ЛАЗЕРНА СПЕКТРОСКОПІЯ. РАЗЕР, ГРАЗЕР, НАДПОТУЖНІ ЛАЗЕРИ

XX століття, у всякому разі його другу половину, можна назвати не тільки атомним, а й лазерним століттям. Якщо 50 років тому лазер навіть у наукових лабораторіях був дивиною, то тепер його можна купити в звичайному кіоску, де продаються газети. Теоретичною основою лазерної фізики були знамениті роботи А. Ейнштейна (1916), присвячені явищам вимушеного (індукованого) і спонтанного випромінювання. Поява лазерів зробило і продовжує впливати на різні галузі науки і техніки, де вони застосовуються для вирішення конкретних завдань. На очах одного покоління відбулося створення і вдосконалення голографії, нелінійної та інтегральної оптики, лазерних технологій, лазерної спектроскопії та ін. Саме на методах і досягнення останньої ми і зупинимося. Лазерна спектроскопія виникла завдяки зусиллям таких вчених, як Дж. Холл, Т. Хенш, В. С. Летохов, В. П. Чеботаєв, К. Коен-Таннуджи. Стрімкий розвиток вона отримала завдяки розробціметодів лазерного охолодження нейтральних атомів і газів.

Схема лазерного охолодження нейтральних атомів була розроблена німецьким ученим Теодором Вольфгангом Хеншо (р. 1941) і американським фізиком Артуром Леонардом Шавлова (1921-1999) в 1975 р Вони пропонували опромінювати атомарні гази при кімнатній температурі з усіх боків лазерним випромінюванням з частотою, меншою того значення, при якому фотон поглинається спочиваючим атомом. Завдяки ефекту Доплера ті атоми, які рухаються назустріч фотону, «бачать» вищу частоту фотона і виявляються в умовах сильного резонансного розсіювання. В результаті домінує процес поглинання фотонів зі спонтанним переізлуче- ням їх в довільному напрямку в просторі, що супроводжується гальмуванням рухомих атомів. Описаний спосіб охолодження атомів лазерним випромінюванням пізніше став називатися доплеровским. Помітного охолодження атомів таким способом можна домогтися, тільки утримуючи резонансні умови в міру зменшення швидкостей частинок. Хенш і Шавлов пропонували перебудовувати частоту лазерів, що на той час уявлялося досить фантастичною, технічно нездійсненною ідеєю.

Науково-дослідна група американського вченого Вільяма Деніела Філліпса (р. 1948) розробила установку, в якій створювалося таке магнітне поле, що воно було найсильнішим в точці, де атоми вперше в нього потрапляють, і поступово зменшувалася зі збільшенням відстані від цієї точки. Коли атом пролітає через таке магнітне поле, стан його енергетичних рівнів безперервно змінюється, і це призводить до компенсації зменшується доплерівського зсуву, в результаті чого атом безперервно поглинає лазерне світло і сповільнюється. Установка Філліпса пізніше стала відома як «зєємановський сповільнювач». З її допомогою вдалося охолодити пучок атомів натрію до температури менше 100 міллікельвін. Фактично був отриманий холодний газ майже зупинених атомів.

Лазерне охолодження газу в значній мірі відрізняється від лазерного охолодження пучка атомів: вільні атоми рухаються в різних напрямках і, отже, необхідно кілька лазерних променів для їх охолодження. У лабораторії Компанії «Bell» американський вчений Стівен Чу (р. 1948) і його колеги помістили шість лазерів на стінках кубічної камери і сфокусували лазерне випромінювання в її центрі. Атоми, перебуваючи в перетині кількох променів, відчували замедляющую силу в будь-якому напрямку їх руху, тому можна сказати, що вони перебували в оптичній в'язкому середовищі - так званої оптичної патоці. Групі Чу вдалося досягти температури 240 мкК і швидкості атомів натрію близько 20-30 см / с. За грубими оцінками, ця величина була теоретичним межею можливостей доплерівського методу охолодження. Ця величина, яка називається доплеровским межею, була теоретично обгрунтована в 1977 р В. С. Летоховим, В. Г. Міногіним і Б. Д. Павликом. Однак в 1988 р Філліпс показав, що температура ансамблю атомів натрію може бути знижена до 40 мкК, тобто в шість разів нижче доплерівського межі. Рік по тому французький вчений Клод Коен-Таннуджи (р. 1933) теоретично пояснив такий незвичайний результат. Він показав, що в установці Філліпса лазерні промені створили серію стоячих хвиль поляризованого світла, електричні поля яких нагадували свого роду гребінку. Коли атом проходить крізь неї, сплески електричного поля по черзі «скидають» атом у все більш і більш низьке енергетичний стан і все сильніше охолоджують його. Атом як би весь час рухається в гору, проти поля, і втрачає енергію. Цей метод отримав назву «сізіфова охолодження».

В цей же час з'ясувалися нові обмеження на подальше охолодження атомів, пов'язані зі зростанням швидкості віддачі ультрахолодних атомів при випущенні ними фотонів. «Межа віддачі» для натрію склав 2,4 мкК, для цезію - 1,2 мкК. Методи подолання цієї межі розробили групи Філліпса, Чу і Коена-Таннуджи. В результаті були досягнуті неймовірні температури: 0,18 мкК для атомів гелію і 0,1 мкК для атомів натрію, тобто експерименти вийшли в область нанотемператур! Поведінка матерії при таких низьких температурах мало ряд дивовижних особливостей, зокрема спостерігалася конденсація Бозе-Ейнштейна атомарних газів.

У 1997 р У. Філліпс, С. Чу і К. Коен-Таннуджи були удостоєні Нобелівської премії з фізики. Їх дослідження значно просунули наші знання про взаємодію випромінювання з речовиною і дозволили глибше зрозуміти квантовомеханічної поведінку газів при наднизьких температурах.

Лазерна спектроскопія - одна з найбільш динамічно розвиваються областей сучасної фізики, стимулююча прогрес у багатьох суміжних дисциплінах. Про її перспективності і важливості свідчить присудження Нобелівської премії з фізики 2005 р Її вручили за розвиток прецизійної лазерної спектроскопії трьом науковцям: Рою Глаубер (р. 1925), Джону Льюїсу Холу (р. 1934) і Т Хеншо (р. 1941). Глаубер, використовуючи схему когерентних станів (їх називають глауберовскімі), побудував строгу квантову теорію когерентності електромагнітного випромінювання. Введені їм поняття послужили теоретичною основою для дослідження лазерного випромінювання і стали загальноприйнятими в сучасній квантовій оптиці. Роботи Холла і Хеншо дозволили виміряти оптичні частоти з точністю до 15 знаків. Завдяки цьому, тепер можливе створення лазерів для високоточного спектроскопірованія і визначення спектру випромінювання молекул і атомів з безпрецедентною точністю, що може бути використано, зокрема, для розвитку системи глобального супутникового позиціонування і навігації - Global Positioning System (GPS).

Розглянемо, якими ж зараз представляються напрямки розвитку лазерної фізики і техніки?

По-перше, зменшення довжини хвилі. Перші квантові генератори - мазери - випромінювали в мікрохвильовому діапазоні. Потім з'явилися оптичні лазери, потім - інфрачервоні і ультрафіолетові. Ідея створення рентгенівського лазера ( Разера ) народилася відразу ж після винаходу оптичного лазера, основні уявлення про принципи його роботи та шляхи їх реалізації склалися в 1970-і рр., А перший лабораторний рентгенівський лазер був створений в Ліверморської лабораторії ім. Е. Лоуренса (США) в 1985 р Генерація була отримана на серії ліній неоноподобного іона селену в області довжин хвиль 18,2-26,3 нм. Найбільші успіхи досягнуті для разер, активним середовищем яких є сильно іонізована плазма. Найменша довжина хвилі, на якій продемонстровано лазерний ефект, дорівнює 3,56 нм. Відомі також дослідження по створенню Гразер, тобто лазерів гамма-діапазону. Вони засновані на месбауерівських переходах з ядерною накачуванням. Але поки генерація вимушеного випромінювання в гамма-діапазоні не здійснено.

Таким чином, лазерна техніка використовує все більш короткі хвилі.

Друге завдання - різке збільшення потужності і скорочення тривалості лазерного імпульсу. Сьогодні досягнута інтенсивність (щільність потужності) I ~ СЮ 20 -10 21 ) Вт • см -2 . При такій інтенсивності напруженість електричного поля лазерного випромінювання ~ 10 12 У-см 1 , тобто в 100 разів сильніше поля протона атома водню в основному стані. Магнітне поле при цьому досягає ~ 10 s -10 6 Тл. В експерименті використовують дуже короткі імпульси тривалістю <10 ~ 15 с (тобто <фемтосекунди), що відкриває ряд можливостей, зокрема, для отримання гармонік випромінювання рентгенівського діапазону і рентгенівських імпульсів тривалістю в атто- секунди (1 ас = 10 ~ 18 с). Якщо ж вдасться отримати щільність потужності 10 26 -10 27 Вт • см ~ 2 , можна буде спостерігати народження електрон-позитронного пар з квантів лазерного випромінювання, - явища надзвичайно важливого для експериментального підтвердження квантової електродинаміки.

Третє завдання - збільшення когерентності лазерного випромінювання. В даний час створені лазери оптичного діапазону, просторова когерентність випромінювання яких дозволяє отримати інтерференційну картину від променів двох лазерів без використання схем класичних интерферометров.

На завершення цієї теми розповімо про проект створення «рентгенівського лазера на вільних електронах» - X-ray Free Electron Laser (XFEL). У тунельної системі XFEL (її довжина дорівнює 3,4 км) будуть розташовані надпровідний лінійний прискорювач і лінії фотонних променів. Спочатку електрони будуть розганятися до енергій 10-20 ГеВ в надпровідний лінійному прискорювачі. Потім релятивістські пучки електронів будуть поширюватися в змінних магнітних полях, де вони будуть рухатися по викривленим (синусоїдальним) траєкторіях, випромінюючи рентгенівське випромінювання. Вже на першому етапі реалізації, що стартує в 2013 р, установка XFEL дозволить визначати молекулярну структуру досліджуваного речовини з дозволом 0,1 нм, а на наступних - з дозволом 0,03 нм. Причому діапазон вирішуваних завдань включає в себе дослідження кінетики хімічних реакцій в фемтосекундного масштабі, вивчення структури біомолекул, які не потрібно буде кристалізувати, на відміну від методики рентгеноструктурного аналізу.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >