17.6. Эффект самофокусировки.

Известно, что первоначально параллельный пучок света по
мере рапространения в среде (включая и вакуум) расплывается за
счет дифракционных явлений. Это справедливо при малых интен-
сивностях света, пока еще среда остается линейной. с увеличе-
нием мощности светового пучка его расходимость начинает умень-
шаться. При некоторой критической мощности пучок может
распространяться, вообще не испытывая расходимости (режим са-
моканализации), а при мощности, превышающей критическую, пучок
скачком сжимается к оси и сходится в точку наа некотором расс-
тоянии от места входа в среду ставшую теперь нелинейной. Про-
исходит пройесс самофокусировки. Это расстояние, называемое
эффективной длиной самофокусировки, обратно пропорционально
квадратному корню из интенсивности пучка. Оно также зависит от
его диаметра и оптических свойств среды. Открытие эффекта са-
мофокусировки пренадлежит Г.А.Аскорьяну (открытие - 67).

Физические причины этого эффекта заключаются в изменении
показателя преломления среды в сильном световом поле. В это
изменение вносит свой вклад также эффекты, как электрострик-
ция, высокочастотный эффект Керра и изменение преломления сре-
ды за счет ее нагрева в световом пучке. Вследствии этих эффек-
тов, среда в зоне пучка становится оптически неоднородной;
показатель преломления среды определяется теперь распределени-
ем интенсивности световой волны. Это приводит к явлению нели-
нейной рефракции, т.е. переферийные лучи пучка отклоняются к
его оси, в зону с большей оптической плотностью. Таким образом
нелинейная рефракция начинает конкурировать с дифракционной
расходимостью. При взаимной компенсации этих процессов и нас-
тупает самоканализация, переходящая в самофокусировку при при-
вышении критической мощности пучка. Процесс самофокусировки
выделяется среди прочих нелинейных эффектов тем, что он обла-
дает "лавинным" характером. Действительно, даже малое увеличе-
ние интенсивности в некотором участке светового пучка приводит
к концентрации лучей в этой области, а следовательно и к до-
полнительному возрастанию интенсивности, что усиливает нели-
нейную рефракцию и т.д.

Отметим, что критические мощности самофокусировки относи-
тельно не велики (для ниробензола - 25 квт, для некоторых сор-
тов оптического стекла - 1 вт), что создает реальные предпо-
сылки использования описанного эффекта для передачи энергии на
значительные расстояния.

Интересно, что при самофокусировке излучение импульсных
лазеров в органических жидкостях пучок после "охлопывания"
распространяется не ввиде одного пучка, а распадается на мно-
жество короткоживущих (10 в минус 10-ой степени сек.) узких
(мкм) областей очень сильного светового поля (около 10 в 7-ой
степени в/см) - световых нитей. Это явление обьясняют тем, что
при самофокусировке лазерных импульсов нелинейная среда рабо-
тает как линза с изменяющимися во времени фокусными расстояни-
ями, и быстрое движение фокусов (скорости порядка 10 в 6-ой
степени м/сек.) в сочетании с аберрациями "нелинейной линзы"
может создать длинные и тонкие световые каналы.

В нелинейной оптике уже обнаружено множество интересней-
ших эффектов. Кроме описанных выше, к ним относятся такие эф-
фекты как оптическое детектирование, гетеродинирование света,
пробой газов мощным излучением с образованием т.н. "лазерной
искры", светогидравлический удар, нелинейное отражение света и
другие. Некоторые из эффектов уже нашли применение не только в
научных исследованиях, но и в промышленности. Так например,
светогидравлический удар (см."Гидравлические удары") применя-
ется при штамповке, упрочнения материалов, для ударной сварки
и т.д., что наиболее себя оправдывает в производстве микроэ-
лектроники, в условиях особо чистых поверхностей.


17.7. Светогидравлический удар (открытие - 65)

Эффект заключается в том, что при пропускании мощного ла-
зерного излучения через жидкость в ней возникают акустические
волны с высоким давлением, достигающим миллиона атмосфер, соп-
ровождающиеся вспышкой белого света и выбросом жмдкости на
значительные расстояния, при этом тела, помещенные вблизи уда-
ра, подвергались сильным деформациям и разрушению. Точной тео-
рии эффекта еще нет, однако уже ясно, что это целый комплекс
явлений. Здесь и самофокусировка, увеличивающая интенсивность
световой волны в малом обьеме, и первоначальное ее поглощение,
связанное с ВРМБ (см. 17.1) и усиленное поглощение света обра-
зующейся плазмой, что приводит к возникновению ударной волны и
затем к авитации в жидкости. Предварительная фокусировка ла-
зерного пучка и введение в жидкость поглощающих добавок значи-
тельно усиливают проявления эффекта.



17.8. Нелинейная оптика.

Нелинейная оптика - новая и постоянно развивающаяся нау-
ка. Многообразие ее эффектов далеко не исчерпано известными
ныне. Так, совсем недавно были предсказания теоретически гис-
теризисные скачки отражения и преломления на границе нелиней-
ной среды - целый класс новых эффектов нелинейной оптики.
(Данных об эксперементальном подтверждении их существования
пока нет.)

Суть эффектов заключается в следующем. Если под небольшим
углом скольжения на границу раздела двух сред с близкими зна-
чениями диэлектрической проницаемости, одна из которых нели-
нейна, падает пучок мощного светового излучения, то при изме-
нении интенсивности излучения (угол падения фиксирования),
когда она достигает определенного значения, может произойти
скачок от прохождения к полному внутреннему отражению, при об-
ратном изменении интенсивности скачок от ПВО к прохождению
произойдет уже при другом ее значении. Такие же скачки могут
наблюдаться и при изменении угла падения, когда фиксировано
значение интенсивности.

Если существование этих эффектов подтвердится, то они мо-
гут быть широко использованы для исследования нелинейных
свойств веществаи в лазерной технике. Так, например, гистери-
зисная оптическая ячейка может служить идеальным затвором в
лазере при генерации гигантских импульсов, т.к. в режиме ПВО
практически не поглощает энергии; с помощью гистерезисных эф-
фектов можно будет с большой точностью измерять интенсивность
излучения, фиксируя скачки и т.д.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Квантовая электроника, Маленькая энциклопедия, изд. Советс-
кая энциклопедия, М., 1966.
2. Н.Бломберген, Нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1966
3. М.Шуберт, В.Вильгельми, Введение в нелинейную оптику пер. с
нем. "Мир", М., 1973.
4. Ф.Цернике, Дж.Мидвинтер, Прикладная нелинейная оптика, пер.
с англ., "Мир", М., 1976
5. Ю.П.Конюшая, Открытия и начно-техническая революция, "Мос-
ковский рабочий", М., 1974
6. Г.А.Аскарьян, ЖЭТФ, 42, 1567, 1962
7. А.Ю.Каплан, Письма в ЖЭТФ, 9, 58, 1969
8. А.К.Каплан, Письма в ЖЭТФ, том 24, вып. 3, 1976
18. ЯВЛЕНИЯ МИКРОМИРА.
18.1. Радиоактивность.

Под радиоактивностью обычно понимают самопроизвольное
превращение неустойчивых изотопов одного вещества в изотопы
другого; при этом происходит испускание элементарных частиц и
жесткого электромагнитного излучения. Различают естественную
и искуственную радиоактивность. Процессы, происходящие при
естественной радиоактивности позволяют судить о структуре и
свойствах радиоактивных веществ.В настоящее время все большее
значение получают процессы,связанные с искуственной радиоак-
тивностью.Практически все вещества имеют радиоактивные изото-
пы, поэтому, не изменяя химического строения вещества можно
его пометить, сделав часть ядер радиоактивными. Это позволяет
с большей точностью следить за перемещением этого вещества
или изучать его внутреннюю структуру.
А.с. 234 740: Способ определения концентрации пылевых
частиц с осаждением этих частиц в осадительном устройстве,
отличающийся тем, что с целью расширения диапазонав измере-
ния, в исследуемый газ добавляют радиоактивный газ, например,
радон, а после осаждения частиц определяют их радиоактивность
по величчине которой судят о концентрации пылевых частиц в
газе.
А.с. 242 324: Способ ускоренного определения годности
защитно-моющих и лекарственных веществ наружного применения,
при котором на кожу наносят слой исследуемого вещества, отли-
чающийся тем, что с целью определения времени проникновения
вещества сквозь кожу и времени выполнения им барьерных функ-
ций, в исследуемое вещество предварительно вводят радиоизото-
пы, например, йода, фояфора или серы, и проводят радиометри-
ческие измерения исследуемого обьекта.

18.2. Рентгеновское и гамма излучения.

Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком
Рентгеном, имеет ту же электромагнитную природу, что гамма
излучение испускаемые ядрами атомов радиоактивных элементов,
поэтому оба вида изучения подчиняются одинаковым закономер-
ностям при взаимодействии с веществом. Принципиальная разница
между двумя этими видами излучения заключения в механизме их
возникновения. Рентгеновское излучение - внеядерного проис-
хождения, гамма излучение - продукт распада ядер.


18.2.1. Рентгеновское излучение возникает либо при тор-
можении заряженных частиц (электронов) высокой энергии в ве-
ществе (сплошной спектр) (см. 18.4.3. "Тормозное излучение"),
либо при высоко-энергетических переходах внутри атома (линей-
чатый спектр). Недавно установлено, что рентгеновское излуче-
ние может также возникать в результате явления адгезолюминес-
ценции, которыая наблюдается при очень быстром отрыве от
гладкой поверхности липкой ленты. Такой быстрый отрыв может
происходить, например, при быстром качени по металлической
поверхности цилиндра, покрытого липкой лентой. В этом случае
пленка и металлическая поверхность образуют как бы обкладки
микроскопического конденсатора, напряженность поля в котором
может достигать сотни тысяч электрон вольт. Электроны, разог-
нанные в миниконденсаторе, тормозятся, затем в веществе, ис-
пуская при этом рентгеновское излучение.


18.2.2. Рентгеновские лучи применяют для просвещения
различных веществ с целью выявления скрытых эффектов. При де-
формации неподвижного микрокристалла, на рентгенограммах наб-
людается размытие в определенных направлениях интерференцион-
ных пятен (явление астеризма). Появление астеризма
обьясняется тем, что монокристалл в процессе деформации раз-
бивается на отдельные участки (фрагменты) размером 1-0,1 мкм.
С увеличением деформации монокристалла интерференционные пят-
на удлиняются. По направлению и степени растяжения пятна мож-
но судить о колличестве размере и форме фрагмента и исследо-
вать характер протекания деформации.

Из других областей применения рентгеновских лучей можно
назвать:

- рентгеновскую дефектоскопию; занимающеся просвечивани-
ем твердых тел с целью установления размера и места нахожде-
ния эффекта внутри материала;

- рентгеновскую спектроскопию рентгено-спектральный ана-
лиз. Основная цель - исследование электронного строения
веществ
по их рентгеновским спектрам. Области применения - исследова-
ния химического строения веществ, технологические процессы
горнорудной и металлургической промышленности

- рентгеновскую микроскопию широко прменяющихся для исс-
ледования обьектов непрозрачных для видимого света и электро-
нов (биология,медицина,минералогия,химия, металлургия).
А.с. 427 698: Способ измерения моментов инерции неодно-
родных, несвободных тел, заключающийся в поступательном пере-
мещении исследуемого тела относительно пространственной оси,
отличающийся тем, что с целью устранения влияния напряжения
мускулатуры исследуемого, поперек оси перемещения исследуемо-
го передвигают источник гамма излучения с детектором, регист-
рирующим интенсивность прошедшего через равные участки тела
гамма излучения.


18.3. Взаимодействие рентгеновского и гамма излучения с
веществом происходят посредством трех основных процессов: фо-
тоэлектрического поглощения (фотоэффекта), рассеяния и эффек-
та образования пар.


18.3.1. Фотоэффект. (см. так же 14.1.1.)

При фотоэффекте рентгеновский или гамма-квант передает
всю энергию электрону атома. При этом, если электрон получает
энергию, большую, чем энергияч связи его в атоме, то он выле-
тает из атома. Этот электрон называется фотоэлектроном. При
потере атомами фотоэлектронов освободившиеся места в элект-
ронных оболочках в дальнейшем заполняются электронами с внеш-
них оболочек. Переход электронов на более близкую к ядру обо-
лочку сопровождается испусканием кванта характреристического
излучения, которое можно зарегистрировать, например, фотоэм-
мульсией.

США патент 3 580 745: Способ и устройство для маркировки
банок в контейнере путем облучения чувствительной эммульсией.
Перед упаковкой с траспортировочной картонный контейнер, то-
рец каждой банки покрывают чувствительной к облучению эммуль-
сией. Банки, упакованные в контейнер облучают рентгеновскими
или гамма- лучами. При этом, покрытие эммульсией торцы банок
облучаются через экран с прорезями, имеющими форму маркиро-
вочных обозначений (например цены). Таким образом, маркировка
упакованных в картонный контейнер банок осуществляется без
вскрытия этого контейнера и последующей индивидуальной марки-
ровки каждой банки.

При малых энергиях квантов (Е 0,5 Мэв) фотоэлектроны вы-
летают преимущественно в направлениях, перпендикулярных нап-
равлению распространения излучения.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35