High-intensity laser beam kan opleve en faseovergang • Yuri Erin • Science News om "Elements" • Fysik

Laserstråle med høj intensitet kan opleve en faseovergang.

Fig. 1. Indledningsvis er strukturen af ​​en laserpuls sådan, at lysets maksimale intensitet falder i det centrale område. Til venstre: En skematisk graf, der viser, hvordan intensiteten af ​​stråling i en stråle varierer, da den bevæger sig væk fra sin akse. I centrum: da luftens brydningsindeks øges med stigende strålingsintensitet (Kerr-effekten), begynder luftmiljøet at opføre sig mod laserstrålen som et samlingsobjektiv, hvilket gør det muligt at fokusere (selvfokuserende). På grund af denne fokusering er strålingens intensitet tilstrækkelig til ionisering af den omgivende luft og dannelsen af ​​plasma i et begrænset volumen af ​​miljøet. Til højre: Plasma brydningsindekset er lavere end luftens. Som følge heraf spiller plasmaet rollen som en spredningslinse til laserstråling. Figur fra americanscientist.org

Fænomenet for en faseovergang er normalt identificeret med en ændring i et antal egenskaber eller parametre for et stof – det vil sige et sæt atomer, elektroner, kerner eller andre partikler med en ikke-null masse. Spanske teoretiske fysikere har opdaget, at en faseovergang også kan opleve et sæt fotoner (partikler med nul hvilemasse), der danner en laserstråle med høj intensitet.De viste, at en laserstråle, der bevæger sig i ethvert medium (for eksempel i luften), er i stand til radikalt at ændre sin indre struktur med stigende intensitet af den laser, der genererer den.

Foretag straks en reservation, at ikke hver stråle udsendt af en laser kan flytte fra en fase til en anden. For dette skal kraften i en enhed, som frembringer en lyspuls, være meget høj – den må overstige en bestemt tærskelværdi bestemt af mediet og lysets bølgelængde. For stråling med en bølgelængde på 800 nm, der forplantes i luften, er denne tærskel for eksempel ca. 3 GW (1 gigawatt = 109 W). Under sådanne forhold har strålen en sådan høj intensitet, at den næsten ophører med at blive udsat for diffraktion og kan forblive fokuseret og ikke divergerende for flere titre eller endog hundredvis af meter.

Den diffraktionsløse opførsel af laserstrålen forklares af Kerr-effekten – en ændring i brydningsindekset for det medium, gennem hvilket lyset formeres. Det er fastslået, at forskellen mellem brydningsindekset for mediet før den synlige stråling gennem den og efter den er lig med produktets intensitet ved en bestemt koefficientproportionalitet. For de fleste stoffer er proportionalitetskoefficienten større end nul. Dette betyder, at udbredelsen af ​​lys forårsager en forøgelse af mediebrændingsindekset. Men for at en forskel, der skal detekteres, skal detekteres, skal lysets intensitet være meget stor.

Lad os give et klart eksempel. For luft er proportionalitetskoefficienten 3 · 10-19 se2/ W Solstrålens intensitet er ifølge Verdens Meteorologiske Organisations data (PDF, 355 Kb) 120 W / m2. Som følge heraf forårsager lyset fra Solen en forøgelse af luftens brydningsindeks med en ubetydelig mængde – 3,6 · 10-20%. Og alligevel er det på trods af et meget lille ændringsforslag, Kerr-effekten, der ikke tillader en laserstråle med en intensitet større end den ovennævnte tærskelværdi at afvige.

Hvordan hjælper Kerr-effekten med laserpulsen? Normalt har lysintensiteten på laserstråleaksen et maksimum (fig. 1, til venstre) og falder symmetrisk mod grænserne. Antag, at laserstrålen bevæger sig i luften. Derefter vil, ifølge Kerr-effekten, brydningsindekset for luft i midterstrålen være større end ved kanterne.På grund af denne optiske inhomogenitet opfører luftmediet formelt i forhold til laserstråling som en samlingsobjektiv: bjælkens tykkelse formindsker (figur 1, center), og lysintensiteten øges. Det vil sige, strålen som det fokuserer sig selv – selvfokusering forekommer.

Ved første øjekast ser det ud til, at strålen er i stand til at falde sammen til nultykkelse. Når lysintensiteten når en bestemt værdi, forekommer imidlertid multoton ionisering. Laserfotoner baner elektroner ud af luftmolekyler (nitrogen og oxygenmolekyler). De frigivne elektroner danner plasmaet. I forhold til luft har plasma et lavere brydningsindeks, så det opfører sig formelt som en diffusiv linse og begynder at defokusere strålen, reducere dens intensitet (figur 1, til højre). Efter at have passeret området med plasma fortsætter strålen sin bevægelse, og situationen gentages.

Som følge heraf overvindes balancen mellem processerne med selvfokusering og defokusering, strålen uden divergerende afstander af tiere og hundrede meter (figur 2).

Fig. 2. Processerne med selvfokusering (selvfokusering) og defokusering (defokusering) gør det muligt for laserstrålen at overvinde afstande af tiere og hundredvis af meter uden at divergere.I dette tilfælde fordeles strålen hovedsageligt i mediet gennem tråde, der er specielt skabt af det (eller en tråd) – filamenter; se forklaringer i teksten. En tilpasset tegning fra americanscientist.org og anmeldelse: A. Couairon, A. Mysyrowicz. Femtosekund filamentering i gennemsigtige medier i tidsskriftet Fysikrapporter

Det skal bemærkes, at i tillæg til den høje intensitet skal laserpulsen også have en kort varighed – af størrelsen af ​​femtosekunden (10-15 sekunder). Ellers kan i stedet for multiphotonionisering af det medium, gennem hvilket det passerer, forekomme en kaskadeionisering: koncentrationen af ​​frigivne elektroner bliver sådan, at de begynder at ionisere molekylerne selv langt fra den forbigående laserstråle. Dette fører til en ubalance mellem selvfokusering og defokusering. Strålen ophører med at være fokuseret og hurtigt afviger.

Den kendsgerning, at en højintensitets laserstråle er i stand til selvfokusering og diffusion i mediet på en ikke-diffraktiv måde, blev først eksperimentelt demonstreret i 1994 af amerikanske fysikere fra University of Michigan ved anvendelse af en 10 gigawatt lasergenererende impulser med en varighed på 200 nm med en bølgelængde på 800 nm.I løbet af disse eksperimenter opdagede forskere uventet, at bevægelsen af ​​en laserpuls i et medium udføres hovedsageligt langs meget tynde filamenter, som spiller rollen som bølgeledere for den. Forskere kalder dem filamenter (figur 2), og processen med at opdele en laserstråle i filamenter – filamentation. I fig. 3 sorte runde områder – Disse er fotos af filamenter.

Fig. 3. Foto af filamenteringsprocessen af ​​en laserpuls i luft med en bølgelængde på 800 nm, skabt af en terawatt laser. Distributionen af ​​strålingsintensitet i tværsnittet (profil) af en laserstråle er vist. Sort patches, der svarer til de højeste værdier af lysintensitet, er filamenter. Figur fra G. Méchain et al. Filamenter filamenter skabt i luften af ​​en multi-terawatt femtosekund laser i et magasin Optik Kommunikation

Af den måde, i dag, da meget stærke dem dukkede op (terawatt, 1012 W) lasersystemer er filamentationsfænomenet blevet en af ​​de mest aktivt studerede i teoretisk og eksperimentel optik.

Så lad os lave en mellemliggende konklusion: Den diffraktionfrie udbredelse af en højintensitets laserstråle er mulig på grund af to processers konkurrence: selvfokusering af strålen stammer fra Kerr-effekten og defokusering på grund af plasmaet.Det ser ud til, at alt på det kvalitative niveau er tydeligt. Men i år i tidsskriftet Optik Express en artikel med titlen Måling af High Order Kerr-brydningsindeks for luftkomponenter blev offentliggjort, hvor det faktum, at defokusering forekommer på grund af plasma, blev stillet spørgsmålstegn ved.

Franske forskere, forfatterne af dette værk, gennemførte en række eksperimenter med terawatt laserstråler, der bevægede sig i forskellige gasformige medier: i luft, ilt, argon og nitrogen. Da laserstrålens intensitet har vist sig at være større end 26 TW / cm2 Brydningsindekset passer ikke ind i den forventede lineære lov. Simpelthen ser Kerr-effekten for meget store intensitetsværdier helt anderledes ud. Ændringen i brydningsindekset, ifølge forfatterne, bør ikke skrives lineært som en funktion af lysintensiteten, som det var før for Kerr-effekten, men skulle være repræsenteret som et fjerdegrads polynom, mens koefficienterne ved ulige intensitetsgrader skulle have positive værdier, koefficienter i lige grader er negative.

Hvordan, nu fra den "nye" lov for Kerr-effekten, at fortolke diffraktionsudbredelsen af ​​strålen i mediet,ikke tiltrækker plasma-effekten? Forklaringen er let at give, hvis vi konstruerer brydningsindeksets afhængighed af lysintensiteten (figur 4).

Fig. 4. Ændringen i brydningsindekset for det gasformige medium (stuetemperatur, tryk 1 atmosfære) afhængigt af intensiteten af ​​laserstråling (TW / cm2), som distribueres gennem det. Lodrette stiplede linjer viser intensitetsværdierne, for hvilke ændringen i brydningsindekset for en given gas bliver negativ. Rød dash kurve svarer til nitrogen blå – ilt, grøn – argon sort fast stof – at flyve Billede fra V. Loriot et al. Kerr brydningsindeks af større luftkomponenter Optik Express

Det fremgår af grafen, at når intensiteten når en bestemt værdi for et givet medium, bliver stigningen i brydningsindekset negativ. For eksempel er det for luft 26 TW / cm2. På dette tidspunkt begynder mediet at opføre sig som en diffusiv linse, defokuserer strålen og reducerer dens intensitet. Endvidere gentages billedet. Det viser sig, at selvfokuserings- og defokuseringsprocesserne kan forklares inden for rammerne af den opdaterede ikke-lineære Kerr-effekt.

Baseret på eksperimentelle undersøgelser fra deres franske kolleger besluttede spanske teoretiske fysikere at tage et nyt kig på udbredelsen af ​​en højintensitets laserstråle, især filamenteringsprocessen. De erstattede ligningen (den ikke-lineære Schrödinger-ligning), som beskriver udbredelsen af ​​en lysbølge i et ikke-lineært medium, en ny afhængighed af brydningsindekset i Kerr-effekten og derefter numerisk løst det separat for ilt og luft.

Det viste sig at, afhængigt af intensitetsværdien, har filamenteringsprocessen to faser. Indtil intensiteten af ​​laserstrålen krydsede en bestemt kritisk værdi, er hver filament en kæde af sfæriske regioner (bobler) lokaliseret i rummet med en intensitetsmaksimum ved deres centre og med et gradvist fald til nul ved kanterne (fig. 5). Disse områder danner i laserstrålens profil (i planet vinkelret på bevægelsesretningen) et regelmæssigt bestilt gitter.

For at udelukke mulige spekulationer bemærker vi, at der ikke er tale om en ændring i kvantestatistikken for fotoner (fotonen, som de var bosoner, forblev).Forfatterne af artiklen beregnet, at laserstrålens tryk i denne fase er proportional med kvadratet af dets intensitet. Hvis hver boble er forestillet som en fermion (en partikel med et halvt heltalspin), og stråleintensiteten er repræsenteret som densiteten af ​​disse bobler, så opnår vi ved udgangen den kvadratiske trykafhængighed af tæthed, hvilket er tilfældet for en degenereret fermiongas. Ved hjælp af denne analogi introducerede forfatterne udtrykket "fermion bobler" i deres artikel og navnet på denne fase er "fermion light".

Fig. 5. En stigning i laserstrålens intensitet fremkalder en faseovergang i den (omstrukturering af dens indre struktur) – fra kæderne af fermionbobler, der danner et bestilt gitter, der repræsenterer sfæriske områder lokaliseret i rum med en maksimal intensitet ved deres centre og gradvist faldende til nul ved deres kanter til en flydende fase dråber, hvor fermionboblerne slås sammen i et tykt filamentfilament. På sidepaneler Intensitetsfordelingen i laserstråleprofilen er vist: røde områder svarer til den maksimale intensitet blå – nulværdi Figur fra den diskuterede artikel i Phys. Rev. Lett

En yderligere stigning i laserstrålens intensitet (det kan f.eks. Opnås ved at sætte en speciel samleobjektiv i vejen for laserstrålen) fører til en gradvis konvergens af kæder af fermionbobler eller filamenter. Når intensiteten når en kritisk værdi (den kritiske værdi for luft, ifølge forfatterens beregninger, er ca. 30 TW / cm2), boblerne kombineres i et tykt filament. Inden for sine grænser er lysintensiteten ensartet fordelt (figur 5) og falder skarpt til nul uden for filamentet. Forfatterne beregnet, at det lette tryk, der udøves af den nyligt dannede struktur, er omvendt proportional med dets radius. Da den formelt opnåede afhængighed ligner den velkendte Laplace-formel, som bestemmer væskens yderligere tryk afhængigt af krumningen af ​​dens overflade, kaldte forfatterne denne fase af laserstrålen et væskedråbe.

Ved at justere laserstrålens intensitet kan man således observere en faseovergang fra fermiontilstanden til tilstanden af ​​et væskedråbe og omvendt. Selvfølgelig er skift mellem faserne hidtil kun blevet opdaget på papir.Forfatterne af artiklen håber imidlertid, at deres teori vil blive testet hurtigt og vil hjælpe andre videnskabsmænd til bedre at forstå filamenteringsprocessen af ​​en højintensitets laserstråle. Desuden siger forskerne i afslutningen af ​​artiklen, at resultaterne af deres teoretiske forskning kan pege på at forbedre effektiviteten af ​​eksperimenter om kondensering af vanddamp i atmosfæren med laserstråler (se: Du kan kondensere vanddamp i atmosfæren ved hjælp af en laser, elementer , 23.06.2010).

Kilde af: David Novoa, Humberto Michinel, Daniele Tommasini. Fermionic Light i fælles optiske medier // Phys. Rev. Lett. 105: 203904 (12. november 2010).

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: