Термодинамические особенности взаимодействия оптического излучения с молекулами, ориентированными во внешнем электромагнитном поле

• Автор: Лащинский, Василий Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 120 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
С ВЕЩЕСТВОМ
ЕЕ Термодинамические подходы к вопросу взаимодействия
электромагнитного излучения с веществом
Е2. Теоретические возможности усиления света без инверсии населенностей
1.3. Ориентация молекул во внешних полях. Функции распределения молекул по ориентациям. Уравнение Больцмана
1.4. Методы построения разностных схем
2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С АНСАМБЛЕМ МОЛЕКУЛ, ОРИЕНТИРОВАННЫХ
ВНЕШНИМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
2.1. Двухуровневая система в поле собственного излучения.
2.2. Поглощение и усиление
2.3. Электрические свойства молекул
2.4. Функция распределения молекул по ориентациям
2.5. Оптические характеристики дихроичной
молекулярной среды
2.6. Усиление в среде дипольных молекул
2.7. Усиление в среде недипольных молекул
Выводы
3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА
3.1. Система кинетических уравнений
3.2. Решение системы для случая дипольных молекул
3.3. Решение системы для недипольных молекул
Выводы
4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
ОРИЕНТАЦИИ МОЛЕКУЛ ВО ВНЕШНЕМ ПОЛЕ
4Л. Интегро-интерполяционный метод построения разностных схем
4.2. Решение разностных уравнений методом прогонки
4.3. Численное моделирование уравнения Больцмана
на примере стационарного случая
4.4. Численное решение системы кинетических уравнений
с учетом времени ориентации молекул
4.5. Влияние времени ориентации молекул на процесс усиления
4.5.1. Трехуровневая схема накачки
4.5.2. Четырехуровневая схема накачки
4.5.3. Эквивалентная четырехуровневая схема с учетом времени ориентации молекул
Выводы
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Попытка построения теории излучения абсолютно черного тела, находящегося в термодинамическом равновесии с излучением, привела к формулировке основных принципов квантовой механики. Введение понятия индуцированных переходов позволило построить стройную термодинамическую теорию излучения, описывающую основные явления в этой области науки. Это понятие легло в основу одного из значительных событий физики второй половины XX в. - создание генераторов электромагнитного излучения, работающих на принципе квантового усиления (мазеры, лазеры). Несмотря на то, что понятие индуцированного излучения было введено в физику еще в 1917 г. Эйнштейном, потребовалось несколько десятков лет для того, чтобы реализовать усиление света с использованием этого эффекта. Нетривиальным событием, определяющим возможность квантового усиления, была разработка методов создания инверсии населенностей между рабочими уровнями. Для удобства описания процессов усиления и генерации излучения в инверсных средах было введено понятие «температура перехода». Температура перехода, на котором имеет место инверсия, становится отрицательной. В термодинамически неравновесных условиях отрицательная температура перехода была реализована в различных типах усиливающих сред, на базе которых создано большое количество лазеров. Тем не менее, идея получения отрицательного поглощения в среде с положительной температурой перехода постоянно возникала. Было предложено несколько схем, основанных на термодинамических соображениях, ни одна из которых не была реализована /1,2/. Поэтому поиск таких возможностей представляет значительный как научный, так и практический интерес.
Одна из теоретических возможностей получения отрицательного поглощения в среде с положительной температурой перехода была выска-
значениями р и г, но еще настолько велик, что в каждом из них находится много точек, изображающих состояние системы в моменты времени 1а. Тогда число таких точек в элементе объема будет примерно пропорционально величине этого объема с!рс1г. Если обозначить коэфициент пропорциональности, т.е. плотность числа точек в пространстве, через я/(р, г), то число точек для элемента с центром в некоторой точке (р,г) запишется в виде
где йрЛг — йр]йг]йр2(1г2..Ар^ыс1гзы - объем выбранного элемента фазового пространства. Среднее значение и7, вычисленное по определению
(интегрирование по координатам производится по всему объему системы, по импульсам - от - со до со). Функция /(р,г) называется функцией распределения по координатам и импульсам частиц. Поскольку полное число выбранных точек равно ь функция распределения удовлетворяет условию нормировки:
ёу = 8/(р,г)с1рс1г,

с учетом малости этих элементов объема можно переписать как