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


15
Показать комментарии (15)
Свернуть комментарии (15)

  • Frank  | 21.12.2010 | 10:08 Ответить
    Я невнимательно прочитал, или в статье с названием "Лазерный луч высокой интенсивности может испытывать фазовый переход" речь идёт о фазовом переходе (или даже псевдофазовом) газа (среды распространения), а не фотонов луча?
    Ответить
    • Vortex > Frank | 21.12.2010 | 10:56 Ответить
      Не газовой среды, именно лазерного луча (набора фотонов).
      Ответить
      • Frank > Vortex | 21.12.2010 | 13:43 Ответить
        Мне всё же кажется, что наибольший интерес представляет собой не столько путь прохождения фотонов ("формирующих" псевдопузырьки), а структура светопроводящей среды (т.е. изменения в самом газе, его изменения под действием проходящего электромагнитного излучения высокой интенсивности). За газом (атомами и молекулами в таком ничтожном объёме) тяжелее наблюдать, чем за проходящим через него светом, но реальный (или псевдо) фазовый переход, чую, испытывает таки реальный газ, а не фотоны, лёгким движением пера по бумаге представленные фермионами..
        Иными словами - интересно, что происходит с газом в процессе прохождения импульса? Кажется, исследователи даже не делали предположений об изменениях в нём, а занялись расчётами для описания формы луча в этом газе.
        Ответить
        • MayDay > Frank | 21.12.2010 | 19:23 Ответить
          Видимо, в этом и заключается фазовый переход - от бозонов к фермионам :)
          И самофокусировку и световые солитоны в нелинейных средах еще в 60-е годы исследовали вдоль и поперек.
          Ответить
        • ser200 > Frank | 25.04.2011 | 22:21 Ответить
          Схожий эффект наблюдается и с выходом газа под давлением из трубы, есть наверное в инете. Я сам наблюдал выход метана из "свечи" (газовое оборудование),кроме очень сильного шума интересный эффект наблюдается.
          Тоже объяснение можно применить и лазерному пучку большой интенсивности, т. е. все гораздо проще, он просто образует канал. Давление фотонов "выжимает" из него воздух (распространяясь уже вне воздуха, но отдавая часть энергии на создание канала)... .
          Ответить
  • um pytliviy  | 21.12.2010 | 13:36 Ответить
    Замечание по первому абзацу: если уж говорится про интенсивность, то лучше бы так и писать столько-то ватт на такую-то площадь, а не просто Вт. И, интуитивно понятно, порог как раз не мощностью определяется, а интенсивностью, т.е. сколько энергии закачивается за 1 с. в такое-то сечение. Ведь если эти 3 ГВт вкачивать на площадь 1 м^2, то этот порог (самофокусировки и т.п.) не будет пройдён.
    Ответить
    • spark > um pytliviy | 21.12.2010 | 13:57 Ответить
      > И, интуитивно понятно, порог как раз не мощностью определяется, а интенсивностью,...

      Интуитивно понятно, что в зависимости от поперечного размера у вас разная угловая дифракционная расходимость и, значит, разные требования к силе фокусировки, которая эту расходимость пересиливает. Чем меньше размер, тем сильнее дифракционное разбегание, тем сильнее должен быть эффект фокусировки, а значит, тем больше должна быть интенсивность. Поэтому-то пороговое значение имеется именно у мощности, а не у интенсивности. Если мощность превышает порог, то дифракционное разбегание будет преодолено при любом (разумном) поперечном размере луча.
      Ответить
      • um pytliviy > spark | 21.12.2010 | 14:42 Ответить
        spark, да, пожалуй, вы правы. Но смущает оговорка "при разумном поперечном сечении пучка". В выражение для мощности самофокусировки должен входить этот размер поперечный, чтобы не делать оговорок о степени разумности его размера. Конечно, если это гауссов пучок, то расходимость будет дифракционной и в выражение для мощности войдёт длина волны просто (хотя, именно она и несёт косвенную информацию о поперечном размере пучка).
        Ответить
        • spark > um pytliviy | 21.12.2010 | 15:59 Ответить
          «Разумный» я написал для осторожности, чтоб нельзя было придраться, что под словом «любой» я имею в виду вообще любой размер. :)
          Ответить
  • um pytliviy  | 21.12.2010 | 13:59 Ответить
    Мнда, поражает как авторы свободно и без смущения генерируют новые понятия "фермионный свет", "жидкая капля", "фазовый переход света"... герои! Это всё красиво звучит, но лучше бы так вольно не оперировать терминами, чтобы не вводить в заблуждение. Хотя, конечно, чем больше красивых слов, тем красивее смотрится проект в глазах тех, кто его финансирует ;) Тут можно вспомнить, например, нашумевшую в своё время новость об "остановке" света - такое название помогло привлечь к себе огромное внимание, но ничего общего с действительностью не имело.
    Ответить
  • lesnik  | 23.12.2010 | 17:01 Ответить
    Интенсивность солнечного излучения около 1 кВт/м^2 (http://en.wikipedia.org/wiki/Sun#Sunlight). Вы среднее значение привели.

    Как-то немного запутано с фермионами. Вообще не понял зачем нити называть фермионами. И с фазовым переходом запутано. Он хоть какого рода? И может быть есть какое-нибудь простое объяснение эффекта - соединения нитей, если он имеет место?
    Ответить
    • Vortex > lesnik | 23.12.2010 | 21:53 Ответить
      Приблизительно 1 кВт/м^2 - это значение солнечной постоянной, т.е. всё электромагнитное излучение (не только видимый свет), идущее от Солнца.
      Согласно статье каждый филамент представляет собой цепочку "пузырьков" - локализованных в пространстве "кусочков" светового луча. Представим пузырьки как газ частиц. Давление этого газа пропорционально квадрату его плотности. Где такая зависимость реализуется ещё? Для вырожденного газа частиц с полуцелым спином, т.е. фермионов. Отсюда и название. Это не более, чем аналогия. Захотелось авторам привлечь внимание к своей работе :)
      Авторы не пытались что-то объяснить. Они лишь промоделировали возможный сценарий развития процесса филаментации. Как оно есть на самом деле, предстоит ещё проверить в экспериментах.
      Ответить
      • lesnik > Vortex | 24.12.2010 | 13:45 Ответить
        Спасибо за пояснения. Теперь, наверное любую систему, у которой давление пропорционально квадрату плотности можно называть фермионной. Ж) Кстати, может быть не сложно придумать?

        Насколько я понимаю, практически всё солнечное излучение находится в видимом диапазоне с максимом в области длин волн зелёного цвета. А вы ему только 10% всей энергии приписываете.
        Ответить
  • pta.sistem  | 24.12.2010 | 00:31 Ответить
    "Испанские физики обнаружили, что фазовый переход может испытывать и набор безмассовых частиц — фотонов, образующих лазерный луч."

    Очевидно, если бы физики "заглянули" в структуру(?) фотона, то обнаружили бы и там фазовые переходы. Потому как "явление фазового перехода", в принципе, сопутствует любому Изменению состояния Вещества. А воспринимается,в некотором понимании, спонтанным лишь в силу неспособности инструмента наблюдения показать эволюционный ход событий.
    Хотя, в принципе, как лабораторная работа, этот опыт не лишен смысла.
    Ответить
  • Скеп-тик  | 23.03.2011 | 13:02 Ответить
    На самом деле все просто и понятно.Когерентный луч взаимодействует своими составляющими (магнитной и электро) с электронными оболочками молекул и деформирует их.При некотором пороговом уровне мьлекулы, взаимодействуя друг с другом,выстраиваются в решетку-волновод,со всеми узлами и пучностями в зависимости от длинны волны,состава и температуры среды, минимизируя взаимодействие среды и луча.Это математически описать - голову сломаешь.
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»