Возникновение когерентного излучения – неравновесный фазовый переход

Твердотельный лазер представляет собой твердую матрицу с внедренными в нее активными атомами. В качестве зеркал действуют торцевые поверхности лазерного стержня. Когда мощность накачки достигает значения, которое называется пороговой мощностью лазерной генерации, все атомы начинают испускают импульс когерентного лазерного излучения. Резко возрастает выходная мощность – интенсивность излучения света. Графическое изображение зависимости интенсивности излучения от мощности накачки будет аналогично графику на Рис. 1.2. Режим генерации, в данном случае, будет отображен полупрямой 2, которая соответствует проявлению самоорганизации при генерации в атомной системе.

Лазерный режим оказывается стабильным в сверхкритической области, он представляет собой кооперативное поведение атомов и излучения (фотонов). Оба явления: и лазерный режим в сверхкритической области, и образование ячеек Бенара – имеют общее название – неравновесного фазового перехода.

Под фазовым переходом в физике понимается скачкообразное изменение физических свойств при непрерывном изменении внешних параметров. П. С. Эренфест (1880–1933 гг.) ввел терминологию, которая позволила различать фазовые переходы I и II рода. Фазовый переход I рода – это скачкообразное изменение плотности, сопровождающееся выделением или поглощением тепла – испарение и конденсация, плавление и затвердевание и т. д.

Фазовый переход II рода – появление по одну сторону от точки перехода некоторой физической величины, которая равна нулю по другую сторону от точки перехода. Сопровождается непрерывным изменением плотности, отсутствием процесса выделения или поглощения теплоты. Это переход парамагнетик – ферромагнетик, переход металлов и сплавов из нормального состояния в сверхпроводящее и т. д.

В лазере возбужденные атомы генерируют световое поле. Возникает вопрос, что может являться параметром порядка при возникновении лазерной генерации? Существует обратное воздействие поля на атомы. С одной стороны, поле является для атомов вынуждающей силой, которая стимулирует появление вынужденного излучения. С другой стороны, постоянная диссипация и флуктуации, возмущающие процесс излучения своим случайным воздействием, препятствуют процессу излучения. Поэтому в докритическом режиме поле вынужденного или стимулированного излучения затухает. Затухание поля становится все меньше с увеличением инверсии благодаря увеличению мощности накачки. Наступает момент, когда система теряет устойчивость, и амплитуда поля начинает резко расти. Сначала только у одной полевой моды исчезает затухание. Естественно предположить, что амплитуда этой моды и будет параметром порядка, подчиняющим себе атомную систему. Но в дальнейшей конкурентной борьбе различных неустойчивых мод побеждает одна, и именно ее амплитуда и является параметром порядка. Когерентное лазерное излучение обеспечивается именно этой модой. Г. Хакен (ФРГ), обнаружив сходство между процессами возникновения генерации в лазерах с фазовыми переходами II рода, назвал их неравновесными фазовыми переходами, что можно считать определением понятия самоорганизации. Диссипация, производство энтропии сопровождают неравновесный фазовый переход. Это обуславливает возможность его существования только в открытых системах, в которых производство энтропии внутри системы компенсируется потоком негэнтропии из окружающей среды.

В рассматриваемой системе кроме возникновения лазерной генерации существуют и другие проявления неустойчивости. Может возникнуть режим, аналогичный странному аттрактору Лоренца, при определенных значениях параметров системы, которые могут быть реально достижимы в лазерах. Хаотическая зависимость напряженности поля одной из мод наблюдается в этом случае. Уникальная возможность экспериментального исследования потери устойчивости отдельных мод появляется при изучении работы лазера в таком режиме. А процесс изучения гидродинамических течений затруднен ввиду многомодовости явления.

Вышерассмотренные примеры являются примерами образования пространственных структур. Кроме этого могут существовать и структуры, образованные во времени – временные структуры и пространственно-временные структуры.

Среди химических реакций наблюдается немало примеров образования пространственных, временных и пространственно-временных структур.[10]

Общий вывод здесь заключается в следующем. При нарушении линейного соотношения между потоками и силами – вдали от состояния равновесия – происходит формирование структур. Как невозможны неустойчивые стационарные состояния в области линейных процессов, так невозможными являются и периодические движения около устойчивых стационарных состояний. В линейной термодинамике произвольные стационарные состояния являются устойчивыми. Так как производство энтропии может только убывать с течением времени, то в линейной области приближение системы к стационарному состоянию будет носить монотонный характер, и «проскочить» это состояние система не может. Поэтому колебания около стационарных положений в линейной области невозможны.

Поиск по сайту: