Файл: Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 225
Скачиваний: 2
В предыдущих главах неоднократно говорилось о том, какое большое значение для теории лавинного оптического пробоя имеет предполагаемый процесс фотоионизации возбужденных атомов. В работе Й. Бакоша, Й. Кантора и А. Киша [17] были эксперимен тально измерены вероятности трехфотонной ионизации атомов ге лия, находящихся в возбужденных метастабильных состояниях 2 S, светом рубинового лазера. Лазерный луч фокусировался в плазму послесвечения разряда, в которой имелись метастабиль-
. ные атомы гелия в состояниях 21S и 23S. Образованные ионы ре гистрировались зондом. Экспериментальные данные получены в диапазоне полей Е ж 1 -н 3-105 в/см (см. табл. 2).
Холл [18] изучал двухфотонную ионизацию паров цезия, но большие экспериментальные трудности не позволили получить на дежные результаты. Данные по пробою паров рубидия и цезия при плотностях 1016—1017 см~3, соответствующих давлениям, пересчи танным на комнатную температуру 0,3—3 тор [19], были приведе ны на рис. 2.7. Ионизацию паров цезия при давлении 0,5 тор из лучением рубинового лазера исследовали Попеску, Жита и Никулеску [20]. Они рассматривают сложный механизм ионизации, связанный с двухфотонным возбуждением атомов цезия, в которых переход 6 Si/, — 10 Р»г с точностью до 0,004 эв совпадает с энер гией двух рубиновых квантов, и последующей ассоциативной ио низацией (возбужденный атом цезия объединяется с другим атомом, образуя молекулярный ион и электрон). Исследовалась также двухфотонная ионизация отрицательных ионов иода [21].
Перессини [22] исследовал ионизацию в поле рубинового лазера большой мощности (2 Гвт). При диаметре фокуса 1,7-10-2 см полу чался поток 0,9• 1013 вт/см2 и амплитуда поля Е 0 = 7,8-107 в!см. Исследовались аргон и ксенон при давлении 0,3 тор. При значе ниях светового потока, близких к максимально возможному, число вытянутых электронов достигало насыщения 1,6 -108, соответст вующего полной однократной ионизации атомов в объеме фокуса1. При уменьшении поля число электронов резко уменьшалось. В ксеноне насыщение наступало при меньшем поле, чем в аргоне. Перессини трактует свои результаты не как многоквантовый фото эффект, а как туннельный эффект в переменном поле, рассматривая влияние изменения поля в адиабатическом приближении.
Имеются опыты по пробою газов пикосекундными лазерными импульсами, когда также происходит фотоионизация атомов (раз дел 9).
18.2. Вычисление вероятностей. Первые теоретические исследо вания многоквантового фотоэффекта, которые были стимулирова ны открытием эффекта оптического пробоя газов, принадлежат Ф. В. Бункину и А. М. Прохорову [23], Л. В. Келдышу [24],
1На самом деле число зарядов было в 4 раза больше из-за вторичной иони зации газа вырванными электронами, которые ускорялись в вытягива
ющем поле 70 в.
143
Голду и Беббу [25]. Работа Л. В. Келдыша имела фундаментальное значение для всей проблемы, ибо в ней было продемонстрировано единство эффектов многоквантовой ионизации и туннельного вы рывания электрона из атома статическим полем как предельных случаев одного процесса и впервые выведена в обозримом виде формула для вероятности, с помощью которой можно было сделать численные оценки (раздел 3).
Имеются два различных подхода к решению квантовомехани ческой задачи о многофотонной ионизации. Одному из них было положено начало в упомянутой работе Келдыша, и об этом речь еще пойдет ниже. В другом подходе, детально развитом в работах Голда и Бебба [25—28], используется теория возмущений высших порядков. Гамильтониан системы, состоящей из атомного электро на, взаимодействующего с полем излучения, записывается в виде суммы гамильтонианов электрона, находящегося в поле атомного остатка, электромагнитного поля излучения и гамильтониана взаи модействия # i = — eE (r, t) •т, где г — радиус-вектор электрона, Е — поле волны. В гамильтониане Нг поле выражается по Гайтлеру через операторы уничтожения (и рождения) фотонов.
Вероятность перехода определяется составным матричным эле ментом от энергии взаимодействия, который содержит суммирова ние по всевозможным переходам через промежуточные состояния атома. При этом в силу самой постановки задачи в конечном со стоянии вырванный электрон считается либо свободным [25], либо движущимся в кулоновском поле иона [26] (последнее дает сущест венное уточнение результатов), но не подверженным действию электромагнитной волны. Так и задается его конечная волновая функция. Как правило, основной вклад в сумму по промежуточным состояниям дает небольшое число слагаемых, соответствующих переходам, при которых энергия нескольких квантов оказывается близкой к энергии возбуждения какого-нибудь уровня в атоме. Такие переходы близки к резонансным и потому происходят с большой вероятностью. Так, например, для ионизации аргона квантами рубинового лазера На> — 1,78 эв требуется девять кван тов, а энергия восьми квантов только на 0,18 эв отличается от энер гии возбуждения уровня 5p3<S'1. Для ионизации гелия нужно 14 квантов, основной вклад дают переходы через промежуточное сос тояние 3 р'Р 1 , энергия которого отличается от 13 hu> на 0,116 эв, и состояние 2s'S0 с отличием от 12Йю на 0,811 эв. Вообще, вычис ление полных сумм представляет большие трудности, и для этой цели разрабатываются специальные методы.
Работы Голда и Бебба особенно ценны тем, что они доведены до конкретных численных результатов, которыми можно пользо ваться для оценок (в этом отношении они выгодно отличаются от многих исследований в этой области чисто теоретического плана). Кривые вероятности ионизации в зависимости от энергии кванта при изменении последней в небольшом интервале наглядно пока зывают [26], как получается резонансный эффект (заметим, что су-
Ш
ществует практическая возможность небольшой вариации частоты лазерного света путем изменения температуры лазера).
Приведем составленные по данным [26] численные формулы для вероятности многоквантовой ионизации инертных газов излу
чением рубинового лазера |
при комнатной |
температуре, когда |
|||
К = 6943,5 А: |
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 3 |
|
|
|
|
Г а з |
Н е Ne |
А г |
_ |
К г |
Х е |
г а , с е к - 1 |
1 0 ~ 438F 14 |
1 0 ~ 39!IF ] 3 |
1 0 _ 2 a 5 F |
e |
i o ~ M 3 F 8 |
Сделаны также подробные расчеты для атома водорода в случае любых квантов [26].
Восьмифотонную ионизацию атома водорода излучением руби нового лазера без каких-либо дополнительных упрощений в рам ках теории возмущений рассчитали Гонтье и Трахин 129]. Так же точно вычислена Церником [30,47}вероятность двухфотонной иони зации метастабильного 25-уровня атома водорода. Для Н(о = 1,78 эв w = 1,53-10-41 F2 сек"1. Имеется хорошее согласие приближен ного расчета этого варианта на основе метода [26] с точным вычис лением Церника. Двухфотонная ионизация рассчитывалась также в работах [31, 32], в последней — для отрицательных ионов гало генов в хорошем согласии с измерениями [21].
Один из главных недостатков метода теории возмущений сос тоит в том, что он применим только при сравнительно слабых по лях. Ведь энергия взаимодействия электрона с полем рассматрива ется как малое возмущение, значит, предполагается, что она мала по сравнению с энергией поступательного движения электрона в свободном состоянии. Таким образом, энергия осцилляций элект рона в поле должна быть гораздо меньше энергии, с которой элект рон вылетает из атома и которая не превышает величины кванта (в противном случае для отрыва электрона потребовалось бы боль шее число квантов). Между тем, в теории с самого начала рассмат риваются только переходы с наименьшим необходимым количест вом квантов. Указанное ограничение на допустимые световые по
ля EK0Jhw = e*E20/imh(i)3 1 можно представить в виде сопо ставления амплитуды светового поля Е 0 с характерным внутри
атомным полем Е а = е!а\ = 5,14-109 в/см, где а0 = Й.2/те2^— боровский радиус. Вводя еще потенциал ионизации атома водорода
I н = mei/2h2, |
получим условие |
|
(Е0/Еа)2 ■2 |
(/н//«о)3 = (EJEaf ■2п\ < 1; |
(E0/Eaf < 1/2н3н |
(ин = / н/^ю — число квантов, необходимых для ионизации атома водорода), которое является гораздо более жестким, чем обычное
условие применимости теории возмущений El Е\.
Кроме того, при использовании теории возмущений предпола гается, что атомные уровни слабо искажаются внешним световым
145
полем. Между тем в сильных световых полях уровни смещаются в результате аффекта Штарка и уширяются из-за увеличения веро ятности переходов с них, в частности из-за перехода в непрерывный спектр, т. е. ионизации. Эти эффекты особенно сильно изменяют роль уровней, близких к резонансным для целого числа квантов, так как они влияют на степень расстройки резонанса и тем самым резко изменяют вероятности переходов, дающих основной вклад в ионизацию. Смещение и размытие высоковозбужденных уровней в сильных полях приводит к тому, что уровни практически слива ются, и это оказывается эквивалентным снижению границы не прерывного спектра. В результате уменьшается число квантов, не обходимых для ионизации атома. При этом многофотонную ионизацию вообще нельзя описать в рамках теории возмущений [33]. Указанные эффекты штарковского смещения, уширения и слияния уровней и их влияния на многофотонную ионизацию рас сматриваются в работах [24, 33—38].
Теория Келдыша [24] в основе своей является полуклассической, ибо в ней не рассматривается система, состоящая из электрона и квантованного поля излучения. Свободный электрон считается движущимся в электрическом поле световой волны, и это, наиболее сильное, воздействие светового поля учитывается тем, что в ка честве волновой функции свободного электрона берется соответ ствующая волновая функция. Тем самым снимается ограничение на энергию осцилляций электрона в световом поле, и для справед ливости теории достаточно выполнения лишь общего, гораздо более мягкого, неравенства Е 0<^ Е а. Последнее обусловливает возмож ность применения теории возмущения для вычисления вероятности перехода электрона из связанного состояния в атоме в свободное под действием возмущающего поля Е 0 sin cot. Формула для ве роятности многофотонной ионизации в упрощенной, удобной для оценок форме была приведена в разделе 3.
Двухступенчатый переход, состоящий из резонансного возбуж дения несколькими квантами соответствующего уровня в атоме, если таковой найдется, и последующей ионизации, имеет гораздо большую вероятность, чем нерезонансный, одноступенчатый [24]. Теория, основанная на применении квазиклассического прибли жения, развивалась в дальнейшем в работах [39] (см. также [40, 48]).
Формула Келдыша, в которой не учтены резонансные эффекты, дает меньшие значения вероятностей, чем расчеты Бебба и Голда. Так, например, для ионизации аргона квантами рубинового лазера по формулам (1.3), (1.4) получается w ш 10-279 F9 сек-1, что в 1014 раз меньше, чем по Голду и Беббу. Это устрашающее различие на самом деле не столь велико, ибо фактически надо сравнивать го раздо менее чувствительные к предположениям теории значения световых потоков F, которые обеспечивают данную вероятность, а расхождение в Г не столь значительно: например, при w = Ю6 F = 2-1033 и 4-1031 по этим двум теориям.
Мб
18.3. Сравнение е экспериментом прежде всего показывает, что экспериментальное значение показателя п в степенной зависимости
w — Fn, как правило, меньше, чем число квантов п0, из которых складывается потенциал ионизации, вернее, большая целочислен ная величина 7/Йсо (см. табл. 2). Получается так, как будто для отрыва электрона требуется меньшее число квантов. Это, естествен но, затрудняет количественное сравнение расчетов с измерениями, так как во всех теориях w — Fn«.
Только в случаях ионизации атомов натрия и калия п » п0 с большой точностью; в этих случаях расчеты по теории возмущений [41] дают разумное согласие с опытом [14]. Квазиклассяческий подход приводит к сильному расхождению, впрочем, он справедлив
только для высоких потенциалов ионизации, когда п0яа ///ко |
1. |
Анализ показывает [1], что экспериментальное значение показателя
показывается меньше п0 всякий раз, когда среди уровней атомов оказывается близкий к резонансному (энергия возбуждения близка к целому числу квантов) и, наоборот, когда все уровни далеки от ре зонанса, как это имеет место в случае атомов щелочных металлов —
пблизко к п0. Это обстоятельство проверялось в специально по ставленных опытах [42] по четырехфотонной ионизации атомов ка лия излучением неодимового лазера с плавно перестраиваемой
частотой от длины волны X = 10 650 А до % = 10 680 А. При X =
= |
10 665 А энергия 3/но совпадает с энергией возбуждения уровня |
3/, |
и в окрестности этой длины волны наблюдалось сильное умень |
шение экспериментального показателя п от п0 = 4 вдали от резо
нанса до п = 1,5 при резонансе.
Обращаем внимание на то, что в единственном опыте [17] по ионизации возбужденных атомов (трехфотонная ионизация Не*) показатель п с большой точностью совпал с теоретическим значе нием п0 = 3 (см. табл. 2). Экспериментальная вероятность для Не* w = 4,7 -lO-71^1 F2»9^0’1 Нсек. Быть может, дело здесь заклю чается в том, что трехфотонная ионизация наблюдалась при срав нительно слабых полях, которые мало искажают уровни и тем са мым не уменьшают естественной расстройки резонанса, которая весьма сильна. Однако теоретический расчет трехфотонной иони зации Не* [43] дал величину w, на семь порядков меньшую, чем это следует из опыта (согласие теории и эксперимента в случае щелочных металлов было гораздо лучшим).
При больших интенсивностях света в отдельных «горячих» точ ках, где локальные поля в области фокуса особенно велики, мо жет происходить насыщение ионизации. Если ионизуются все атомы, то при увеличении световой мощности число ионов будет нарастать не столько за счет повышения вероятности многокван тового фотоэффекта, сколько за счет увеличения объема, охвачен ного достаточно сильным для полной ионизации полем. Это об стоятельство отмечено в работе И. Н. Арутюнян, Г. А. Аскарьяна и В. А. Погосян [44].
147