1626435886-1cce6bde8b5ee3bdaa35d7367a651ad8 (844327), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Если молекула теряет энергию без внешнего возбуждения (спонтанное излучение), то этот процесс также является направленным. Спонтанного излучения в виде сферических волн не существует» (101. Исследования Лебедева и Эйнштейна залоясили основу для всех последующих исследований давления света на вещество.
Вместе с тем отсутствие подходящих источников света надолго прервало интерес к лабораторным исследованиям светового давления. В связи с этим после экспериментов Лебедева в течение полувека была выполнена всего одна значительная работа— исследование Фриша ~111, посвященное отклонению пучка атомов натрия давлением резонансного излучения натриевой лампы. Пз-за невысокой спектральной яркости резонансной натриевой лампы в эксперименте пучок атомов отклонялся всего на 0,01 мм. Эту работу следует считать, по-видимому, последним исследованием, относящимся к классическому периоду. Прибавив еще одно доказательство факта существования светового давления, исслелоьапие Фриша вместе с тем ясно показало, что без резкого ..ьеличения спектральной яркости источников света световое давление пе смоя<ет стать эффективным средством воздействия на движение атомных частиц. 5 1.2.
Исследования давления лазерного излучения 1.21. Световое давление на макроскопнческие частицы. Первые исследования давления лазерного излучения были начаты эксперимептамн Эшкина (12, 13~ по управлению движением неоолыпнх частиц лучом лазера. В световом поле па макроскопическую частицу действует сила, обусловленная отражением, поглопшппсм и преломлением света (13, 141.
Данные процессы зависят от материала частицы (от коэффициентов отражения и поглощения света и от показателя креломления), а результирующая сила зависит также от конфигурации светового поля. Поэтому, подбирая подходящим образом материал частиц, с помощью световых полей возможно осуществлять различного типа пространственные перемещения частпц. В частности, в световом луче на макроскоппческую частицу действует сила, состоящая из двух частей. В направлении 13 распространения светового луча на частицу действует сила светового давления.
В попере гном направлении на частицу действует стрикционная сила, которая может как втягивать, так н выталкивать частицы нз луча. Используя воздействие этих сил, Эшкян реализовал ситуацию, прп которой световой луч осуществлял левитацню пластмассовых шариков в вертикальном луче лазера [12, 13, 151. Неподвижное положение шарика относительно вертикальной оси луча было достигнуто благодаря компенсации силы тяжести силой светового давления. Горизонтальные перемещения поперек оси луча были исключены благодаря использованию лазерного луча основной моды ТЕМна в котором стрикционная сила втягивала частицы к оси луча. Эксперименты Эшкина ясно показали, что давление лазерного излучения в состоянии обеспечить управление движением небольших макроскоппческих тел. В связи с этим можно ожидать, что управление движением макроскопических частиц с помощью лазерного излучения найдет применение как в физических исследованиях, так и в некоторых областях техники.
Подробное обсуждение возможных применений давления света па макроскопические частицы и анализ их потенциальных возможностей даны в обзорах Эшкина [13, 15~. Исследования по управлению движением макроскопических тел исторически были первыми исследованиями по применению давления лазерного света. В дальнейшем основное внимание последователей оказалось сосредоточенным на вопросах давления резопапсяого лазерного излучения на атомные частицы. 1.2.2. Резонансное световое давление иа атомные частицы. Главными причинами, обусловившими появление интереса к резонансному взаимодействию лазерного света с атомными ~астнцами, явились частотная и скоростная селективность давления монохроматпческого лазерного излучения.
Частотная селективпость давления монохроматического излучения обусловлена тем обстоятельством, что атом эффективно рассеивает фотоны мопохроматического излучения только при резонансе последнего с каким-либо атомным переходом. Непосредственным следствием частотной селективности является возмоя<пость использования светового давления для избирательного воздействия только на определенные атомы, например, на атомы одного изотопического состава. Скоростная селективность давления монохроматического излучения обусловлена зависпмостыо интенсивности рассеяния фотонов от величины и направления скорости атома. Для движущегося атома световое давление моязет быть значительным только при условии компенсации доплеровского сдвига Кч (к — волновой вектор излучения, т — скорость атома) соответствующей частотной отстройкой ю = ез, — кч, (1.3) где ю,— частота атомного перехода, а ю — частота излучения.
14 По этой причине монохроматическое лазерное излучение создает световое давление, которое действует на атомы, имеющие определенную скорость движения. В целом, отмеченные причины сразу после появления лазеров обусловили интерес к повторению опыта Фриша [11] на основе монохроматического излучения. Следуя предложению Эшкина [16] были поставлены эксперименты по отклонению пучков атомов давлением резонансного лазерного излучения [17, 18]. При сравнимой с опытом Фриша геометрии достигнутые отклонения пучка атомов натрия оказались на два — три порядка выше, составив величины до нескольких миллиметров. Отметим, что в это же время был поставлен эксперимент по прямому повторению опыта Фриша [19].
В дальнейших экспериментах такого рода было исследовано изотопически селентпвное отклонение атомов бария, показавшее принципиальную возможность использования метода отклонения для пространственного разделения изотопов [20 — 22]. Количественные расчеты эффективности разделения изотопов методом отклонения были даны в [23]. Следует отметить, что использование в данных экспериментах монохроматического лазерного излучения, насыщазощего атомный переход, позволяло создавать максимально возможную силу светового давления на атом. Это обстоятельство понятно из следующих наглядных соображений. Сила светового давления, обусловленная рассеянием на резонансном переходе световой волны с волновым вектором )г (частотой в = йс), в соответствии с элементарным определением силы, может быть записана в виде Г =Игй', (1.4) где Нвлнчина Хгй определяет импульс фотона, а И' есть скорость поглощения фотонов. Последняя зависит от характеристик атомного перехода: сечения резонансного поглощения о и скорости спонтанной релаксации 7 с верхнего уровня атомного перехода па нижний, а также от интенсивности излучения 1.
Прп 7~ Ха (где Ха=иву/о есть интенсивность насыщепиЯ пеРехода) скорость поглощения фотонов сравнивается со скоростью спонтанной релаксации. В связи с этим при 1~ 7, сила светового давления достигает максимального значения: Г.„=й 7. Для насыщения оптических переходов атома обычно оказывается достаточным умеренной интенсивности излучения 7 — порядка 0,1 Вт/см'. Типичное значение максимальной силы светового давления для разрешенных дипольных переходов атома лежит в области 10 "— 10 " дин (10 "— 10 " Н), обусловливая ускорение атома со средней массой порядка 10' — 10' см/с'.
Другой метод разделения изотопов на основе резонансного светового давления рассматривался в [24, 25]. Этот метод предполагал создание вдоль светового луча градиента плотности какого-либо одного изотонического газа, находящегося в кювете, 15 в смеси с газами других изотопов. Экспериментально эффект создания сгущений и разряжений в газо низкого давления наблюдался в [26]. Следует также отметить, что в световом луче кроме силы светового давления на атом действует сила, направленная поперек осн луча. Эта, так называемая градиентная сила является микроскопическим аналогом стрикциопной силы [27]. Градиентная сила в зависимости от условий резонанса атома с излучением втягивает нли выталкивает атом из луча, а в случае пучка атомов, распространяющихся коллинеарпо лучу, приводит к фокусировке или дефокусировке атомного пучка.
Зги явления, впервые предложенные Аскарьяном [27], были экспериментально изучены в работах [28 — 30], показавших, что в лазерном луче заметпан фокусировка (дефокусировка) атомов может быть осуществлена на длине всего в несколько десятков сантиметров. 1.2.3. Радиационное охлаждение атомных частиц. В 1975 г. Вайнленд и Демельт [31, 32] и Хэпч и Шавлов [33] высказали принципиально новую идею о возможности использования резонансного лазерного излучения для глубокого охлаждения атомных частиц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
