Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Л. Краусс
«Страх физики». Глава из книги


Интервью с В. Сурдиным
Полет на Луну — это командировка на неделю


А. Акопян
Как ищут тёмную материю


И. Акулич
Идеальный почтовый индекс


А. Бердников
Интерференция в домашних условиях. Плёнки и антиплёнки


Интервью с Л. Марголисом
Леонид Марголис: «Мне всегда было интересно, как клетки разговаривают друг с другом»


А. Иванов
Сибирь и Северная Америка были единым целым более миллиарда лет назад


П. Амнуэль
Одиночество во Вселенной


Р. Фишман
Детективы каменного века


О. Макаров
Животные, которые дарят надежду







Главная / Новости науки версия для печати

Лазерный луч высокой интенсивности может испытывать фазовый переход


Рис. 1. Изначально структура лазерного импульса такова, что максимум интенсивности света приходится на центральную область. Слева: схематический график, показывающий, как меняется интенсивность излучения в луче по мере удаления от его оси. В центре: воздушная среда начинает вести себя по отношению к лазерному лучу как собирающая линза. Справа: этого плазма играет роль рассеивающей линзы. Рисунок с сайта americanscientist.org
Рис. 1. Изначально структура лазерного импульса такова, что максимум интенсивности света приходится на центральную область. Слева: схематический график, показывающий, как меняется интенсивность излучения в луче по мере удаления от его оси. В центре: поскольку показатель преломления воздуха увеличивается с ростом интенсивности излучения (эффект Керра), воздушная среда начинает вести себя по отношению к лазерному лучу как собирающая линза, вызывая его фокусировку (самофокусировку). Вследствие такой фокусировки интенсивность излучения становится достаточной для ионизации окружающего воздуха и образования плазмы в ограниченном объеме окружающей среды. Справа: показатель преломления плазмы меньше, чем у воздуха. Вследствие этого плазма играет роль рассеивающей линзы для лазерного излучения. Рисунок с сайта americanscientist.org

Явление фазового перехода обычно отождествляется с изменением ряда свойств или параметров какого-либо вещества — то есть набора атомов, электронов, ядер или других частиц с ненулевой массой. Испанские физики-теоретики обнаружили, что фазовый переход может испытывать и набор фотонов (частиц с нулевой массой покоя), образующих высокоинтенсивный лазерный луч. Они показали, что движущийся в в какой-либо среде (например, в воздухе) лазерный луч способен кардинальным образом менять свою внутреннюю структуру при увеличении интенсивности лазера, его порождающего.

Сразу оговоримся, что далеко не каждый луч, испускаемый лазером, может переходить из одной фазы в другую. Для этого мощность устройства, генерирующего световой импульс, должна быть очень высокой — она должна превосходить некое пороговое значение, определяющееся характеристиками среды и длиной волны света. Например, для излучения с длиной волны 800 нм, распространяющегося в воздухе, этот порог — приблизительно 3 ГВт (1 гигаватт = 109 Вт). При таких условиях луч имеет настолько высокую интенсивность, что практически перестает быть подверженным дифракции и может оставаться сфокусированным и не расходящимся на протяжении нескольких десятков, а то и сотен метров.

Бездифракционное поведение лазерного луча объясняется эффектом Керра — изменением показателя преломления среды, через которую распространяется свет. Установлено, что разность между показателем преломления среды до движения через нее видимого излучения и после равна произведению его интенсивности на некоторый коэффициент пропорциональности. Для большинства веществ коэффициент пропорциональности больше нуля. Это означает, что распространение света вызывает увеличение показателя преломления среды. Но чтобы возникающую разность можно было детектировать, интенсивность света обязана быть очень большой.

Приведем наглядный пример. Для воздуха коэффициент пропорциональности равен 3 · 10–19 см2/Вт. Интенсивность солнечного света, согласно данным (PDF, 355 Кб) Всемирной метеорологической организации, равна 120 Вт/м2. Следовательно, свет от Солнца вызывает увеличение показателя преломления воздуха на ничтожно малую величину — 3,6 · 10–20%. И тем не менее, несмотря на такую очень и очень маленькую поправку, именно эффект Керра не позволяет лазерному лучу с интенсивностью больше вышеупомянутого порогового значения расходиться.

Каким образом эффект Керра помогает лазерному импульсу? Обычно интенсивность света на оси лазерного луча имеет максимум (рис. 1, слева) и симметрично уменьшается к границам. Предположим, что лазерный луч движется в воздухе. Тогда, согласно эффекту Керра, показатель преломления воздуха в середине луча окажется больше, чем на краях. Из-за этой оптической неоднородности воздушная среда формально ведет себя по отношению к лазерному излучению как собирающая линза: толщина луча уменьшается (рис. 1, центр), а интенсивность света увеличивается. То есть луч как бы сам себя фокусирует — происходит самофокусировка.

На первый взгляд кажется, что луч способен коллапсировать до нулевой толщины. Однако когда интенсивность света достигает некоторого значения, наступает многофотонная ионизация. Фотоны лазерного излучения выбивают электроны из молекул воздуха (молекул азота и кислорода). Освобожденные электроны формируют плазму. По сравнению с воздухом плазма обладает меньшим показателем преломления, поэтому она формально ведет себя как рассеивающая линза и начинает дефокусировать луч, уменьшая его интенсивность (рис. 1, справа). Проскочив область с плазмой, луч продолжает свое движение, и ситуация повторяется.

В итоге, балансируя между процессами самофокусировки и дефокусировки, луч, не расходясь, преодолевает расстояния в десятки и сотни метров (рис. 2).

Рис. 2. Процессы самофокусировки (self-focusing) и дефокусировки (defocusing), позволяют лазерному лучу, не расходясь, преодолевать расстояния в десятки и сотни метров. Луч при этом в основном распространяется в среде через специально созданные им нити — филаменты. Адаптированный рисунок с сайта americanscientist.org и из обзора: A. Couairon, A. Mysyrowicz. «Femtosecond filamentation in transparent media» в журнале Physics Reports
Рис. 2. Процессы самофокусировки (self-focusing) и дефокусировки (defocusing), позволяют лазерному лучу, не расходясь, преодолевать расстояния в десятки и сотни метров. Луч при этом в основном распространяется в среде через специально созданные им нити (или нить) — филаменты (filament); см. пояснения в тексте. Адаптированный рисунок с сайта americanscientist.org и из обзора: A. Couairon, A. Mysyrowicz. Femtosecond filamentation in transparent media в журнале Physics Reports

Надо заметить, что помимо высокой интенсивности лазерный импульс должен обладать еще и маленькой продолжительностью — порядка фемтосекунды (10–15 секунды). В противном случае, вместо многофотонной ионизации среды, через которую он проходит, может возникнуть каскадная ионизация: концентрация освобожденных электронов становится такой, что они начинают ионизировать молекулы даже вдали от проходящего лазерного луча. Это приводит к дисбалансу между самофокусировкой и дефокусировкой. Луч перестает быть сфокусированным и быстро расходится.

То, что лазерный луч высокой интенсивности способен самофокусироваться и бездифракционным образом распространяться в среде, впервые экспериментально было продемонстрировано в 1994 году американскими физиками из Мичиганского университета при помощи 10-гигаваттного лазера, генерирующего импульсы длительностью 200 фемтосекунд с длиной волны 800 нм. В ходе этих экспериментов исследователи неожиданно обнаружили, что движение лазерного импульса в среде осуществляется в основном по очень тонким нитям, играющим для него роль своеобразных волноводов. Ученые назвали их филаментами (рис. 2), а сам процесс расщепления лазерного луча на нити-филаменты — филаментацией. На рис. 3 черные круглые области — это фотографии филаментов.

Рис. 3. Фотография процесса филаментации движущегося в воздухе лазерного импульса с длиной волны 800 нм, созданного лазером тераваттной мощности. Показано распределение интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного луча. Рисунок из статьи G. Méchain et al. Range of plasma filaments created in air by a multi-terawatt femtosecond laser в журнале Optics Communications
Рис. 3. Фотография процесса филаментации движущегося в воздухе лазерного импульса с длиной волны 800 нм, созданного лазером тераваттной мощности. Показано распределение интенсивности излучения в поперечном сечении (профиле) лазерного луча. Черные участки, соответствующие наибольшим значениям интенсивности света, — филаменты. Рисунок из статьи G. Méchain et al. Range of plasma filaments created in air by a multi-terawatt femtosecond laser в журнале Optics Communications

Между прочим, в настоящее время, когда появились очень мощные (тераваттные, 1012 Вт) лазерные установки, явление филаментации стало одним из наиболее активно изучаемых в теоретической и экспериментальной оптике.

Итак, сделаем промежуточный вывод: бездифракционное распространение лазерного луча высокой интенсивности возможно благодаря конкуренции двух процессов: самофокусировки луча, идущей из эффекта Керра, и дефокусировки, возникающей благодаря плазме. Казалось бы, на качественном уровне всё ясно. Однако в этом году в журнале Optics Express была опубликована статья Measurement of high order Kerr refractive index of major air components, в которой был подвергнут сомнению тот факт, что дефокусировка возникает благодаря плазме.

Французские ученые, авторы этой работы, провели серию экспериментов с тераваттными лазерными лучами, движущимися в различных газообразных средах: в воздухе, кислороде, аргоне и азоте. Было обнаружено, что начиная с интенсивности лазерного луча больше 26 ТВт/см2 показатель преломления никак не укладывается в ожидаемый линейный закон. Проще говоря, эффект Керра для очень больших значений интенсивности выглядит совершенно иначе. Изменение показателя преломления, по мнению авторов работы, нужно записывать не линейной зависимостью от интенсивности света, как это было раньше для эффекта Керра, а представлять в виде полинома четвертой степени, при этом коэффициенты, стоящие при нечетных степенях интенсивности, должны иметь положительные значения, а коэффициенты при четных степенях — отрицательные.

Как теперь, исходя из «нового» закона для эффекта Керра, трактовать бездифракционное распространение луча в среде, не привлекая влияние плазмы? Объяснение легко дать, если построить зависимость показателя преломления от интенсивности света (рис. 4).

Рис. 4. Изменение показателя преломления газообразной среды (комнатная температура, давление 1 атмосфера) в зависимости от интенсивности лазерного излучения (ТВт/см2), которое через нее распространяется. Изображение из статьи V. Loriot et al. Measurement of high order Kerr refractive index of major air components в журнале Optics Express
Рис. 4. Изменение показателя преломления газообразной среды (комнатная температура, давление 1 атмосфера) в зависимости от интенсивности лазерного излучения (ТВт/см2), которое через нее распространяется. Вертикальные пунктирные линии показывают значения интенсивности, для которых изменение показателя преломления данного газа становится отрицательным. Красная штрихпунктирная кривая соответствует азоту, синяя — кислороду, зеленая — аргону, черная сплошная — воздуху. Изображение из статьи V. Loriot et al. Measurement of high order Kerr refractive index of major air components в журнале Optics Express

Из графика видно, что, когда интенсивность достигает определенного значения для заданной среды, прибавка к показателю преломления становится отрицательной. Например, для воздуха это 26 ТВт/см2. В этот момент среда начинает вести себя как рассеивающая линза, дефокусирует луч и уменьшает его интенсивность. Далее картина повторяется. Выходит, что процессы самофокусировки и дефокусировки можно объяснить в рамках обновленного нелинейного эффекта Керра.

Основываясь на экспериментальных изысканиях своих французских коллег, испанские физики-теоретики решили по-новому взглянуть на распространение высокоинтенсивного лазерного луча, в частности на процесс филаментации. Они подставили в уравнение (нелинейное уравнение Шрёдингера), описывающее распространение световой волны в нелинейной среде, новую зависимость для показателя преломления в эффекте Керра, а затем численно решили его отдельно для кислородной и воздушной среды.

Оказалось, что, в зависимости от значения интенсивности, процесс филаментации имеет две фазы. Пока интенсивность лазерного луча не перешагнула некоторого критического значения, каждый филамент представляет собой цепочку локализованных в пространстве шарообразных областей (пузырьков) с максимумом интенсивности в их центрах и с плавным уменьшением до нуля на краях (рис. 5). Эти области образуют в профиле лазерного луча (в плоскости, перпендикулярной направлению его движения) регулярную упорядоченную решетку.

Чтобы исключить возможные спекуляции, заметим, что ни о какой смене квантовой статистики фотонов речи не идет (фотоны как были бозонами, так и остались). Авторы статьи рассчитали, что давление лазерного луча в этой фазе пропорционально квадрату его интенсивности. Если каждый пузырек вообразить фермионом (частица с полуцелым спином), а интенсивность луча представить как плотность этих пузырьков, то на выходе получим квадратичную зависимость давления от плотности, которая имеет место как раз для вырожденного газа фермионов. Используя эту аналогию, авторы и ввели в своей статье термин «фермионные пузырьки» и название для данной фазы — «фермионный свет».

Рис. 5. Увеличение интенсивности лазерного луча провоцирует в нём фазовый переход (перестройку его внутренней структуры) — от образующих упорядоченную решетку цепочек фермионных пузырьков, представляющих собой локализованные в пространстве шарообразные области с максимумом интенсивности в их центрах и с плавным уменьшением до нуля на их краях, к фазе жидкой капли, в которой фермионные пузырьки сливаются в одну толстую нить-филамент. Рисунок из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett
Рис. 5. Увеличение интенсивности лазерного луча провоцирует в нём фазовый переход (перестройку его внутренней структуры) — от образующих упорядоченную решетку цепочек фермионных пузырьков, представляющих собой локализованные в пространстве шарообразные области с максимумом интенсивности в их центрах и с плавным уменьшением до нуля на их краях, к фазе жидкой капли, в которой фермионные пузырьки сливаются в одну толстую нить-филамент. На вставках сбоку показано распределение интенсивности в профиле лазерного луча: красные участки соответствуют максимальной интенсивности, синие — нулевому значению. Рисунок из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett

Дальнейшее увеличение интенсивности лазерного луча (его можно достичь, например, поставив на пути лазерного луча специальную собирающую линзу) приводит к постепенному сближению цепочек фермионных пузырьков или филаментов. Когда интенсивность достигает критического значения (критическое значение для воздуха, согласно расчетам авторов, составляет около 30 ТВт/см2), пузырьки объединяются в один толстый филамент. В его пределах интенсивность света распределена равномерным образом (рис. 5) и резко падает до нуля за пределами филамента. Авторы рассчитали, что световое давление, которое оказывает новообразованная структура, обратно пропорционально ее радиусу. Поскольку формально полученная зависимость аналогична известной формуле Лапласа, определяющей добавочное давление жидкости в зависимости от кривизны ее поверхности, авторы назвали данную фазу лазерного луча жидкой каплей.

Таким образом, регулируя интенсивность лазерного луча, можно наблюдать фазовый переход из фермионного состояния в состояние жидкой капли и наоборот. Разумеется, переключение между фазами обнаружено пока что только «на бумаге». Однако авторы статьи надеются, что их теория вскоре будет проверена и поможет остальным ученым лучше понять процесс филаментации высокоинтенсивного лазерного луча. Кроме того, в заключении статьи исследователи говорят о том, что результаты их теоретических изысканий могут указать путь к улучшению эффективности экспериментов по конденсации водяного пара в атмосфере с помощью лазерных лучей (см.: Конденсировать водяной пар в атмосфере можно с помощью лазера, «Элементы», 23.06.2010).

Источник: David Novoa, Humberto Michinel, Daniele Tommasini. Fermionic Light in Common Optical Media // Phys. Rev. Lett. 105: 203904 (12 November 2010).

Юрий Ерин


Комментарии (15)



Последние новости: ФизикаЮрий Ерин

28.07
CMS не видит других примеров «неправильных» распадов хиггсовского бозона
27.07
Вышли материалы конференции LHCSki 2016
27.07
Рекордные по чувствительности эксперименты LUX и PandaX пока не поймали частицы темной материи
26.07
Физики обсуждают двухфотонный пик в контексте будущего линейного коллайдера
22.07
Предложен новый эксперимент для Большого адронного коллайдера
27.06
Коллайдер достиг проектной светимости
23.06
Поиск двухфотонного пика в новых данных ведется слепым анализом
20.06
LIGO поймала новые всплески гравитационных волн
15.06
Вышли статьи ATLAS и CMS о двухфотонном пике при 750 ГэВ
14.06
Коллайдер штампует рекорды

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия