АТОМ В ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ МНОГОЧАСТОТНОГО ЛАЗЕРА Н. Б. Делоне, В. А. Коварский, А. В. Масалов, Η. Ф. Перельман СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение 617 2. Основные свойства многочастотного лазерного излучения 619 3. Степенные процессы в немонохроматическом поле 623 4. Возмущение атомного спектра в немонохроматическом поле 627 а) Резонансное возмущение атомных уровней (628).б) Нерезонансное возмущение атомных уровней (631). 5. Многофотонное возбуждение атомов 633 6. Нелинейная ионизация атомов 634 а) Прямой процесс многофотонной ионизации атомов (635).б) Туннельный эффект в переменном поле (638).в) Резонансный процесс ионизации атома (640).1. Резонансная ионизация излучением с узким спектром (644).2. Резонансная ионизация излучением с широким спектром (647).7. Заключение 649 Цитированная литература 651 1. ВВЕДЕНИЕ
МНОГОФОТОННАЯ ИОНИЗАЦИЯ АТОМОВ Н. В. Делоне СОДЕРЖАНИЕ Введение 361 1. Специфические черты процесса многофотонной ионизации атомов 362 а) Теория Келдыша (362).б) Прямой процесс ионизации (364).в) Резонансный процесс ионизации (364).г) Спектр квазистационарных состояний системы атом -\-световое поле (364).д) Процессы, приводящие к ионизации атома в сильном световом поле (367).2. Теоретические методы описания процесса ионизации атома в световом поле 368 а) Используемые методы и области их применения (368).б) Метод теории возмущений (369).в) Квазиклассический метод (375).г) Заключение (376).3. Постановка эксперимента 377 а) Конкурирующие эффекты (377).б) Фоновые эффекты и их устранение (378).в) Диапазон изменения напряженности поля, при которой можно изучать нелинейный эффект (378).г) Измерение степени нелинейности, вероятности и сечения процесса многофотонной ионизации атомов (379).д) Лазерное излучение (382).е) Типичная постановка эксперимента (382).4. Прямой процесс многофотонной ионизации 384 а) Условия реализации (384).б) Наблюдение прямого процесса (384).в) Сечения прямого процесса ионизации (386).г) Основные итрги исследований (388). 5. Резонансный процесс многофотонной ионизации 389 а) Экспериментальные методы (390).1) Наблюдение частотной зависимости выхода ионов при фиксированной напряженности поля (390).2) Наблюдение зависимости выхода ионов от напряженности поля при фиксированной частоте излучения (391).3) Наблюдение зависимости величины к -д lg А г /д lg Q от частоты излучения (391).-б)Результаты исследования резонансного процесса ионизацпи (392).1) Идентифицируемые резонансы (393).2) Резонансы в эллиптически поляризованном поле (395).3) Резонансный процесс ионизации при большой напряженности поля.Неидентифицируемые резонансы .(396).-в)Основные итоги исследований (397).Заключение 398 Цитированная литература 399 ВВЕДЕНИЕ Взаимодействие атома с квантами света -фотонами -является одной из наиболее изученных глав физики микромира, стимулировавшей в начале века развитие квантовой механики.Однако за редкими исключениями все процессы, исследованные до последнего времени, были связаны с поглощением атомным электроном одного фотона.Рассмотрение однофотонных процессов определило всеобщий характер законов Эйнштейна, а также красной границы фотоэффекта.Между тем всегда было ясно, что, строго говоря, красная граница отсутствует, являясь не 1 УФН, т. 115, вып. 3 @ Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», «Успехи физических наук», 1975 г. *) См., например, обзор 62 .*•) См., например, монографию 63
1983 г. Август Том 140, вып. 4 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСЕЙX НАУВ МЕТОДИЧЕСКИЕ ЗАМЕТКИ .535О ПРИРОДЕ СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В. Л. Гинзбург1. Спонтанное излучение, наряду с поглощением и индуцированным (вынужденным) излучением, принадлежит к числу основных, наиболее элементарных процессов, и с ним приходится иметь дело, особенно в оптике, буквально на каждом шагу.Как найти вероятность или интенсивность •спонтанного излучения, скажем, в случае атома при переходе электрона из какого-либо верхнего состояния в более низкое, хорошо известно: для этого нужно лишь вычислить некоторый матричный элемент, зависящий от волновых функций верхнего и нижнего состояний.Какова, однако, природа спонтанного излучения?Чем оно вызвано, является ли оно квантовым или классическим эффектом?Если читатель знает правильный ответ, который в достаточной мере тривиален, то пусть все же не спешит обвинить автора настоящей заметки в том, что он ломится в широко открытую дверь.Для того чтобы убедиться в существовании ^весьма распространенных недоразумений в вопросе о природе спонтанного излучения, достаточно, вероятно, будет «спросить соседа».Прежде чем решиться написать эту заметку, я и сам произвел такой «опрос», причем -с тем же результатом, о котором недавно сообщалось в литературе 1 .Именно, значительная часть опрошенных считает, что спонтанное излучение представляет собой результат существования нулевых колебаний электромагнитного поля, т. е. является квантовым эффектом.Между тем подобное мнение представляется неверным, поскольку спонтанное излучение света заведомо имеет место в классической теории и, вообще говоря, не может считаться квантовым явлением в большей мере, чем поглощение или индуцированное испускание.Недоразумения, с которыми приходится сталкиваться в вопросе о природе спонтанного излучения, порождены ходом исторического развития квантовой теории в целом и квантовой теории излучения в частности.Несколько конкретнее можно также отметить роль того факта, что в классической и квантовой теории излучения часто применяются разные методы, иначе ставится задача.Поэтому классический характер того или иного результата, получаемого квантовым путем (скажем, методом теории возмущений), может оказаться завуалированным.Вот почему нижеследующие замечания, быть может, представят известный интерес в историческом и методическом отношениях.2. Квантовые представления, особенно понятие о фотонах, пробивали •себе путь с исключительным трудом а > 3 .Достаточно напомнить, что введенная Эйнштейном в 1905 г.4 гипотеза о квантах света, развитая им 5
УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК ПРИНЦИП ВОЗРАСТАНИЯ ЭНТРОПИИ И КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ РЕЛАКСАЦИИ В. Ж. Фаин СОДЕРЖАНИЕ § 1. Введение 641 § 2. Энтропия и информация.Общие теоремы 643 § 3. Квантовые уравнения баланса в Г-пространстве 648 § 4. Вывод классических уравнений баланса в Г-пространстве 653 § 5. Кинетические уравнения в μ-пространстве 654 § 6. Принцип возрастания энтропии 656 § 7. Квантовая теория процессов релаксации 662 § 8. Релаксация из-за взаимодействия с полем излучения 672 § 9. Релаксация поля в реальных резонаторах 678 § 10.Спин-решеточная релаксация.Уравнения Блоха 680 § 11.Релаксация в ферро-и антиферромагнетиках 682 Приложение 684 Цитированная литература 688 § 1. ВВЕДЕНИЕ Переход системы из неравновесного состояния в равновесное -релаксация -сопровождается изменением энтропии.Обычно происходит возрастание энтропии.Это обстоятельство естественным образом связывает два вопроса, указанные в заглавии настоящего обзора.Вопрос об обосновании принципа возрастания энтропии имеет довольно большую историю.Можно, например, сослаться на подробный обзор тер-Хаара 1 .Однако уже после опубликования этого обзора вышел в свет ряд оригинальных работ, посвященных теории релаксационных процессов.Ниже будет дан более или менее подробный анализ этих работ.Сейчас отметим лишь, что в этих работах производится вывод уравнений, описывающих необратимые релаксационные процессы, нз динамических уравнений.К этим работам относятся работы Ван-Хова а ~4, серия работ Пригожина с сотрудниками s • в (см.также сборник докладов 7 ).Сюда же следует отнести более раннюю, но не отраженную в г работу Боголюбова 8 и ряд других работ (см.ниже).Анализ предположений, лежащих в основе вывода уравнений, описывающих релаксацию, даст возможность установить границы применимости принципа возрастания энтропии.Это и является одной из целей настоящего обзора.Другая цель состоит в изложении ряда конкретных приложений квантовой теории процессов релаксации.В ряде мест обзора мы имеем дело с замкнутой системой.Мы предполагаем, что такая идеализация всегда возможна, т
КОЛЛЕКТИВНОЕ СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ ДИКЕ) А. В. Андреев, В. И. Емельянов, Ю. А. Ильинский СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение 2. Сверхизлучение систем с размерами меньше длины волны излучения . . . .3. Сверхизлучение протяженных систем а) Общие соображения (660).б) Одномодовая модель сверхизлучения (661).в) Квантовая миогомодовая теория сверхизлучения (662).1) Условия возникновения эффекта (663); 2) Анализ решения системы уравнений многомодового сверхизлучательного распада (666); 3) Сверхизлучение в слабоусиливающих средах (667); 4) Осцилляторный режим сверхизлучения (669); 5) Сверхизлучение неоднородно уширенных систем (670); 6) Конкуренция коллективных и спонтанных процессов (672).г) Полуклассическая теория сверхизлучения.Учет пространственного изменения огибающей поля (673).д) О роли флуктуации при сверхизлучательном распаде (блоховское представление) (674).4. Сверхизлучение в коротковолновом диапазоне 676 а) Сверхнзлученг J в гамма-диапазоне (676).б) Сверхизлучение в рентгеновском диапазс.ге(677). 5. Экспериментальное исследование сверхпзлучения а) Сверхнзлучение на вращательных переходах молекул (679).б) Сверхизлучение на оптических переходах атомов (680).6. Сверхизлучение при комбинационном рассеянии света (многомодовая теория) 683 Основные уравнения теории СИКР и анализ их решения (684) 7. Заключение 691 Дополнение.Фазовый переход в равновесной системе двухуровневых атомов, взаимодействующих через электромагнитное поле 692 Цитированная литература 693 1. ВВЕДЕНИЕВ своей основополагающей работе г Дике в 1954 г. показал, что система N инвертированных двухуровневых атомов может спонтанно перейти в основное состояние за время, обратно пропорциональное числу атомов т с ~ 1A/V.Этот эффект обусловлен наведением корреляций между моментами перехода пространственно разделенных излучателей, взаимодействующих друг с другом через поле излучения.В результате атомы, находящиеся в макроскопически большом объеме, излучают когерентно.Поскольку полная энергия, излучаемая коллективом TV атомов, равна ΝΗω 0 , где ω 0 -частота перехода, то интенсивность излучения 7~ JVUco o /i: c ~ iV 2 .Такое излучение получило название коллективного спонтанного излучения или сверхизлучения (СИ) Дике *).В случае обычного спонтанного *) В зарубежной литературе помимо этого названия испол!:ι ется такж термин «суперфлуоресценция».