Лазерный мир

В. П. Лопасов, И. В. Ивонин// журнал Фотоника, №4, 2018, 1993-7296.2018.72.4.418.435

Для коммуникационных, аэрокосмических и атмосферно-оптических устройств необходимо использовать лазерное излучение с устойчивым волновым фронтом. Турбулентность атмосферы искажает волновой фронт излучения при его распространении, особенно на больших трассах, превышающих 1–5 км. В этом кроется недостаток лазеров, построенных на электродипольных (ЭД) переходах. С точки зрения устойчивости волнового фронта в атмосфере актуальны лазерные каналы магнитомультипольного (ММ) излучения на ММ электронном переходе. Физическая основа такого лазера была описана в первой части статьи. Во второй части статьи описан режим spin-flip генерации лазерного ММ излучения и области его применения.

Новое представление генерации излучения базируется на физике лазера, состоящего из двух элементов: молекулярный газ и бигармоническое излучение (БИ) накачки с экстремальными характеристиками.[1]

2.4.Специфика системы «коллектив полей + молекулярный газ» («КП+МГ»)

Система «КП+МГ» самоорганизуется в ансамбль диамагнитных наночастиц электрон-ион после заполнения объема когерентности (1) молекулами Н2О при концентрации ~1016 м–3. Концентрация N2 должна быть на 7 порядков больше.

В этом случае среднее расстояние между молекулами H2O составляет ~10–6 м, которое свет проходит за 1,5 · 10–14 с. Этого времени достаточно для запуска механизма двумерной ОС в молекулах Н2О системы «КП+МГ». При этом поле бигармонического излучения (БИ) имеет когерентность первого порядка в пространственно-временных (ПВ) точках (r1, t1), (r2, t2) с корреляционной функцией связи первого порядка g(1) (r1, t1, r2, t2) [8]. Так как расстояние между молекулами Н2О велико, то для изучения процессов в системе «КП+МГ» достаточно сначала изучить одно столкновение молекул Н2О и N2, и учесть среднюю энергию молекул Н2О в объеме (1). Затем результат упругого столкновения, найденный для одной молекулы Н2О с учетом возмущающего БИ накачки, можно усреднить для получения аналогичного результата для молекул Н2О, ориентированных случайным образом относительно N2. (6) молекула Н2О сместится только на 10–10. То есть, молекулу Н2О можно рассматривать неподвижной в пространстве, но увеличивающей тензор гирации gq = 0 → g q* на этапе упругого столкновения τECM с молекулой N2 (6).

В этом приближении силы Лоренца, Кориолиса и механизм двумерной нелокальной ОС на каждом шаге T+q / 4 этапа (6) [14]:
1. разделяют заряды валентного электрона –e и иона i молекул Н2О по состояниям КВ перехода (5) ортогонально и вдоль оси Z когерентного БИ накачки;
2. приготавливают ММ электронный переход с однородно уширенным контуром в области КВ перехода за счет ПВ дисперсии коллектива полей;
3. формируют комплексный показатель преломления оптически активного ансамбля диамагнитных наночастиц электрон-ион
(7)
с функциональной связью Re и Jm частей на приготовленном ММ переходе.

3.ФИЗИЧЕСКАЯ ОСНОВА ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ММ ИЗЛУЧЕНИЯ ВКЛЮЧАЕТ:
1. низкочастотный (стартовый) ЭД и высокочастотный магнитный мультипольный (рабочий) КВ переходы, объединенные низшим состоянием в V-схему;
2. самоорганизацию системы «КП+МГ» в ансамбль диамагнитных наночастиц на ММ электронном переходе с потенциальной «ямой», приготовленной на электронной поверхности в области высоковозбужденного состояния колебательно-вращательного (КВ) перехода;
3. механизм двумерной ОС между энергиями квадратичных эффектов Штарка и Зеемана при экстремальных условиях на систему «КП+МГ» (2);
4. самовозбуждение генерации ММ излучения на частоте приготовленного ММ перехода в момент времени, когда на его высоковозбужденном уровне накоплена пороговая диамагнитная энергия.
Математическое описание физической основы ММ лазера требует разработки КЭМД подхода к формированию комплексного показателя преломления оптически активного ансамбля диамагнитных наночастиц электрон-ион (7).
В физической основе генерации лазерного ММ излучения лежат два принципа [30, 31] и экстремальные условия (2) на систему «КП+МГ».

1. Принцип «когерентной суперпозиции» квантовых состояний [30], в частности, трех состояний V-схемы КВ переходов молекулы Н2О в коллективе полей, состоящем из электрических и магнитных компонент поля упругого столкновения молекул Н2О и N2, поля БИ накачки и поля релеевского рассеяния. Принцип «когерентной суперпозиции» применим и к микрочастицам, и к макроскопическим объектам. Одна из формулировок для молекул гласит: «если система может находиться в различных состояниях, то она может одновременно находиться сразу в двух (и более) состояниях».
Взяв в качестве отдельных состояний молекулы пространственные координаты ее центра масс, получим: молекула может находиться одномоментно во всех точках пространства, т. е. быть «размазанной» во всем когерентном ПВ континууме.

2. Принцип Ферма в волновой оптике гласит [31]: луч света движется из начальной точки в конечную точку по такой траектории, которая минимизирует затраченное время. Минимизация времени при прохождении света в среде происходит за счет нано- или фемтоупорядочения тензоров электрической ε(r, t) и магнитной μ(r, t) проницаемости [29].
Технология генерации ММ излучения базируется на открытой самоорганизации системы «КП+МГ» в ансамбль наночастиц электрон-ион при экстремальных условиях (2). Условия (2) заданы так, что в системе одномоментно реализуется и принцип Ферма, и принцип «когерентной суперпозиции» для молекулярного газа (Н2О+N2) в объеме когерентности БИ накачки (1). В молекулах Н2О по V-схеме создается зависимость вероятности рабочего КВ перехода не только от амплитуды, поляризации и разности ω–q, суммы ω+q частот компонент EB⊥, HB⊥ БИ накачки, но также от перекрестных слагаемых BC∥⊥q и DC⊥∥q компонент индуцированных дипольных моментов (3), (4). Одномоментно (при асимметрии I1q/12q ≠ 1) по V-схеме переходов реализуется амплитудно-фазовая модуляция [32], которая для поля БИ накачки становится внутренней знакопеременной ±А⊥ и Ф∥ модуляцией на каждом четверть периоде T+q / 4 ≤ 10–15 c средней несущей частоты БИ накачки (рис. 7).
Шаг поля БИ накачки, равный T+q / 4 ~ ħ / I0 ≤ 10–15 c, позволяет использовать эффект нелокальности отклика валентного электрона для управления работой ОС между энергиями квадратичных эффектов Штарка и Зеемана во времени и в пространстве (1). Здесь 2I0 = e4m / 2ħ2 – единица энергии для ионизации атома водорода [23]. Эффект нелокальности отклика состоит в том, что валентный электрон молекул Н2О, прибывая в точку rq из точки r΄q за T+q / 4  ≤ 10–15, приносит память о действии на него векторной суммы и электрических EΣ⊥∥q, и магнитных HΣ∥⊥q компонент коллектива полей в точке r΄q.
Механизм двумерной ОС корректирует заданную асимметрию интенсивностей БИ накачки через перекрестные слагаемые BC∥⊥q и DC⊥∥q в (3), (4) для разных точек объема (1) на каждом шаге T+q / 4  ≤ 10–15. При этом увеличивается скорость преобразования нулевого узла (от I1q=0 / 12q=0 = 1) пересечения компонент EΣ⊥∥q и HΣ∥⊥q в седлообразный узел (до I1q / 12q±1).

В молекулах Н2О самосогласуются динамики:
1. состояний КВ переходов (5);
2. поперечно-продольного нелокального управления движением электрона –e коллективом полей;
3. поперечно-продольных составляющих вектора Умова-Пойнтинга J ~ EΣ⊥∥q HΣ∥⊥q относительно оси Z БИ накачки.
Нелокальная нелинейность J ~ EΣ⊥∥q HΣ∥⊥q проходит по контуру двумерной ОС на этапе (6) и, связывая молекулы Н2O в зонах Френеля объема (1), нелинейно увеличивает вероятность магнитного мультипольного (рабочего) КВ перехода (5).
Самоорганизация молекул H2O в ансамбль наночастиц сопровождается взаимозависимостью ПВ дисперсии Re n΄⊥∥q*, диамагнитной восприимчивости Jm – и диамагнитной энергии на рабочем КВ переходе .

Как следствие, механизм двумерной нелинейной и нелокальной ОС на этапа (6):
1. анизотропно накапливает в молекулах Н2О «квантовую поляризационную» диамагнитную восприимчивость [33], тензор гирации gq = 0 → g q и диамагнитную энергию на высоковозбужденном состоянии рабочего КВ перехода;
2. запускает самоорганизацию системы «КП+МГ» в ансамбль электрон-ион, связанный полем стоячей волны s поляризации (СВЭП). Ансамбль электрон-ион приобретает форму многоцилиндрического «соленоида-резонатора» [13, 14, 34] за счет фемтосекундного упорядочения тензоров электрической ε (r⊥∥q, t΄q) и магнитной μ (r⊥∥q, t΄΄q) проницаемости молекулярного газа;
3. формирует фазу зарождаемой волны ММ излучения на частоте ω+q → ωXq* в каждом профиле СВЭП для нечетных зон Френеля (мод «соленоида-резонатора»). В каждом профиле СВЭП к нечетным зонам добавляется фазовый набег π и заставляет четные и нечетные зоны Френеля «работать в фазе» относительно точки PX, расположенной на оси Z далеко за пределом «соленоида-резонатора» – квантовый аналог гиперлинзовой системы [35].
То есть, механизм двумерной ОС, резонансно усиливая гиротропное свойство молекул, преобразует на этапе (6) через нелинейный сомножитель J ~ EΣ⊥∥q HΣ∥⊥q энергию коллектива полей на частотах 2ω–q, 2ω+q и энергию электронно-вращательно-колебательного движения молекул Н2О в их пороговую диамагнитную энергию на частоте 2ωXq* = 2ω+q*.

При этом, величина пороговой диамагнитной энергии зависит от энергии коллектива полей, возмущающих молекулы Н2О с заданным шагом T+q / 4  ≤ 10–15 c, а также от V-схемы КВ переходов в процессе самоорганизации системы «КП+МГ» в ансамбль диамагнитных наночастиц электрон-ион на этапе (6).

4.КВАНТОВО-ЭЛЕКТРО-МАГНИТО-ДИНАМИЧЕСКИЙ (КЭМД) ПОДХОД К ГЕНЕРАЦИИ ММ ИЗЛУЧЕНИЯ
4.1.Факторы, играющие ключевую роль в КЭМД подходе на этапе (6)
1. Упругое столкновение молекул N2 и Н2О и V-схема КВ переходов, которое реализует:
• понижение симметрии молекул Н2О за счет роста тензора гирации gq = 0 → g q*;
• знакопеременную ±А⊥ и Ф∥ модуляцию на каждом четверть периоде T+q / 4  ≤ 10–15;
• рост «квантовой поляризационной» диамагнитной восприимчивости [33].
2. Закон Био-Савара обеспечивает устойчивость напряженности магнитного поля H∥q* = k1 4 π nf∥q* jnf⊥q* вдоль оси соленоида. [36].
В частности, обеспечивает устойчивость напряженности магнитного поля вдоль оси многоцилиндрического (по числу зон Френеля) оптического «соленоида-резонатора», самоорганизованного в системе «КП+МГ» в форме стоячей волны s поляризации (СВЭП). Здесь k1 = 1/c в системе Гаусса, nf∥q* и jnf⊥q* – число витков (длин волн λXd* = λ+q* ММ излучения) на длине «соленоида-резонатора» и электронный ток на участках λXd* = λ+q* в каждой зоне Френеля.
3. Сложение компонент коллектива полей JEΣ⊥∥q  и HΣ∥⊥q с полем молекул Н2О к фазовому сопряжению поля сферической волны БИ поляризации с полем релеевского рассеяния по петле обратной связи в области аномальной ПВ дисперсии n΄⊥∥q* света на КВ переходах (5).
При этом все зоны Френеля «работают в фазе» относительно точки PX, расположенной на оси Z далеко за пределом многоцилиндрического «соленоида-резонатора».
4. Разница между свойствами электрического и магнитного фотона [37] открывает возможность spin-flip генерации ММ излучения на частоте приготовленного ММ электронного перехода.

В этом случае используется следующее обстоятельство. Полный момент электрического фотона равен J = L + S – векторная сумма спинового S = 1 и орбитального L моментов, где L не что иное, как ранг сферических функций YLm, входящих в состав волновой функции фотона, имеющего четность (–1)J. Полный момент магнитного фотона, имеющего четность (–1)J+1, совпадает с орбитальным моментом J = L. Спин магнитного фотона S = 1 неявно присутствует в моменте L как элемент ранга сферических функций.
Экстремальные условия (2), влияющие на взаимодействие магнитного фотона с валентным электроном молекулы H2O, ориентируют спин фотона Sf = 1 и спин электрона se = ±1/2 между собой относительно оси Z ММ излучения на этапе упругого столкновения (6). При этом силы Лоренца, Кориолиса и двумерной ОС управляют движением –e в процессе резонансного нелинейного усиления спин-орбитального взаимодействия на каждом шаге T+q / 4  ≤ 10–15 c этапа упругого столкновения (6).
Как следствие, в момент окончания этапа (6):
1. тензор гирации молекул Н2О достигает порогового значения gq = 0 → g q*;
2. спин валентного электрона молекул Н2О и спин магнитного фотона выстраиваются между собой ↑↓ относительно оси Z БИ накачки;
3. орбита валентного электрона каждой молекулы Н2О в каждой зоне Френеля достигает размера λXd* = λ+q* вдоль оси Z и размера λXd* = λ+q*/2 ортогонально оси Z;
4. каждая наночаcтица электрон-ион приобрела статус квантового нанорезонатора на своем участке диапазона 250–900 нм (рис. 8);
5. приготовлен ММ электронный переход с пороговой диамагнитной восприимчивостью и пороговой диамагнитной энергией наночастиц электрон-ион;
6. «соленоид-резонатор» с оптически активным ансамблем диамагнитных наночастиц электрон-ион в форме СВЭП на частоте ММ электронного перехода 2ωXq* = 2ω+q* приобрел свойство многоцилиндрического «шланга с резьбой» при шаге λXd* = 2π/k;
7. реализована полная ПВ когерентность ММ излучения порядка mDJmnZ [14]; nZ – число зон Френеля в объеме (1) при полудлине волны ММ излучения λXd*/2;
8. сформирована дополнительная потенциальная «яма» на электронной поверхности молекул Н2О в области высоковозбужденного состояния рабочего КВ перехода. Пространственное вырождение энергии по магнитным Jm – подуровням снято в потенциальной «яме» (рис. 9);
9. наночаcтицы электрон-ион в зонах Френеля приобрели единую меру, равную:
• длине волны ММ излучения λXd* = λ+q*,
• длине нанорезонатора λXd* = λ+q* вдоль оси Z «соленоида-резонатора»,
• полудлине λXd* / 2 ортогонально оси Z в каждой зоне Френеля.

Диамагнетизм оптического «соленоида-резонатора» реализовался за счет макроскопического управления движением валентного электрона молекул Н2О в модах (зонах Френеля) до пороговых пространственно-временных скоростей.

Оптически активная среда в «соленоиде-резонаторе» приобретает свойство фотонной жидкокристаллической (ЖК) среды и свойство сверхпроводника с абсолютной диамагнитной восприимчивостью ≈ –1 / 4 π [38]. Ансамбль диамагнитных наночастиц электрон-ион имеет ПВ упорядоченность комплексного показателя преломления (7) с коэффициентом β⊥∥q* ≈ –1 / 4 π.

4.2.Режим spin-flip генерации лазерного ММ излучения
Диамагнитные наночастицы электрон-ион mD во всех зонах Френеля оптического «соленоида-резонатора» имеют взаимозависимость Re и Jm частей комплексного показателя преломления (7) и контур линии излучения в виде δ-образной функции (рис. 10).

Вдоль оси Z «соленоида-резонатора» на частоте λXd* = λ+q* приготовленного ММ электронного перехода самовозбуждается генерация лазерного ММ излучения σ поляризации в режиме spin-flip ↓↑ с характеристиками, сформированными взаимозависимо.

СРАВНЕНИЕ СХЕМ, МЕХАНИЗМА И РЕЖИМА ГЕНЕРАЦИИ ЭД И ММ ИЗЛУЧЕНИЯ

Схема ЭД лазера включает:
1. Λ-схему ЭД переходов (рис. 11),
2. активную среду, резонатор и накачку,

3. механизм ОС, реализующий в резонаторе лазера процесс взаимодействия между фотонами генерации и активной средой.
Генерация ЭД излучения самовозбуждается на одной из частот резонатора ωr в момент достижения на естественном ЭД переходе 2 ⇒ 1 пороговой инверсии населенностей (рис. 11).

Схема ММ лазера включает:
1. упругое столкновение рабочей (Н2О) и уширяющей (N2) молекулы,
2. низкочастотный (стартовый) ЭД переход и высокочастотный магнитный мультипольный (рабочий) КВ переходы, объединенные низшим уровнем в V-схему,
3. механизм двумерной ОС между энергиями квадратичных эффектов Штарка δWSt⊥∥q=0 и Зеемана δW˘Z⊥∥q=0 в молекуле.
В объеме (1) реализуется открытая самоорганизация системы «КП+МГ» в оптически активный ансамбль диамагнитных наночастиц электрон-ион на приготовленном ММ электронном переходе в области рабочего КВ перехода. Ансамбль наночастиц электрон-ион приобретает форму многоцилиндрического оптического «соленоида – резонатора» за этап (6).

Момент окончания этапа (6): в области высоковозбужденного состояния рабочего КВ перехода сформирована дополнительная потенциальная «яма» (рис. 8) с пороговой диамагнитной восприимчивостью и пороговой диамагнитной энергией W˘Z⊥∥q* наночастиц электрон-ион в многоцилиндрическом «соленоиде-резонаторе» на приготовленном ММ электронном переходе.
Генерация ММ излучения (рис. 8) самовозбуждается в многоцилиндрическом оптическом «соленоиде-резонаторе» в режиме spin-flip на частоте приготовленного ММ электронного перехода 2ωXq* = 2ω+q*. Характеристики ММ излучения сформированы взаимозависимо.

6.СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ММ ИЗЛУЧЕНИЯ
Поле БИ накачки π поляризации со сферическим поперечным распределением интенсивности на входе диамагнитной фотонной ЖК среды, направленное вдоль зон Френеля, создаёт на выходе пучок ММ излучения σ поляризации с расходимостью

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ММ ИЗЛУЧЕНИЯ
7.1. Коммуникационная и аэрокосмическая области
1. Высокоустойчивая высокоскоростная (≥2 Тб/с) связь при достоверности 10–9 на трассах Земля-Космос-Земля с любой точкой земного шара.
2. Высокоточная (≤1 ) навигация объектов на трассах Земля-Космос-Земля.
3. Единая лазерная система управления низкоорбитальными и геостационарными КА в режиме реального времени.
4. Утилизация «космического мусора» на орбите КА.
5. Мониторинг чрезвычайных ситуаций на суше, на воде и под водой.
6. Лазерно-магнитное упрочнение аэрокосмического материала.
7. Высокоточная диагностика движения околоземных аппаратов и подводных объектов.
8. Лазерно-магнитная защита турбинных лопаток и космических материалов износостойким покрытием и др.
7.2. Медицинская область
1. Высокочастотная высокоточная магнитно-резонансная терапия онкозаболеваний, артритов и артрозов путем накопления диамагнитной энергии объектом заболевания.
2. Высокоточное высокочастотное лечение глазных заболеваний путем накопления диамагнитной энергии больным объектом.
7.3. Атмосферно-оптическая область
1. Высокоточное измерение электро- и магнитодинамических параметров молекул..
2. Высокоточное измерение состава и состояния молекулярной атмосферы.
3. Высокоточная диагностика состояния атмосферы, поверхности Земли и Луны.
4. Высокоточный мониторинг состояния каналов солнечно-земной связи и определение величины магнитных бурь, влияющих на состояние человека, оптическую погоду и на работу наземно-космических систем связи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
До последнего времени в мировой литературе не обсуждались явления, в которых коллектив полей EΣ⊥∥q, HΣ∥⊥q и молекулярный газ при экстремальных характеристиках были бы компонентами единого квантово-электромагнитодинамического процесса, порождающего генерацию ММ излучения с аномальными магнитооптическими свойствами. Длина волны фотона такого излучения много больше размера рабочей молекулы (т. е. размера, определяющего ее форм-фактор; для ядер этот размер совпадает, конечно, с ее «радиусом»), но совпадает с размером наночастицы электрон-ион. В самое последнее время появилось предположение, что динамический процесс может синтезировать диамагнитную среду и световые поля [41, 42]. Экстремальные характеристики коллектива полей и молекулярного газа могут обеспечить также самоорганизацию шаровой молнии и формирование ее свойств [34]. В работе [43] этот процесс использован при разработке ММ метода высокочувствительной диагностики молекулярного состава атмосферы. Показано, что чувствительность ММ метода на четыре порядка превышает чувствительность метода лазерно-индуцированной флуоресценции.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/6/article_6872_58.pdf