного распада состояний в континуум. Наглядным математическим выражением этого служит четырехмерность векторного описания взаимодействия двух дискретных состояний на фоне континуума.
-
Воздействие лазерного излучения на переход из дискретного состояния в континуум изменяет резонансным образом спектральные характеристики смежных квантовых переходов. Форма возникающих резонансов зависит от процессов наблюдения. Изменения связанно-связанных переходов сопровождаются смещением их частот и уширением, тогда как на переходах в континуум возникают резонансы по форме аналогичные автоионизационным. Эти резонансы могут существенно влиять на оптическую активность сред, многофотонную ионизацию, поляризацию и угловое распределение фотоэлектронов, нелинейные восприимчивости высших порядков. При этом параметры формы линии автоионизационно-подобных резонансов определяются вкладом как нерезонансных состояний дискретного спектра, так и континуумом.
-
Процессы фотоионизации газообразных сред в области частот автоионизационных резонансов могут приводить к возникновению электрического тока, спектральная зависимость которого описывается производной по частоте от автоионизационных спектров. Такая зависимость открывает возможность спектроскопии первой производной автоионизационных резонансов, позволяющей более контрастно определять асимметрию спектров.
-
Возмущение излучением переходов в автоионизационные состояния может сопровождаться значительным сужением или уширением автоионизационных резонансов при энергиях взаимодействия меньших конфигурационных, что связано с сохранением когерентности в процессе взаимодействия. Немонохроматичность лазерного излучения препятствует эффекту сужения, поэтому наблюдается только уширение резонансов.
-
При стационарном возбуждении состояний в низкотемпературной плазме движение населенностей на переходах в автоионизационные состояния под действием резонансного излучения не ограничивается известным эффектом насыщения. Такая особенность движения населенностей обусловливается тем, что для переходов в автоионизационные состояния вероятности поглощения и индуцированного испускания в узком спектральном интервале не совпадают, что приводит к возможности усиления излучения и без инверсии населенностей. При этом принцип детального равновесия выполняется только для интегральных по частотам процессов испускания и поглощения.
-
Процессы многофотонной ионизации и нелинейного смешения частот могут оказывать существенное взаимовлияние. Генерация излучения суммарной частоты и нечетных порядков в газообразных средах приводит
к альтернативному каналу ионизации, что в оптически плотных по суммарной частоте средах проявляется в подавлении или увеличении вероятности многофотонной ионизации в зависимости от состава и давления примесных газов. С другой стороны многофотонная ионизация снижает эффективность процесса нелинейного смешения частот на переходах в дискретном спектре состояний и не изменяет интегрального по числу квантов коэффициента преобразования в процессах генерации суммарной частоты на переходах в континуум. 7. Интерференционный характер автоионизационных спектров позволяет сочетать высокую частотную дисперсию коэффициента преломления с малой величиной поглощения при настройке частоты излучения в спектральный интервал "окна прозрачности" уединенного или серии перекрывающихся автоионизационных резонансов. Это дает возможность управлять величиной задержки импульсов и их групповой скоростью, магнитооптическими эффектами, а также эффектами увлечения излучений движущимися средами.
Результаты, полученные в диссертации, основываются на квантовой теории и методах нелинейной оптики, многие выводы проверяются на точно решаемых моделях и согласуются с имеющимися эксперементальными данными.
Научная и практическая значимость работы. Рассмотренные в диссертации новые нелинейно-оптические явления расширяют возможности изучения физических процессов в вакуумно-ультрафиолетовом (ВУФ) и мягком рентгеновском (MP) диапазонах длин волн газообразных сред и поиска новых областей их применения. Теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия дискретных состояний с континуумом и методы анализа таких взаимодействий могут найти и уже находят применения далеко за пределами собственно нелинейной оптики. Ряд научных выводов и положений непосредственно переносятся на оптику анизотропных сред, физику твердого тела и физику элементарных частиц, что и продемонстрировано в диссертации. Проведенные исследования стимулировали значительное число теоретических и экспериментальных работ по лазерному воздействию на переходы в сплошной спектр. Выполненный в диссертации анализ поляризационной спектроскопии нелинейных резонансов в континууме экспериментально подтверждает и позволяет существенно расширить область применения поляризационной лазерной спектроскопии.
Предсказанный эффект безынверсного усиления излучения на переходах в автоионизационное состояние может быть использован для получения когерентного коротковолнового излучения.
Предложенный метод индуцирования узких нелинейных резонансов в произвольной области континуума может быть применен для увеличения эффективности процессов нелинейного смешения частот, многофотонной ионизации, получения поляризованных фотоэлектронов, прецизионной спектро-
скопии мезоатомов. Первые эксперементальные исследования показали существенное влияние индуцирующего излучения на генерацию третьей гармонии и трехфотонную ионизацию в парах натрия и в ксеноне.
Проведенные исследования по резонансному радиационному управлению спектральными характеристиками переходов в континуум и автоионизационные состояния, изучения многофотонных процессов с участием континуума составляют основу нового научного направления — нелинейной резонансной оптики связанно-свободных переходов вещества.
Практическая значимость работы определяется уже тем, что она является частью нелинейной резонансной оптики.
Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации докладывались и обсуждались: на IX (Ленинград, 1978), X (Киев, 1980), XI (Ереван, 1982), XII (Москва, 1985), XIII (Минск, 1988г.) Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике; Сессии научного совета АН СССР по проблеме "Когерентная и нелинейная оптика" (Ташкент, 1979);
II Международной конференции по многофотонным процессам (Будапешт,
1980); Международной конференции "Лазеры-80" (США, 1980); VII (Ново
сибирск, 1981) YIII (1984), IX (1987) Вавиловских конференциях по нелиней
ной оптике; X Национальной конференции по атомной спектроскопии (Тыр-
ново, 1982); Всесоюзный семинар "Приборы и методы ВУФ спектроскопии.
Диагностика плазмы" ВУМА-82 (Таллин, 1982); IY Всесоюзной конферен
ции "Перестраиваемые по частоте лазеры" (Новосибирск, 1983), XIX (Томск,
1983) и XX (Киев, 1988) Всесоюзных съездах по спектроскопии; Всесоюз
ном совещании по комбинационному рассеянию света (Шушенское, 1983);
III Всесоюзном научном семинаре "Автоионизационные явления в атомах"
(Москва, 1985); III Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинаци
онного рассеяния света (Душанбе, 1986); Всесоюзном совещании "Инверсная
заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск, 1986);
Всесоюзном семинаре "Резонансные нелинейные оптические процессы в га
зах" (Дивногорск, 1986), Всесоюзном совещании "Применение колебатель
ных спектров к исследованию неорганических и координационных соедине
ний" (Шушенское, 1987); Межведомственное совещание "Элементарные про
цессы в поле лазерного излучения"(Воронеж, 1989); IV Всесоюзной конфе
ренции по спектроскопии комбинационного рассеяния света (Ужгород, 10-13
октября 1989г.); IX Международной школе по когерентной оптике (Ужгород,
1989); Международный симпозиум "Коротковолновые лазеры и их приме
нения" (Самарканд, 1990); Всесоюзном семинаре по атомной спектроскопии
(Москва, 1990); V Международная конференция по многофотонным процес
сам (Париж, 1990); Семинар "Лазерная резонансная ионизационная спек
троскопия и многофотонные процессы"(Новосибирск, 1991), Третьей меж
дународной конференции "Лазерные взаимодействия "(Крит, Греция, 1993),
15-й Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике и 8-
й конференции "Оптика лазеров "(С.-Петербург, 1995г.); IX Международной
школе-семинаре по Люминесценции и Лазерной физике (Иркутск, 2004); IV International Symposium on Modern Problems of Laser Physics (Новосибирск, 2004); In ICONO/LAT 2005 (St. Petersburg, Russia, 2005); "Фундаментальные проблемы оптики" (ФЕЮ - 2006, Санкт - Петербург, Россия); на научных семинарах в Китае (Харбинский технологический институт, 1995), Италии (Международный центр теоретической физики, Триест 1991) и Израиле (Институт им. Вейцмана, 1996), а также на семинарах ИАиЭ СО РАН, ИХК и Г СО РАН, ИФ СО РАН, ЛГУ.
Публикация результатов диссертации. Основное содержание диссертации отражено в монографии на русском и английском язьжах, 40 статьях, а также в препринтах и трудах указанных выше конференций и семинаров, перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, семи глав и Заключения. Содержание работы изложено на 292 страницах машинописного текста, включая 40 рисунков, две таблицы и списка цитированной литературы из 426 наименований.
