Взаємодія лазерного випромінювання з атомами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара

Кафедра радіоелектроніки

РЕФЕРАТ

З курсу: «Фізика твердого тіла»

На тему: «Взаємодія лазерного випромінювання з атомами»

Виконавець: Логунцова К.С.

Перевірив: д. ф. - м. н., проф.

Буланий М. Ф.

Дніпропетровськ - 2015

Зміст

• Вступ
• 1. Взаємодія лазерного випромінювання з атомами
• 2. Структура рідин
• 3. Пробій рідин під дією лазерного випромінювання
• 4. Тунельний ефект в лазерному полі
• 5. Застосування моделі Келдиша-Файсала-Ріса в якості теоретичного методу опису тунельного механізму пробою
• Висновок
• Список використаної літератури

• Вступ
• У стрімкому розвитку сучасної науки і техніки одне з перших місць, безсумнівно, належить розробці і застосуванню оптичних квантових генераторів (ОКГ) - лазерів. Створення потужних джерел когерентного монохроматичного випромінювання - лазерів послужило поштовхом до вивчення фізичних явищ, що виникають при взаємодії потужного світлового пучка з атомами. У тому числі і вивчення фізичної природи явища пробою рідини в поле дуже інтенсивного світлового випромінювання. Поняття фундаментальних механізмів взаємодії електронів в рідині із зовнішнім електричним полем. Розуміння цих механізмів відкриває нові перспективні області застосування лазерного випромінювання в науці і техніці. У тому числі і заміна традиційних методів обробки матеріалів.

• 1.Взаємодія лазерного випромінювання з атомами
• На початку XX століття формулювання А. Ейнштейном закону для фотоефекту відкрила дослідження цього процесу, одного з основних процесів, що виникають при взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною. Атомний фотоефект, іменований також процесом фотоионизации атома, є варіантом фотоефекту на атомарному рівні взаємодії випромінювання. У першій половині XX століття процес фотоионизации атома був детально вивчений експериментально і описаний теоретично [1].
• Основною рисою процесу фотоіоноізаціі атома є його однофтонная природа - елементарний акт відриву електрона від атома відбувається в результаті поглинання одного фотона. Відповідно на сучасному рівні цей процес називається також однофотонной іонізацією атома [2].
• У першій половині XX століття були виявлені, досліджені і описані також і інші елементарні процеси, що виникають при взаємодії світла з атомом - фотозбудженого атома, релєєвськоє і романовське (комбіноване) розсіювання світла атомом.
• Рис.1
• Схеми однофотонних процесів: a - фотоіанізація атома, б - фотозбудженого атома, в - релєєвськоє розсіювання світла атомом,г - мановське розсіювання світла атомом. Е - енергія електрона в атомі, Еi - потенціал іонізації атома, n - сновний стан, m, q - збуджені зв'язані стани електрона в атомі,прямі стрілки - вимушені переходи електрона в результаті поглинання фотона, хвилясті стрілки - світло, розсіяне атомами.
• У середині XX століття були відкриті якісно нові явища, що виникають при взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною. Ці відкриття були стимульовані революційними змінами в характеристиках джерел світла. Поява лазерів дало в руки експериментаторів монохроматичне випромінювання оптичного діапазону частот гігантської інтенсивності, що істотно перевищує атомну інтенсивність . Відповідно напруженість поля лазерного випромінювання істотно перевищує атомну напруженість поля . З порівняння цієї величини з інтенсивністю долазерних джерел монохроматичного випромінювання - спектральних ламп - складової величину порядку 1-10 Вт / см2, ясно, що при взаємодії лазерного випромінювання з речовиною повинна виникнути якісно нова фізика.
• Дійсно, використання лазерного випромінювання дозволило виявити існування крім процесу однофотонной іонізації атомів також і процесу многофотонной іонізації атомів. Основою рисою процесу многофотонной іонізації атома є той факт, що відрив електрона від атома відбувається в результаті поглинання декількох фотонів в одному елементарному акті.
• Використовуючи лазерне випромінювання, були виявлені і багатофотонні аналоги інших основних однофотонних процесів - многофотонной збудження атома, збудження вищих гармонік при розсіянні світла (многофотонной релєєвськоє розсіювання світла) і гіперрамановское (многофотонной раманівське) розсіювання світла атомом.
• Таким чином, використання високоінтенсивного лазерного випромінювання привело до виникнення нової глави фізики - нелінійного (багатофотонного) взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною на атомному рівні.
• лазерний випромінювання тунельний рідина

• Рис.2. Схеми багатофотонні процесів: a - багатофотонні фотоіанізація атома, б - многофотонной збудження атома, в - збудження вищої (третьої) гармоніки падаючого випромінювання, г - гіперрамановское розсіювання світла атомом.
• Позначення ті ж, що і на рис.1- стан електрона, поглинув один або кілька фотонів.
• Виявлення багатофотонні (нелінійних) процесів призвело до сучасного погляду на однофотонні процеси, як результат реалізації граничного випадку, коли взаємодія відбувається при малої інтенсивності світла.
• За другу половину XX століття процеси многофотонной (нелінійної) іонізації атомів були детально досліджені експериментально і всебічно описані теоретично. До теперішнього часу ця глава фізики являє собою дослідження, закінчене в основних рисах. Цьому питанню присвячено сотні робіт, десятки оглядів і ряд монографій. Оскільки лазерне випромінювання володіє унікальними властивостями (частота і монохроматичность, потужність, когерентність і мала кутова розбіжність) виникла потреба в з'ясуванні особливостей його взаємодії з атомами. Перейдемо до опису деяких ефектів, що виникають при взаємодії лазерного випромінювання з атомами.
• Іонізацію речовини під дією світла називають фотоіонізація.
• Основні закони фотоефекту:

1. Число електронів N вибиваються з речовини під дією світла, пропорційно інтенсивності світлового потоку I:

N ? I , (1)

2. Фотоелектрони не утворюються, якщо довжина хвилі випромінювання більше деякого критичного значення (червоної межі фотоефекту), яке характерно для кожного конкретного речовини.

Наявність червоної межі фотоефекту означає, що речовина характеризується деякою мінімальною енергією (потенціалом іонізації), яку необхідно затратити, щоб вирвати з речовини один електрон. Енергія кожного фотона визначається його довжиною хвилі за допомогою формули,

де с - швидкість світла. Звідси видно, що якщо довжина хвилі занадто велика, то енергії фотона може не вистачити для вибивання електрона.

З пропорційності числа фотоелектронів інтенсивності світлового потоку випливає, що фотони "народжують" електрони незалежно один від одного.

Потенціали іонізації різних речовин сильно розрізняються. Від декількох десятків до декількох одиниць. Тому, здавалося б, оптичне випромінювання не може призводити до іонізації атомів.

Однак такий висновок випливає з класичних законів фотоефекту. Якщо ж оптичне випромінювання є досить сильним, то іонізація може статися внаслідок одночасного поглинання декількох фотонів. Іншими словами, велика потужність світла скасовує закон про наявність червоної межі фотоефекту: іонізація може відбутися під дією випромінювання з великою довжиною хвилі, якщо потужність цього випромінювання досить велика. Дане явище отримало назву многофотонной іонізації.

Оскільки при многофотонной іонізації для вибивання одного електрона потрібно кілька квантів, фототек перестає лінійно залежати від інтенсивності світла. Таким чином скасовується і другий закон класичного фотоефекту.

На початку досліджень многофотонной іонізації вважалося, що залежність фотоструму від інтенсивності повинна бути статечної:

N ? (2)

де показник ступеня q визначає мінімальне число квантів, необхідних для іонізації.

Згідно з квантовою механікою, електрони в атомах може перебувати лише в станах з деякими цілком певними значеннями енергії. Тому після поглинання першого фотона, енергія якого недостатня для іонізації, атом не може чекати, коли до нього підлетить другий фотон, оскільки енергія стану очікування заборонена квантовою механікою. Проте випадково (а через складність атомних спектрів такі випадки досить вірогідні) може виявитися, що після поглинання якого-небудь фотона енергія атома наблизиться до дозволенного енергетичного стану.

А далі слід врахувати, що енергетичне положення цього стану саме залежить від інтенсивності лазерного випромінювання, оскільки інтенсивність велика. Виникає явище, зване динамічним ефектом Штарка і складається в зміні атомного спектра лазерним полем. В результаті положення атомних рівнів починають змінюватися зі зміною лазерної інтенсивності.

Залежно нелінійного фототока від частоти многофотонной збудження проявляється вигляді резонансу. Тому багатофотонні іонізацію з проміжним збудженням реальних атомних станів називають резонансною, тоді як іонізацію з відсутніми проміжними резонансами називають прямою.

2.Структура рідин

До застосування рентгенівського аналізу теорія рідкого стану речовин грунтувалося на концепції, яка витікає з рівняння Ван-дер-Ваальса, за яким встановлювалася певна поступовість переходу від газоподібного стану до рідкого. При сильному стисненні міжмолекулярні сили зчеплення між частинками газу стають настільки значними, що речовина вже саме зберігати свій об'єм, незалежно від зовнішнього тиску. Відбувається зміна агрегатного стану і утворюється рідина, яку, за цими уявленнями, можна розглядати як сильно стиснений газ. Однак рентгенівський аналіз показав, що сконденсовані частки газу утворюють невеликі групи з упорядкованою структурою. З концепції про стиснутому газі це безпосередньо не витікало.

Якщо електрони окремих атомів мали з останніми порівняно слабку зв'язок, то при зближенні до відстаней, порівнянних з розмірами електронних орбіт, має відбуватися "усуспільнення" цих електронів. Такий стан буде характерно для металів. У разі ж сильного зв'язку електронів з окремими атомами подібного роду зближення не викличе "усуспільнення" електронів, у яких зв'язок зі своїми атомами в якійсь мірі збережеться. Речовина тоді буде діелектриком. Отже, останній повинен складатися з окремих атомів, силові поля яких утримують свої електрони. При поглинанні квантів енергії, наприклад при опроміненні, електрони можуть вийти зі сфери дії своїх атомів і утворювати струм провідності.

При подібного роду опроміненні може виявитися, що поглиненого кванта енергії буде недостатньо для повного відриву електрона від свого атома. Електрон прийде в збуджений стан, тобто обертатиметься навколо свого атома по більшій орбіті. При зіткненнях атомів збуджений стан може передаватися іншим атомам, тобто утворюватимуться екситони, але провідності не виникне. Таке явище спостерігається на досвіді і легко пояснити з точки зору класичної концепції полягає в уявленні про діелектрику як про стиснутому газі. З зоною точки зору вказане явище пояснити важко.

В даний час прийнято вважати, що рідина при температурах, близьких до тих, при яких відбувається кристалізація, має багато спільних рис з кристалами, ніж з газами, а при температурах або тисках, близьких до "критичним", рідина більше схожа на газ. Таким чином, рідкий стан є проміжним. Риси і відмінності виступають особливо наочно в характері теплових рухів. У газах молекули швидко і безладно рухаються, і взаємодія частинок настає головним чином тільки при зіткненнях, які повідомляють газам деякі характерні риси (дифузія, теплопровідність і в'язкість).

У твердих тілах атоми тривало здійснюють теплові коливання в одному і тому ж оточенні, але це оточення не є постійним: атоми з одного положення рівноваги переходять в інше (вузли та міжвузля), і таким чином, хоча і повільно, але також як і в газах , відбувається безперервне перемішування атомів. У цьому відношенні вже є деякі риси подібності газу та твердого тіла.

Для руху частинок в рідині є значно більший простір, ніж в твердому тілі, оскільки, наприклад. При плавленні кристалів їх обсяг збільшується на3-10% .Проте частинки рідин, також як і частинки кристалічного тіла, здійснюють коливання близько тимчасового положення рівноваги. При достатньої енергії частинка рідини покидає це положення і переходить в нове оточення .Такие переходи трапляються вельми часто, і в цьому рідини суттєво відрізняються від твердих тіл. При переходах, внаслідок теплового руху, в рідинах можуть мимовільно утворюватися мікропорожнини за рахунок розширення частинок в сторони (процеси кавітації) .Ці порожнини, як можна припускати, грають деяку роль в явищі розкиду при визначенні величин пробивних напруг, що зазвичай приписується впливу домішок і деяким випадковим факторам.

Тривалість коливань частинок рідин близько одного рівноважного положення залежить від температури. При збільшенні останньої це число коливань зменшується. При вивченні закономірностей розсіяння рентгенівських променів рідинами були знайдені, хоча і розмиті, але певні максимуми розсіяного випромінювання. На підставі цього можна було припускати наявність деякої впорядкованості в структурі рідких тіл.

Таким чином, можна вважати встановленим існування в рідинах мікрооб'ємах з упорядкованою структурою. У цьому відношенні рідина також має певну схожість з твердим тілом. Виявляється, що на тлі загального безладу рідин все ж мають певний порядок в розташуванні на малих відстанях (ближній порядок).

Рентгенівський аналіз, однак, не дає можливості визначити природу таких квазікрісталлітних груп в тій же мірі, як це можна зробити для кристалів. В даний час про природу цих перетворень можна висловити два припущення.

По першому з них, в мікрообластях з розмірами 10-20 А є певна порядна структура розсіюючих центрів, дуже близько нагадує кристалічну будову. На підставі цього подання рідину можна розглядати що складається з дуже великої кількості дрібних кристаликів (кристалітів), розділених аморфними прошарками.

За другим пропозицією, молекулярна впорядкованість рідин відповідає так званому сіботактіческому станом. У певний момент часу рідину можна уявити теж складається їх невеликих впорядкованих груп. Але молекули в цих сіботактіческіх групах міцно не закріплені, а постійно зміщуються. Та й самі групи не існує тривалий час, а розпадаються і створюються знову. Цим сіботактіческіе групи відрізняються від кристаллитов твердої речовини. При зміні температури структура сіботактіческіх груп може теж змінюватися. З наближенням до точки кристалізації, внаслідок дії сил, що обумовлюють кристалічну будову, структура цих груп може наблизитися до кристалічної. Це підтверджується і даними рентгенівського аналізу. Криві інтенсивності розсіяних променів в рідинах при температурі, близькій до точки кристалізації, робляться схожими з такими ж кривими для твердого кристалічного стану. Мабуть, і середнє розташування розсіюючих центрів в рідинах при цьому робиться таким же, як і у кристала.

З наведених даних випливає, що пробивна напруженість рідин залежить від їх структури і що заздалегідь передбачити характер зміни Е при переході речовин з газоподібного стану в рідкий поки неможливо. Основні електричні властивості рідин, мабуть, визначаються «ближнім порядком», тобто характером взаємодії молекул з найближчими сусідами, як це має місце в напівпровідників.

3. Пробій рідин під дією лазерного випромінювання

Якщо до металевих електродів, розділеним рідиною, докласти достатньо висока напруга, в рідині відбувається надзвичайно швидка іонізація, внаслідок чого рідина перетворюється в газ а, потім в плазму, набуваючи електричну провідність. Це явище називається електричним пробоєм рідини. Як правило, пробій можна спостерігати неозброєним оком, він супроводжується світловим спалахом, часом досить яскравою, випаровуванням рідини. Пробій є результатом лавинної іонізації, яка починається від невеликого числа випадкових затравочних електронів.

Електрони, прискорюючись електричним полем, набувають енергії, достатньої для відриву електрона від молекули або атома, і виробляють іонізацію, віддаючи на це придбану енергію. Від кожного енергійного електрона виходить два повільних, вони, в свою чергу, набувають енергію від поля, ионизуют атоми, виходить чотири і т.д. Так розвивається електронна лавина, рідина іонізується до тій чи іншій мірі, яка залежить від багатьох причин, зокрема від того, який струм може пропустити зовнішня ланцюг. Процеси іонізації завжди супроводжуються актами збудження атомів, які висвічуються і дають видиму спалах.

Основними процесами електричного пробою рідини в початковій стадії є багатофотонні іонізація каскадна, або лавинна іонізація. Перші електрони з'являються завдяки залежному від частоти тунельному ефекту, на високих частотах тунельний механізм еквіваленті многофотонной іонізації.

4. Тунельний ефект в лазерному полі

Одне з принципових відмінностей многофотонной іонізації від однофотонной полягає в наступному. Оскільки е нергія кожного світлового кванта в багатофотонні випадку може бути дуже мала, а отже, великий період світлових коливань, багатофотонна іонізація повинна в межі переходити в випадок іонізації атома в постійному електричному полі. Як відомо, польова іонізація описується квантовою механікою як туннелирование електрона під потенційним бар'єром. Іншими словами, іонізацію атома в постійному полі можна розглядати як многофотонной поглинання, коли енергія кожного окремого фотона прагне до нуля, а число поглинених фотонів стає нескінченним.

Умова виникнення тунельного ефекту в змінному полі можна якісно зрозуміти таким чином (рис. 1). В силу когерентності лазерне випромінювання можливо уявити як класичну електромагнітну хвилю, причому магнітної складової хвилі можна знехтувати. Тоді на атомний електрон діє електричне поле, періодично змінюється в часі з частотою лазерного випромінювання. У випадку, якщо електрон встигне протуннеліровать з атомної потенційної ями глибиною U за один напівперіод поля, він виявиться іонізованним відповідно до законів тунельного ефекту, описуваного формулою (3). В іншому випадку буде реалізований, як кажуть, багатофотонний режим, який описується формулою:

(3)

У цій формулі m і е - маса і заряд електрона, а U- потенціал іонізації атома

Виникнення тунельного ефекту в змінному полі. За один напівперіод поле в околиці атома змінюється від кривої (1) до кривої (2). Якщо за цей час електрон встигне "просочитися" через потенційний бар'єр, утворений полем атомного залишку і лазерним полем, відбудеться тунельний ефект; в іншому випадку реалізується багатофотонний режим.

Ріс.3. Схема тунелювання електрона через квазістатичний потенційний бар'єр в напрямку дії поля; а - атом у відсутності зовнішнього поля, штрих - пунктирна лінія - кулонівський потенціал, б - атом у полі напруженістю F, суцільна крива - потенційний бар'єр, 0 - атомне ядро, Ei - енергія зв'язку лектрона в атомі, V - висота бар'єру, z - координата вздовж напрямку поля.

При V> Ei відбувається процес надбар'єрного розвалу атома.

5. Застосування моделі Келдиша-Файсала-Ріса в якості теоретичного методу опису тунельного механізму пробою

В основу теоретичних методів опису процесу нелінійної іонізації атомів покладено кілька основних закономірностей, що характеризує цей процес. Перерахуємо ці закономірності.

· Велика напруженість поля випромінювання, при якій реалізується процес нелінійної іонізації атомів; мова йде не тільки про поля субатомной (F <Fa), але й атомної (F = Fa) і сверхатомной (F> Fa) напруженості.

· Необхідність опису переходів електрона, що відбуваються при впливі двох полів порівнянної амплітуди - кулонівського поля атомного остова і зовнішнього поля випромінювання.

· Необхідність обліку обурення атомного спектра зовнішнім іонізующей полем при виникненні резонансного переміщення атомних станів, або нерезонансного зміни їх енергії за рахунок ефекту Штарка.

· Можливість використання напівкласичного методу опису взаємодії атома з полем випромінювання, в рамках якого поле описується на мові класичної фізики, а атом - мовою квантової механіки. Можливість опису випромінювання на мові класичної фізики обумовлена великим числом когерентних фотонів, під дією яких відбувається процес нелінійної іонізації.

Імпульсний характер поля випромінювання великої напруженості і типова форма імпульсу, в якій тривалість фронту ф? порядку тривалості ф? самого імпульсу. Чисельно величини ф? :ф? лежать в межах від нано-до фемтосекунд. Таким чином, при теоретичному описі треба враховувати характер включення зовнішнього поля, який може бути як миттєвим, так і адіабатичним.

Очевидно, що при такій кількості основних закономірностей немає надії на створення аналітичного теоретичного опису процесу нелінійної іонізації атомів. Відповідно в принципі є лише дві можливості - розвиток методу чисельного розрахунку для фіксованих значень параметрів, що характеризують атом і поле випромінювання, або розвиток наближених методів аналітичного опису, справедливих лише у певній галузі зміни основних параметрів, або при нехтуванні тими чи іншими основними закономірностями.

Крім зазначених вище основних закономірностей, вкажемо ще ряд суттєвих моментів, які визначають характер теоретичного опису процесу нелінійної іонізації атомів. Теоретичні методи вивчення взаємодії електромагнітного випромінювання з атомами засновані на тих чи інших наближеннях для вирішення рівняння Шредінгера для системи «атом + поле випромінювання». Так як поле електромагнітного випромінювання вмикається і вимикається, то нестаціонарне рівняння Шредінгера з початковою умовою, відповідним відсутності електромагнітного поля, являє собою задачу Коші (тобто, завдання знаходження рішення рівняння, що задовольняє певним початковим умовам). Її рішення розкладається по необуреним власним хвильовим функціям системи після включення поля, і визначаються ймовірності різних переходів. При цьому полі електромагнітного випромінювання передбачається класичним, що відповідає реальній постановці експериментів по взаємодії лазерного випромінювання з атомарними системами.

Висновок

Аналіз літературних джерел показав, що існуючі роботи, присвячені пробою рідин, не мають повної теорії пробою рідин. Основні електричні властивості рідин, мабуть, визначаються «ближнім порядком», тобто характером взаємодії молекул з найближчими сусідами, як це має місце в напівпровідників. Незважаючи на труднощі пов'язані з відсутністю повної теорії пробою рідин, були встановлені закономірності пробою. Основними процесами електричного пробою рідини в початковій стадії є Багатофотонні іонізація каскадна, або лавинна іонізація. Перші електрони з'являються завдяки залежному від частоти тунельному ефекту, на високих частотах тунельний механізм еквівалентний многофотонной іонізації. Встановлено, що пробій за допомогою лазерного випромінювання можна отримати, використовуючи фотохімічні речовини або за рахунок нелінійної іонізації речовини. Основними параметрами, що впливають на характер взаємодії лазерного випромінювання з речовиною, є:

· потенціал іонізації речовини;

· інтенсивність лазерного випромінювання.

Список використаної літератури

1. Делоне Н.Б. /Взаємодія лазерного випромінювання з речовиною / Н.Б.Долоне - М.: Наука, 1989.-373 c.

2. Делоне Н.Б. /Нелінійна іонізація атомів лазерним випромінюванням / Н.Б.Делоне, В.П.Крайнов - М.: Фізматліт, 2001.-421 c.

3. Райзер Ю.П. / Пробій газів під дією лазерного випромінювання / Ю.П.Райзер/ Соросівський освітній журнал. 1998.- № 1.-С.89-94.

Размещено на Allbest.ru