3.2 Експеріментальне дослідження явища
Дослідження по спектроскопії домішкових неврегульованих твердотілих систем методом фотонної ехо-камери (ФЕ) були початі в лабораторії електронних спектрів в 1990 році. Ці дослідження сталі можливі в результаті розробки (Ю.Г. Вайнер, 1989-1990 рр.) методики низькотемпературних вимірів часів оптичного дефазування і швидкої спектральної дифузії в домішкових стеклах методом некогерентного ФЕ (НФЕ) і створення експериментальної установки. Вже перші виміри на створеній установці привели до виявлення (одночасно з групою американських дослідників (L.R. Narasimhan et al, Chem. Phys. Lett. v.176, N3,4 (1991)) спектральної дифузії [1-3]Наносекунди, важливому для розуміння природи елементарних низькочастотних збуджень в стеклах експериментальному факту. В даний час проводяться систематичні експериментальні і теоретичні дослідження по динаміці домішкових стекол з використанням двох різновидів техніки ФЕ: НФЕ з широкосмуговим лазерним джерелом і двохімпульсного пікосекундного ФЕ (2ФЭ).
Істотною перевагою методу НФЕ є можливість реалізації високого тимчасового дозволу, що робить можливим дослідження ультрамиттевих релаксаційних процесів в домішкових стеклах. Високий тимчасовий дозвіл установки (25 - 30 фс) дозволяє, зокрема, надійно розділяти ділянки кривих спаду ФЕ, відповідні бесфотонної лінії і фононному крилу (див. Мал. 3.2) і проводити таким чином виміри часу оптичного дефазування Т2 аж до температури 100 До і вище.
Мал. 3.2 Криві спаду двохімпульсної пікосекундної фотонної ехо-камери (а) і некогерентної фотонної ехо-камери (b-d) для системи цинк-октаетілпорфін в толуолі. Пунктирна лінія на (а) відповідає апроксимуючій експоненціальній залежності, використовуваній для визначення часу оптичного дефазування, Т2. Вставка на (d) демонструє розділення ділянок кривої спаду, відповідних бесфононной лінії (ZPL) і фононному крилу (PW).
Співпраця з дослідниками Байройтського університету (D. Haarer, S. Zilker), експериментальна установка 2ФЭ яких оснащена оптичним криостатом на Не-3, дало можливість вперше провести унікальні виміри процесів оптичного дефазування в домішкових стеклах в широкому діапазоні температур (від 0,35 До до 100 До) і отримати унікальну інформацію про релаксаційні процеси в стеклах в широкому температурному діапазоні [4-10] (див. Мал. 3.3). Ці виміри дозволили вперше визначити температури, при яких починає виявлятися вклад в оптичне дефазування, пов'язаний з взаємодією молекул домішки з квазілокалізованими низькочастотними коливальними модами аморфної матриці в системах, що вивчаються [3-11]. В ході цих вимірів був вперше виявлений ефект дисперсії часів оптичного дефазування Т2 в домішковій аморфній системі: тетра-терт-бутилтеррилен в поліізобутилені [7,12]. Аналіз залежності часів Т2 від температури в системах, що вивчаються, виявив відмінність низькотемпературної частини цієї залежності від передбачень теорії ФЕ в низькотемпературних стеклах.
Мал. 3.3 Температурні залежності зворотного часу оптичного дефазування, (яку можна розглядати як величину еквівалентну однорідній ширині лінії) для двох систем: – резоруфин в d-этаноле (a) і тетра-терт-бутилтеррилен в поліізобутилені (b), - виміряні методами двохімпульсної фотонної ехо-камери - (квадрати) і некогерентної фотонної ехо-камери - (кухлі). На (а) трикутниками показані результати незалежних вимірів виконаних в [M. Berg et al., J. Chem. Phys., 88, 1564 (1988)]. На (b) штриховими лініями показані вклади завширшки лінії від взаємодії домішки з дворівневими системами і квазілокальними низькочастотними модами матриці, переважаючі, відповідно, при низьких і високих температурах.
Чисельний аналіз отриманих даних і пояснення виявленої незгоди з передбаченнями існуючих теорій зажадав вдосконалення існуючих теоретичних моделей. Була розроблена і апробована модифікована модель ФЕ в низькотемпературних стеклах (А.В. Наумов, Ю.Г. Вайнер) [13,14]. Нова модель дозволяє враховувати всілякі мікроскопічні особливості взаємодії домішкових молекул з ДУС (наприклад, наявність мінімальної відстані між хромофорами і ДУС, дисперсію значень константи взаємодії примесь-ДУС, зміна властивостей матриці поблизу іонних хромофорних молекул і тому подібне). Для перевірки застосовності моделі м'яких потенціалів до опису процесів оптичного дефазування в аморфних середовищах розроблена методика розрахунків ширини ліній в таких середовищах в рамках моделі м'яких потенціалів (Ю.Г. Вайнер, М.А. Кольченко) [15,16]. Показано, що модель м'яких потенціалів якісно правильно описує температурну поведінку однорідної ширини бесфононной лінії у відносно широкому температурному діапазоні і може бути з успіхом використана в спектральних дослідженнях.
3.3 Місце фотонної луни серед інших явищ нелінійної оптики
Науковий напрям “Спектроскопія атомів і молекул” є одним з фундаментальних напрямів сучасної фізики. Даний напрям поширюється на такі явища нелінійної оптики: атомна і молекулярна спектроскопія; математична обробка і інтерпретація спектроскопічного експерименту; квантова динаміка і спектроскопія багатозарядних іонів; когерентна і нелінійна оптика.
Запропоновані нові підходи і розроблений комплекс прикладних програм для вирішення зворотних і прямих завдань обробки і інтерпретації експериментальних даних з особливостями (фрактальний шум, перемежана, статечні для дробу тренди, пропуски в даних і ін.). Розвиваються ідеї по вживанню вейвлет-перетворення для усунення обчислювальної нестійкості некоректних завдань. Запропоновано використовувати базис адаптивних вейвлетов в разі миттевопротікаючих процесів в нелінійних динамічних системах, редукції складних сигналів і томографії. На основі безперервного вейвлет-перетворення і методу похідної спектрометрії розроблений алгоритм підвищення дозволу спектральних ліній, частково і повністю перекритих. Використовуючи концепцію дробової похідної, створений метод визначення аналітичної форми спектральних ліній і їх параметрів на основі розподілів Гауса, Лоренца і Цалліса.
Спектроскопія багатозарядних іонів, яка почала в 80-і роки інтенсивно розвиватися в провідних наукових центрах світу у зв'язку з прогресом в області технології здобуття пучків важких іонів, є одним з напрямів сучасній атомній спектроскопії. Для дослідження спектрів багатозарядних іонів, які із-за сильного обурення власним полем випромінювання не можуть бути описані в рамках теорії обурень стандартними методами квантової електродинаміки, був потрібний розвиток нових методів в квантовій теорії. На кафедрі були закладені основи нового методу в квантовій теорії, який може відкрити нові можливості для опису квантово-електродинамічних ефектів в спектрах випромінювання багатозарядних іонів. В рамках методу була побудована теорія нестабільних зв'язаних станів атомних систем, процесів випромінювання і автоіонізаційного розпаду без звернення до теорії обурень і квазістаціонарного наближення, а також побудована теорія природного розширення спектральних ліній атомів, застосовна і у разі, коли взаємодія атома з власним полем випромінювання не є малим обуренням. Показано, що в разі перекривання рівнів станів з однаковими повним моментом, його проекцією і парністю, яке може мати місце для важких багатозарядних іонів, взаємодія атома з власним полем випромінювання стає ефективно сильною і може наводити до істотної відмінності форми контура спектральної лінії від лоренцевскої. Проведені розрахунки контурів спектральних ліній He- і Li- подібних іонів урану показали, що в таких спектрах можуть спостерігатися непертурбативні ефекти, наприклад, розщеплювання спектральних ліній, обумовлене взаємодією атома з власним полем випромінювання.
В області когерентної оптики ведуться наступні наукові дослідження: 1) розробка нових методів оптичної ехо-камера-спектроскопії, у тому числі у фемтосекундному діапазоні тривалості; 2) розробка нових фізичних принципів оптичної обробки інформації на основі довгоживучої фотонної ехо-камери і тригерного оптичного надвипромінення; 3) розробка теоретичних основ лазерного охолоджування твердих тіл і оптимальних режимів роботи лазерних рефрижераторів; 4) дослідження актуальних проблем квантової оптики і, серед них, - проблеми посилення стислого світла в режимі тригерного оптичного надвипромінення, а також проблеми квантової пам'яті на основі оптичного субвипромінювання.
4. Математичній апарат для опису фотонної луні
У атомній фізиці зазвичай мають справу лише з одним типом взаємодії атомних електронів і вільних фотонів - поглинанням фотона частоти n під час переходу електрона із стану з енергією E1 в стан з енергією E2.
Ріс.4.1 Механічна модель поширення світла в речовині
На рис.4.1 представлена механічна модель поширення фотона в речовині з врахуванням перевипроминювача. Кулька масою m0, рухаючись із швидкістю v, налітає на ланцюжок сферичних маятників, що мають таку ж масу m0. При зіткненні з першим маятником кулька, за законами пружних зіткнень, передає йому всю швидкість v. Той здійснює повний оберт (якщо v > 2(rg) 1/2, де r - довжина підвісу, g - прискорення вільного падіння) і після повторного зіткнення з кулькою повертає йому швидкість v.
Уповільнення поширення світла в речовині - явище добре відоме: з ним пов'язаний ефект заломлення під час переходу кордону розділу двох середовищ. Його зазвичай характеризують показником заломлення n (v = c/n). У звичайних умовах значення n близькі до одиниці (для скла n близько 1.5) для vmin виходить значення n=1012. Що ж заважає спостерігати значення n>>1 для резонансних фотонів?
Річ у тому, що атоми в речовині беруть участь в тепловому русі. Через це їх реакція на вільний фотон виявляється різною або, як прийнято говорити в оптиці, некогерентній. У механічній моделі така некогерентність може бути зв'язана, наприклад, з виходом маятників з площини малюнка. В цьому випадку рух кульки стане непрямолінійним, і якщо замість ланцюжка узяти плоску сітку маятників, то на виході з неї кулька матиме довільний напрям швидкості.
Отже, взаємодія атомного електрона з вільним резонансним фотоном може кінчитися виселенням першого в збуджений стан і затриманням другого. Але цей процес займає кінцевий час, протягом якого електрон блукає між станами з енергіями E1 і E2, а затриманому фотону наказ про звільнення то підписується, то відміняється. Якщо в проміжку між підписанням наказу і його відміною фотон встигає ушитися за межі фотонної хмари, то спроба атома збудитися виявляється невдалою. Таких фотонів, що зірвалися з гачка, в зразку зазвичай багато, і пов'язане з ними результуюче випромінювання залежить від міри когерентності перехідних процесів в атомах. Якщо вони когерентні, то і фотони, що випромінюють, формують когерентне випромінювання, подібне лазерному. Повністю некогерентні процеси наводять лише до теплового випромінювання.
