Лекция 1

Начало исследованию плазмы было положено М.В.Ломоносовым и его сподвижником и оппонентом Г.В.Рихманом еще в первой половине XVIII века при исследовании грозовых явлений. Закончились эти исследования трагически из-за несовершенства диагностической аппаратуры. Рихман погиб от шаровой молнии при исследовании "электрическим указателем" (прообразом электроскопа), который не был заземлён, после чего в России временно запретили исследования электричества.

В следующем столетии русский физик Петров исследовал созданную им электрическую дугу в атмосфере. На современном языке можно сказать, что это были опыты с лабораторной плазмой. Но о появлении диагностики плазмы, как раздела физики плазмы, можно говорить после того как в тридцатых годах прошлого века И.Лэнгмюр ввел сам термин «плазма» для описания состояния вещества в положительном столбе тлеющего разряда.

Через два десятилетия, когда ведущие государства мира вложили значительные средства в решение проблемы управляемого термоядерного синтеза (УТС), физика плазмы стала бурно развиваться. Сразу же потребовались средства измерения параметров плазменных объектов. Основой первых методик для диагностики плазмы стали созданные в таких областях науки и техники, как: оптика, астрофизика, гидро- и газодинамика, техника СВЧ и др. Со временем диагностика плазмы стала важным разделом физики плазмы.

К настоящему времени на созданных установках получено необычайное разнообразие параметров лабораторной плазмы: диапазон электронной концентрации N_e - от 10⁹ см^-3 (газовый разряд) до 10²⁴см^-3 (лазерная плазма); температура Т - от долей и единиц электронвольт (плазмотрон) до десятков килоэлектронвольт (импульсные термоядерные установки); характерные размеры - от 10^-3 см (микропинч) до 10³ см (токамаки); время существования t - от нескольких нано- (и даже пико-) секунд (лазерная плазма) до стационарного (плазмохимия); магнитные поля H - от нуля до нескольких мегаэрстед (плазменный фокус). Примеры использования плазмы приведены на слайдах:

Здесь:

- трубки для рекламы с тлеющим разрядом в ксеноне;

- декоративная плазменная лампа;

- установка для получения микропинчевого разряда (создана в МИФИ);

- плазменный медицинский скальпель;

- камера европейского токамака JET;

- принятый проект международного токамака ITER (фигура человека в жёлтом кружке);

- разряд молнии с отделившейся от нее шаровой молнией;

- шаровая молния с гравюры начала прошлого века.

Необходимость в получении информации о параметрах столь различающихся плазменных объектов, закономерно привела к разработке и внедрению в плазменный эксперимент большого количества диагностических методик. При этом, очень важным является отсутствие контакта диагностического инструмента с плазмой, т.к. в противном случае, возможно изменение ее параметров. Поэтому бесконтактные методы являются наиболее предпочтительными в плазменных исследованиях.

Информацию о плазме можно получить, исследуя эмиссию из плазмы различного рода излучений (пассивная диагностика), либо зондируя плазменный объект с помощью внешнего источника излучений (активная диагностика). Среди активных методик выделяются основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с плазмой и не возмущающие ее состояния. Обладая сильно выраженными дисперсионными свойствами, изотропная в свободном пространстве и анизотропная в магнитном поле, в ряде случаев, имеющая нелинейные свойства, плазма вносит в зондирующую электромагнитную волну амплитудные, поляризационные (в магнитоактивной плазме) и фазовые искажения. Измерение изменений соответствующих параметров, прошедшей через исследуемый плазменный объект электромагнитной волны, позволяет определить основные характеристики плазмы. К ним мы, прежде всего, будем относить температуру и концентрацию составляющих плазму частиц.

Среди эффектов взаимодействия электромагнитного излучения с плазмой, которые нашли применение в диагностике, выделим основные: поглощение; отражение; отклонение, на градиентах концентрации; рефракция – изменение длины оптического пути по сравнению с вакуумом или воздухом; фарадеевское вращение плоскости поляризации, которое появляется при наличии составляющей магнитного поля параллельной направлению распространению волны. Перечисленные эффекты носят интегральный характер. Процесс рассеяния фотонов на свободных электронах или на флуктуациях плотности, хотя и имеет очень низкое сечение, находит широкое применение в диагностике плазмы, т.к. позволяет получить локальную информацию о параметрах плазмы.

60-е годы прошлого века были ознаменованы новым крупным открытием в физике ‑ созданием лазеров. Роль этого открытия для науки и практики трудно переоценить. На сегодняшний день трудно назвать область человеческой деятельности, где бы они не использовались. Мейман, создатель первого в мире лазера, еще на заре лазерной эры в одном из выступлений, посвященном будущему лазерной техники, утверждал, что «…применение лазеров будет ограничено, в сущности, лишь воображением и изобретательностью инженеров». Применение лазера, как средства измерения физических величин, кардиальным образом изменил экспериментальную технику и многократно повысил возможности экспериментатора и информативность получаемых результатов. За счет высокой спектральной яркости в миллионы раз превосходящей тепловые источники электромагнитного излучения; уникальной временной и пространственной когерентности; малой расходимости, близкой к дифракционному пределу - использование лазеров в качестве источников зондирующего излучения позволяет обеспечить метрологические характеристики ранее недоступные оптической диагностике плазмы. Естественно, что предполагаемые параметры плазмы накладывают определенные требования на длину волны зондирующего излучения , выбор оптической схемы, чувствительность, временное и пространственное разрешение измерений.

Остановимся на некоторых характеристиках излучения лазера, важных для применения в диагностике плазмы:

1. Высокая монохроматичность (спектральный интервал может быть значительно уже, чем у линий атомных спектров) характерна для излучения некоторых типов лазеров. Необходима для уменьшения фона сильноизлучающей плазмы при регистрации зондирующего сигнала.

2. Высокая когерентность. Различают понятиям временной и пространственной когерентности. Без когерентности невозможно наблюдать такое явление, широко применяемое в диагностике, как интерференция.

3. Узкая направленность (или малая расходимость). Необходима для обеспечения высокого пространственного разрешения измерений. Расходимость может ограничиваться минимально достижимой величиной – дифракционной.

4. Высокая спектральная мощность излучения. Необходима для регистрации полезного сигнала на фоне сильного собственного излучения плазмы.

5. Высокая степень поляризации излучения, которая требуется при исследовании магнитоактивной плазмы.

Кроме того, все перечисленные достоинства позволяют управлять параметрами лазерного излучения, что немаловажно при зондировании различных плазменных объектов.

Лекция 2

В этой лекции в краткой форме вводятся понятия лазерной физики, излагаются основные положения и дается необходимый минимум сведений о принципах работы лазеров.

Лазер представляет собой генератор оптических колебаний, использующий энергию индуцированно-излучающих атомов, ионов или молекул в средах с инверсной заселенностью уровней энергии. Такие среды обладают свойством усиливать свет определенных длин волн. Явление вынужденного (индуцированного) излучения, предсказано Эйнштейном в 1916 году. При описании процессов излучения и поглощения в веществе им были введены коэффициенты Эйнштейна A_nm, B_nm, B_mn.

Рассмотрим два энергетических уровня атома E_n и E_m (n>m):

─ коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения, определяет среднее число фотонов, испускаемых одной частицей (атомом, молекулой) в единицу времени, является вероятностью спонтанного перехода с уровня E_n на E_m. Время жизни _n на уровне E_n – величина обратная 1-ому коэффициенту Эйнштейна.

Для атома водорода _n ~(10^-8÷10^-7) cек.

─ представляет собой вероятность того, что атом совершит квантовый переход из m в n состояние при облучении его электромагнитной радиацией единичной спектральной плотности в единицу времени (коэффициент Эйнштейна для вынужденного поглощения):

─ коэффициент Эйнштейна для вынужденного излучения:

Эйнштейн показал, что для невырожденных уровней энергии , т.е. вероятности вынужденных квантовых переходов — прямого и обратного — одинаковы.

Соотношение между коэффициентами для спонтанного и вынужденного излучений определяется выражением:

Из этого выражения видно, что с увеличением частоты излучения переходы с верхнего уровня на нижний, легче осуществляются спонтанно. И действительно, усиление и генерация электромагнитных колебаний было вначале получено в СВЧ диапазоне (длины волн   0,04  20 см). Однако это было сделано спустя 40 лет после публикации Нобелевского лауреата.

О возможности практического применения вынужденного испускания, когда оно может стать доминирующим, впервые было заявлено только в 1939 г. советским физиком В.А. Фабрикантом в его докторской диссертации. Если каким-либо путем удастся резко нарушить равновесное распределение частиц по уровням энергии и для пары уровней (mn) добиться инверсной заселенности, то среда будет не поглощать, а усиливать падающее на нее излучение. Вынужденное испускание света (n→m) будет превышать поглощение при переходах m→n.

Если атомы среды находятся в термодинамическом равновесии, то число атомов, в каждом энергетическом состоянии, можно найти с помощью распределения Больцмана:

где T  температура атомов, k  постоянная Больцмана.

Таким образом, в случае термодинамического равновесия ( для любых положительных значений ΔE ) N₁ всегда будет превышать N₂ . Отсюда следует, что для получения инверсии населённостей, система не может находиться в термодинамическом равновесии. Система перейдет в состояние с инверсией электронных населённостей если сделать так, чтобы N₂/N₁ > 1.

Атом, находящийся в возбуждённом состоянии, перейдет в основное вынужденно, если с ним провзаимодействует фотон с частотой ν₂₁  ΔE/h. При этом, атом излучит второй фотон той же частоты и на выходе мы будем иметь два когерентных фотона с одинаковой частотой, фазой и поляризацией. Попав в среду с инверсной населенностью, фотон может вызвать нарастающую лавину образования идентичных фотонов. Произойдет усиление излучения.

Первый прибор, созданный на этой основе в 1957 г. получил название мазер (maser) ‑ аббревиатура английского выражения "microwave amplification by stimulated emission of radiation" ‑ усиление микроволн с помощью вынужденного излучения.

Первый лазер на кристалле рубина был создан в 1960 г. Термин лазер (laser) образовался в результате замены слова microwave на light ‑ свет. Здесь «свет» относится не только к видимой (  0,4  0,7 мкм), но также к ультрафиолетовой ‑ УФ (  0,01  0,4 мкм) и инфракрасной ‑ ИК (  0,7  400 мкм) областям спектра электромагнитного излучения. Именно за счет использования эффекта вынужденного излучения лазеры обладают высокой монохроматичностью, когерентностью, направленностью и большой спектральной плотностью мощности.

Еще задолго до изобретения лазеров - в начале XX в. при изучении возможности усиления и генерации радиосигналов (10⁶  10⁹ Гц) В. Мейснер предложил использовать усилитель, охваченный положительной обратной связью. Для этого часть выходного сигнала подавалась снова на вход усилителя. Если разность фаз между этими сигналами кратна 2, то даже на относительно слабых усилителях можно обеспечить высокое общее усиление. При условии, что усиление больше потерь в системе, теоретически, если нет ограничения амплитуды сигнала напряжением питания усилителя, выходной сигнал может быть бесконечно большим. В действительности, вследствие эффектов насыщения выходной сигнал принимает хоть и большие, но конечные значения. Одновременно, выходной сигнал становится независимым от входного. Усилитель самовозбуждается на частоте, которая определяется набегом фазы в цепи обратной связи, кратным 2. Таким образом, генерация в усилителе, охваченном положительной обратной связью, возникает без входного сигнала, только за счет собственных шумов (или переходных процессов) усилителя (см. рисунок).

По аналогии с генераторами радиодиапазона, лазер также можно рассматривать как усилитель с положительной обратной связью. Но, поскольку диапазон генерируемых частот выше (10¹³  10¹⁶ Гц), он состоит из других конструктивных элементов. По существу, основных составляющих лазера три (см. рис.): активный элемент, усиливающий электромагнитную волну; система накачки, возбуждающая вещество активного элемента, т.е. сообщающая ему необходимую энергию; оптический резонатор, состоящий, в простейшем случае, из двух расположенных друг против друга зеркал и формирующий положительную обратную связь.

Схема устройства лазера.

Справа показано распределение интенсивности в лазерном пучке.

Какие существуют возможности получения инверсии населенности в среде, чтобы она стала «активной»? Нагревание не подходит, так как согласно распределению Больцмана для термодинамически равновесной среды уровни с большей энергией заселены меньше, чем нижележащие уровни.

Под действием внешнего электромагнитного излучения, резонансного соответствующему переходу, можно нарушить термодинамическое равновесие в такой двухуровневой квантовой системе. Однако за счет того, что процессы вынужденного поглощения и вынужденного излучения равновероятны, облучение светом (оптическая накачка) двухуровневой системы не способно создать инверсию населенностей в среде с постоянным числом частиц. Увеличение интенсивности света может привести только к выравниванию населенностей обоих уровней. В первом мазере на основе аммиака (  1,25 см) за счет того, что молекулы NH₃ отклоняются в дипольном электрическом поле по-разному, а количество молекул в возбужденном и нормальном состояниях различаются незначительно (из-за малого значения ΔE), возможен механизм сепарации из всего ансамбля частиц только возбужденных молекул, которые направляются в СВЧ-резонатор. Возникает вынужденное излучение, распространяющееся поперек пучка. Таким образом, за счет физического разделения молекул, в двухуровневых системах может быть получена инверсная населенность.

Лекция 3

1. Активная среда.

Обычно в веществе количество атомов в основном состоянии гораздо больше, чем атомов возбужденных. Поэтому интенсивность излучения световой волны, проходя через вещество, падает по экспоненциальному закону Бугера I _l = I ₀ e^–αx, где I ₀ – исходная интенсивность, I _l – интенсивность излучения, прошедшего расстояние x в веществе с коэффициентом поглощения α.

Возбужденных атомов в активной среде гораздо больше, чем в основном состоянии. Электромагнитная волна, частота которой  = ₂₁ = (E₂ -E₁)/h, проходя по активному веществу, будет усиливаться по экспоненциальному закону I _l = I ₀ e ^x, но с коэффициен-том квантового усиления β вместо ( – ).

При генерации молекул аммиака весь процесс локализован на двух уровнях энергии. Для оптической накачки это невозможно. Поэтому при оптической накачке надо пользоваться многоуровневыми системами. Простейшая из них – трехуровневая – предложена впервые Н.Г. Басовым и А.Н. Прохоровым (1955 г.). В этом случае для образования инверсии не нужно чрезмерно больших яркостей внешнего источника.

Если в системе с тремя энергетическими уровнями производится накачка с уровня 1 на уровень 3 (см. рисунок), то при спонтанном распаде верхнего уровня, может быть заселен уровень 2. Если это – долгоживущий (метастабильный) уровень, то при постоянной мощности накачки, величина его населенности увеличивается. На практике активную среду лазера выбирают так, чтобы переход 3→2 проходил без излучения, а энергия тратилась на нагрев рабочего тела. При определенной мощности накачки населенность этого верхнего лазерного уровня может быть, по крайней мере, на короткое время, выше чем населенность нижнего лазерного уровня 1. Вследствие того, что нижним лазерным уровнем служит всегда заселенное основное состояние, то с началом генерации инверсия быстро уменьшается, поэтому лазеры, работающие по трехуровневой схеме накачки, как правило, являются импульсными.

При четырехуровневой схеме накачки и генерации дополнительный уровень 2 является короткоживущим (см.рисунок), лазерный переход осуществляется между уровнями 3  2. В этом случае, уровень 2 в режиме лазерной генерации постоянно опустошается и квантовая система переходит в основное (невозбужденное) состояние.

В этой конфигурации даже при незначительной мощности накачки можно постоянно сохранять инверсию населенности. Лазеры с использованием четырехуровневой схемы работают как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

В качестве лазерной среды могут применяться все материалы, в которых можно обеспечить инверсию населенности:

• свободные атомы, ионы, молекулы, ионы молекул в газах или парах;

• молекулы красителей, растворенные в жидкостях;

• ионы-активаторы, внедренные в кристаллическую решетку твердых тел;

• легированные полупроводники.

По виду лазерной активной среды различают газовые, жидкостные, твердотельные и полупроводниковые лазеры.

Количество сред, которые способны к генерации лазерного излучения, и количество лазерных переходов весьма велико. Например, только в атомарном неоне (Ne) получена генерация на более чем 200 переходах.

Вероятности излучательных квантовых переходов тем больше, чем сильнее изменяются при переходе электрические и магнитные свойства квантовой системы, характеризуемые её электрическими и магнитными моментами. Возможность таких переходов между уровнями E_n и E_m с заданными характеристиками определяется правилами отбора.