Патент на изобретение №2276394

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЭФФЕКТА РЕЗОНАНСА “КРАСНОГО СМЕЩЕНИЯ” ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В АНИЗОТРОПНЫХ СРЕДАХ

(57) Реферат:

Устройство содержит последовательно оптически связанные одночастотный лазер непрерывного действия, фотометрический клин, электрооптический поляризационный модулятор света, первый наклонный полупрозрачный отражатель, двухэлектродную кювету с анизотропным веществом, первый наклонный отражатель, второй наклонный полупрозрачный отражатель и гетеродинное фотоприемное устройство, а также второй наклонный отражатель в оптической ветви гетеродинного канала, высокочастотный генератор, соединенный электрически с электрооптическим поляризационным модулятором, источник постоянного тока, подсоединенный к электродам двухэлектродной кюветы с анизотропным веществом, и спектроанализатор, соединенный с выходом гетеродинного фотоприемного устройства. Технический результат – возможность обнаружения эффекта резонанса «красного смещения» электромагнитных волн в анизотропных средах. 1 ил.

Изобретение относится к области фундаментальной физики и может быть использовано в физическом эксперименте по установлению микроприроды электромагнитного излучения и для исследования процессов возбуждения вторичных электромагнитных волн в анизотропных средах в процессах нестационарного взаимодействия электромагнитных волн с анизотропными средами.

Известны процессы энергетического взаимодействия электромагнитных волн, например, достаточно мощного лазерного излучения с различными средами, в результате которого эти среды электрически поляризуются (dc-эффект), намагничиваются (обратный эффект Фарадея, [1]), излучают вторичные электромагнитные волны [2-4] и т.д. Так, опытно установлена и теоретически доказана закономерность сохранения поляризации электромагнитных волн (ЭМВ) в анизотропных средах, выражающая свойство ЭМВ сохранять свою поляризацию неизменной в пространстве и во времени, пока она не будет вынужденно изменяться под действием структуры движения микрочастиц среды, действуя в свою очередь на эту структуру в направлении изменения характера движения ее микрочастиц в некотором нестационарном экспоненциально затухающем процессе, при котором минимизируются энергетические затраты со стороны ЭМВ на указанное выше изменение структуры движения микрочастиц среды, в результате которых имеет место так называемое «красное смещение» той части падающей на анизотропную среду излучения ЭМВ, которая участвует в нестационарном процессе указанного взаимодействия ЭМВ со средой, то есть имеет место некоторое небольшое уменьшение частоты падающего на среду излучения в выходном потоке ЭМВ в течение некоторого небольшого отрезка времени переходного процесса взаимодействия.

Заявляемое техническое решение не имеет аналогов.

Целью изобретения является возможность обнаружения эффекта резонанса «красного смещения» электромагнитных волн в анизотропных средах.

Указанная цель достигается в устройстве, содержащем одночастотный лазер и двухэлектродную кювету с анизотропным веществом, электрически связанную с источником постоянного тока, а также спектроанализатор, причем между одночастотным лазером и двухэлектродной кюветой с анизотропным веществом последовательно установлены оптически соединенные фотометрический клин и электрооптический поляризационный модулятор света, электрически связанный с высокочастотным генератором, также содержащее гетеродинное фотоприемное устройство, оптический вход которого связан с оптическим выходом двухэлектродной кюветы с анизотропным веществом, а электрический выход – с входом спектроанализатора, причем двухэлектродная кювета с анизотропным веществом установлена в одной из оптических ветвей двулучевого интерферометра из двух наклонных полупрозрачных отражателей, первый из которых установлен между электрооптическим поляризационным модулятором света и двухэлектродной кюветой с анизотропным веществом, а второй – между оптическим выходом последней и гетеродинным фотоприемным устройством, а также из первого наклонного отражателя, установленного между выходом двухэлектродной кюветы с анизотропным веществом и вторым наклонным полупрозрачным отражателем, другая оптическая ветвь указанного двулучевого интерферометра образована первым и вторым полупрозрачными отражателями и вторым наклонным отражателем, установленным между ними.

Обнаружение эффекта резонанса «красного смещения» достигается благодаря настройке частоты в высокочастотном генераторе до величины, соизмеримой с обратной величиной постоянной времени установления стационарного режима взаимодействия поляризационно модулированной волны света одночастотного лазера с анизотропной средой, параметры анизотропии которой регулируются подачей электрического поля от источника постоянного тока, регулируемого по выходному напряжению так, чтобы поляризации падающей к анизотропной среде и выходящей из нее волн света совпадали непрерывно во времени. Кроме того, использование в устройстве фотометрического клина, изменяющего плотность потока мощности лазерного излучения, действующего на анизотропную среду, позволяет дополнительно исследовать вопрос о количестве микрочастиц среды из общего их количества в дифференциальном объеме анизотропного вещества, к которому приложено электромагнитное поле света одночастотного лазера (непрерывного действия), принимающих участие в рассматриваемом взаимодействии волны света с анизотропным веществом.

Функциональная схема заявляемого устройства представлена на чертеже.

Устройство состоит из последовательно оптически включенных одночастотного лазера 1, фотометрического клина 2, электрооптического поляризационного модулятора света 3, первого наклонного полупрозрачного отражателя 4, двухэлектродной кюветы с анизотропным веществом 5, первого наклонного отражателя 6, второго наклонного полупрозрачного отражателя 7 и оптического входа гетеродинного фотоприемного устройства 8, а также из перестраиваемого по частоте высокочастотного генератора 9, электрически соединенного с электрооптическим поляризационным модулятором света, источника постоянного тока 10 с регулируемым выходным напряжением, электрически подключенного к электродам двухэлектродной кюветы с анизотропным веществом, второго наклонного отражателя 11 в гетеродинной ветви двулучевого интерферометра (между первым и вторым наклонными полупрозрачными отражателями) и спектроанализатора 12, электрически подключенного к выходу гетеродинного фотоприемного устройства.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

Предварительно следует отметить, что в соответствии с законом сохранения поляризации электромагнитных волн (ЗСПЭМВ) всякое вынужденное изменение поляризации ЭМВ в процессе ее нестационарного взаимодействия со средой вызывает такое изменение структуры движения микрочастиц этой среды, которое стремится уменьшить деполяризующее влияние среды на электромагнитную волну, а также уменьшить потери энергии той группы волнового поля, которая участвует в процессе нестационарного взаимодействия последнего со средой и является причиной возбуждения в ней вторичных электромагнитных волн. Так, в известном устройстве [2] с использованием мощного импульсного лазера с коротким фронтом нарастания плотности потока мощности (вектором Пойнтинга) светового излучения, проходящего через анизотропную среду (например, кювету с химически чистым нитробензолом, помещенным в сильное постоянное электрическое поле), возбуждение вторичной СВЧ-волны достигается в соответствии с пространственно-временным перемагничиванием анизотропной среды и законом об электромагнитной индукции, а также в результате согласования геометрических параметров круглого волновода для волны типа TE₀₁ с параметрами анизотропии используемой в нем среды, при котором групповая скорость световой волны в среде равна фазовой скорости образующейся СВЧ-волны в волноводе, что обеспечивает когерентное накопление СВЧ-энергии на выходе волновода в форме короткого СВЧ-импульса. Следовательно, излучение энергии в СВЧ-тракте обязано соответствующей потере энергии для светового импульса в течение фронта (и спада) его действия, что вытекает из закона сохранения энергии. При этом важно отметить, что если на анизотропную среду воздействовать световым перепадом с коротким по длительности перепадом световой интенсивности, то СВЧ-излучение все равно имеет форму короткого импульса и быстро исчезает при постоянной плотности потока мощности в световом излучении, проходящем через анизотропную среду. Это – опытный факт, свидетельствующий о том, что СВЧ-излучение, а следовательно, и потеря энергии в световой волне («красное смещение») имеют место только в процессе нестационарного взаимодействия ЭМВ со средой. Постоянная времени нестационарности этого процесса взаимного влияния друг на друга (по аналогии с третьим законом Ньютона для системы взаимодействующих механических тел) поляризации ЭМВ и структуры движения микрочастиц среды, в результате которого наступает стационарный режим взаимодействия, при котором «красное смещение» отсутствует, зависит по величине от свойств среды и, возможно, от величины вектора Пойнтинга воздействующей на среду ЭМВ.

Важно отметить, что величина «красного смещения» при действии на анизотропную среду оптического излучения в форме перепада поляризации, например при перепаде от горизонтальной к вертикальной поляризации, приводит к тому, что в среде возникает переходный процесс, сопровождающийся изменением структуры движения микрочастиц среды, в течение которого возникает «красное смещение» падающего излучения с экспоненциальным уменьшением величины «красного смещения» от некоторого ее значения до нулевого. Характеристикой такого экспоненциального изменения величины «красного смещения» является указанная выше постоянная времени (постоянная экспоненты) нестационарного процесса взаимодействия ЭМВ со средой. Чем больше начальное рассогласование поляризаций в указанном перепаде, тем больше начальная величина «красного смещения». Из этого следует, что в рассмотренном устройстве величина «красного смещения» оказывается экспоненциально убывающей в течение времени действия фронта (спада) оптического излучения, то есть имеет широкий спектр, что дополнительно осложняет регистрацию «красного смещения».

Поэтому в заявляемом устройстве используется одночастотный газовый высокомонохроматичный лазер непрерывного действия, а вариация параметров этого излучения для непрерывного во времени поддержания режима нестационарности взаимодействия ЭМВ со средой, структура движения микрочастиц которой произвольна по отношению к меняющемуся во времени вектору поляризации, достигается поляризационной модуляцией лазерного излучения. Это создает условия, при которых нестационарность взаимодействия ЭМВ с анизотропной средой становится стационарной, постоянно действующей во времени, то есть вызывающей постоянно «красное смещение» поляризационно модулированного излучения одночастотного лазера.

Для достижения условия стационарной нестационарности взаимодействия ЭМВ с анизотропной средой необходимо, как показывает анализ, выбрать определенную частоту поляризационной модуляции в высокочастотном генераторе, согласующуюся с физическими свойствами анизотропной среды, то есть с постоянной времени нестационарного процесса взаимодействия в предположении действия на среду светового перепада по поляризации (например, при перепаде от вертикальной поляризации к горизонтальной), в результате которого соответственно начальному и конечному значениям поляризации в таком перепаде изменяется структура движения микрочастиц среды, после чего новая структура движения остается зафиксированной. Следовательно, если на анизотропную среду подавать излучения с равномерно меняющейся поляризацией, например вращающейся плоской поляризацией или однонаправленно меняющейся с заданной скоростью поляризацией типа «вертикальная – циркулярная – круговая – циркулярная – горизонтальная и т.д.», то в среде будет непрерывно и с постоянной скоростью меняться и структура движения ее микрочастиц в соответствующих сечениях (в общем случае, в ее дифференциальных объемах). Последнее будет поддерживать во времени «красное смещение» частоты лазерного излучения. Однако в общем случае, то есть для несогласованного выбора настройки частоты высокочастотного генератора, определяющей скорость изменения поляризации падающего на анизотропную среду излучения, с физическими свойствами анизотропной среды, характеризующими скорость изменения структуры движения микрочастиц среды, мгновенное значение выделяемой частоты «красного смещения» на выходе гетеродинного фотоприемного устройства будет изменяться в функции величины рассогласования между текущим вектором поляризации ЭМВ и текущей структурой движения микрочастиц среды, стремящейся как бы «догнать» то ее состояние, которое было бы равновесным для данного текущего положения вектора поляризации ЭМВ. Из этого следует, что при увеличении частоты модулирующих поляризацию колебаний высокочастотного генератора будет расти и величина «красного смещения» по линейному закону. Однако этот рост величины «красного смещения» с ростом частоты в высокочастотном генераторе будет ограничен при достижении указанного текущего рассогласования между положением вектора поляризации ЭМВ и «вектором структуры движения микрочастиц среды», равного 90°. Введенное понятие «вектора структуры движения микрочастиц среды» является условным и характеризует положение вектора поляризации ЭМВ, при котором достигалось бы равновесие между поляризацией ЭМВ и структурой движения микрочастиц среды. Наибольшее различие векторов поляризации в стационарно неравновесном состоянии равно 90°, как это имеет место для векторов поляризаций горизонтальной и вертикальной, круговой по правому кругу и круговой по левому кругу и т.д.

Поэтому для фиксированного значения постоянной времени соответствующего нестационарного процесса взаимодействия ЭМВ с заданной анизотропной средой выбор наибольшей величины модулирующих колебаний в высокочастотном генераторе должен производиться с учетом этого значения постоянной времени. Дальнейшее увеличение этой частоты приведет к уменьшению величины «красного смещения» и к появлению паразитной частотной модуляции «красного смещения», то есть к уширению его спектра и снижению спектральной плотности в отклике гетеродинного фотоприемного устройства.

В этом смысле, рассматриваемая схема обнаружения «красного смещения» обладает резонансными свойствами, поскольку максимум «красного смещения» достигается при выборе определенной частоты модулирующих поляризацию лазерного излучения колебаний в высокочастотном генераторе, что и отражено в названии устройства.

Как известно, наибольшая эффективность фотосмешения в гетеродинном фотоприемном устройстве достигается в случае равенства сигнальной и гетеродинной поляризаций смешиваемых оптических излучений. Гетеродинной в данном устройстве является оптическая ветвь двулучевого интерферометра (Жамена), включающая первый и второй наклонные отражатели и второй наклонный отражатель. Сигнальной является ветвь, включающая двухэлектродную кювету с анизотропной средой. Оптические длины этих ветвей подбирают по условию соблюдения высокой взаимной когерентности сигнальной и гетеродинной оптических составляющих, падающих коллинеарно на плоскость фотокатода гетеродинного фотоприемного устройства. В результате фотосмешения на выходе последнего образуется колебание разностной частоты, лежащей в спектре радиодиапазона, которое легко регистрируется чувствительным спектроанализатором.

Для выполнения условия равенства поляризаций для сигнальной и гетеродинной оптических компонент необходимо выбрать угловой набег поляризации в анизотропной среде, равный целому числу циклов переполяризации. Это достигается при заданной геометрии кюветы и известных свойствах анизотропии среды выбором определенного напряжения смещения от источника постоянного тока.

Поскольку частота колебаний в высокочастотном генераторе, задающем скорость изменения вектора поляризации в действующем на анизотропную среду излучении, на несколько порядков ниже частоты световых колебаний одночастотного лазера (например, диапазона видимых или инфракрасных частот), то спектр поляризационно-модулированного светового колебания на выходе электрооптического поляризационного модулятора света является существенно узкополосным и представляет практически только три линии спектра – центральную (с частотой лазерного излучения) и две боковые (с частотами соответственно равными сумме и разности частот лазерного излучения и высокочастотного генератора). Поэтому фотосмешение в гетеродинном фотоприемном устройстве компонент трехлинейчатого спектра сигнального и гетеродинного пучков даст один и тот же результат по частоте «красного смещения»: все три комбинационные компоненты будут иметь одинаковую разностную частоту «красного смещения», а ничтожно малая паразитная амплитудная модуляция составляющей «красного смещения» на входе спектроанализатора легко может быть отфильтрована заградительным фильтром в составе спектроанализатора, настроенным на частоту колебаний высокочастотного генератора. Когерентность складываемых трех пар компонент на выходе гетеродинного фотоприемного устройства также обусловлена малой величиной дисперсии анизотропной среды для оптических составляющих результирующего спектра с учетом его узости из-за большого различия частот оптического излучения и высокочастотного генератора.

Таким образом, при правильном выборе частоты высокочастотного генератора, задающей требуемый темп изменения поляризации падающего на анизотропную среду непрерывного излучения, согласованный с темпом возможного для данной среды изменения структуры движения ее микрочастиц, создаются условия стационарной нестационарности взаимодействия ЭМВ со средой, в результате которых может быть зарегистрировано постоянное во времени «красное смещение» в излучении ЭМВ. Подбор анизотропии среды регулировкой действующего на нее электрического поля (эффекты Керра, Поккельса и др.) со стороны источника постоянного тока позволяет максимизировать амплитуду выделяющегося колебания с частотой «красного смещения».

Исследования, проводимые с помощью заявляемого устройства, кроме прямого доказательства правомерности исходных посылок, связанных с ЗСПЭМВ, позволяют проводить оценки физических параметров анизотропных сред по степени быстродействия переходных явлений в таких средах под действием излучения в различных оптических и не только оптических участках спектра ЭМВ, что может найти применение в технике спектроскопии. Постановка подобных экспериментов позволит обосновать происходящие во Вселенной процессы «красного смещения» в излучении внегалактических туманностей, по-новому объяснить астрономические наблюдения по «красному смещению» – не в соответствии с действующей концепцией «разбегающихся Галактик» (по теории Фридмана).

Представляет интерес рассмотреть вопрос о том, все ли микрочастицы данного дифференциального объема анизотропной среды принимают участие в изменении структуры их движения под действием ЭМВ с изменяющейся во времени поляризацией в функции величины плотности потока энергии ЭМВ (в функции вектора Пойнтинга). Это обстоятельство важно выяснить в связи с утверждением автора ЗСПЭМВ об отсутствии в физике дуализма по вопросу квантованности или неквантованности волнового поля. Известно, что электромагнитное поле феноменологически проявляет как волновые, так и корпускулярные свойства. Так, явления интерференции, дифракции, дисперсии, эффект Доплера и многие другие показывают, что электромагнитное поле есть волновой процесс передачи энергии. Ряд других явлений (эффект Комптона, давление света, внешний фотоэффект и др.), напротив, указывают на кажущуюся корпускулярность этого поля. В частности, А.Эйнштейном в 1905 году введено понятие фотонов для объяснения внешнего фотоэффекта, применительно к которому кинетическая энергия фотоэлектронов не является функцией интенсивности падающего на фотомишень света, а является только функцией его частоты, и при этом атом поглощает фотон как целое. Это введение фотонов, то есть квантование электромагнитного поля по энергии, привело к возникновению мощного математического аппарата квантовой механики, а в последующем и к релятивистской квантовой теории поля. Основной физической константой на сегодня принята постоянная Планка, определяющая энергетику фотона через его частоту. Другими важнейшими постоянными в физике являются электродинамическая постоянная (скорость света в пустоте) и гравитационная постоянная, определяемая из закона всемирного тяготения Ньютона. Через эти три постоянные могут быть выражены размерности всех известных физических величин, что делает эти постоянные универсальными. Все они подтверждаются опытными фактами, поэтому не вызывают сомнения в правомерности их применения в теоретической и экспериментальной физике.

Тем не менее, объяснение фотоэффекта оказалось возможным с позиции чисто волновой теории (как и все другие явления и эффекты, требовавшие квантования электромагнитного поля) путем введенного автором так называемого калибровочного соотношения, связывающего постоянную Планка с вектором Пойнтинга, временем взаимодействия электромагнитной волны с атомом вещества в процессах возбуждения-излучения определенной порции энергии, пропорциональной частоте электромагнитной волны, и свойств вещества [4]. Это калибровочное соотношение указывает на то, что не электромагнитное поле в среде является квантованным и атом среды возбуждается, поглощая фотон энергии, а также излучает фотон энергии, переходя в основное состояние, а свойством квантования по энергии обладает по отношению к электромагнитной волне само вещество, его атомы и молекулы, поглощающие и испускающие только квантованные порции энергии от ЭМВ. Причем изменяется для различных значений вектора Пойнтинга в данном дифференциальном объеме вещества только время, в течение которого атом или молекула поглощает или испускает данную порцию энергии ЭМВ, пропорциональную произведению постоянной Планка на частоту ЭМВ. Иначе говоря, чем выше интенсивность ЭМВ, тем быстрее происходит процесс возбуждения атомов или молекул, а отбираемая от ЭМВ энергия остается неизменной, равной энергии фотона в квантовомеханическом представлении.

Проверка такого толкования, исключающего существующий дуализм в физике в вопросе интерпретации электромагнитного поля как волнового или корпускулярного, является существенно важной физической задачей.

Аналогично концепции устранения указанного дуализма на основе использования калибровочного соотношения следует полагать, что изменение интенсивности излучения (изменение вектора Пойнтинга в данном дифференциальном объеме среды) может либо приводить к изменению постоянной времени нестационарного процесса взаимодействия ЭМВ с анизотропной средой, либо к изменению числа микрочастиц среды, принимающих участие в изменении структуры их движения из общего числа этих частиц, но без изменения указанной величины постоянной времени. Выяснение того, как поведет себя система в зависимости от изменения вектора Пойнтинга ЭМВ, является важным физическим результатом.

Поэтому введение в заявляемом устройстве фотометрического клина, позволяющего в достаточных пределах изменять величину вектора Пойнтинга в ЭМВ, проходящей через анизотропную среду, может и должно пролить свет на разрешение вопроса о том, все или не все микрочастицы данного дифференциального объема анизотропной среды принимают участие в реструктуризации картины своего движения под действием изменяющейся поляризации ЭМВ в функции величины вектора Пойнтинга. Если все, то работает «калибровочное соотношение», и в функции величины вектора Пойнтинга должна изменяться постоянная времени установления стационарного режима и, следовательно, нарушаться резонанс «красного смещения» при неизменном значении частоты высокочастотного генератора. Если не все, то величина «красного смещения» изменяться не будет с ростом вектора Пойнтинга в пределах до некоторой пороговой величины, после чего (когда все микрочастицы станут принимать участие в изменении структуры их движения) вновь возникнут условия нарушения резонанса «красного смещения» из-за изменения указанной постоянной времени в соответствии с «калибровочным соотношением» для рассматриваемой системы.

Заявляемое устройство может быть использовано при проведении физических исследований электромагнитного поля и закономерностей его взаимодействия с различными средами – изотропными, анизотропными, турбулентными, оптически активными и другими. Устройство достаточно просто в исполнении для специализированной лаборатории, связанной с квантовыми приборами и фотоприемной техникой.

Источники информации

1. Першан, Ван-дер-Циль, Мальмстрем. «Обратный эффект Фарадея», доклад на IV Международной конференции по квантовой электронике в Пуэрто-Рико, 28-30 июня 1965 г., опубл. УФН, 88, № 1, 177, 1965 г.

О.Ф.Меньших. Свето-магнитный эффект. Заявка на открытие № 32-ОТ-4540 от 30.06.1965 г., Москва.

2. О.Ф.Меньших. Способ генерирования электрических колебаний. Авторское свид. СССР № 1380476, опубл. в бюллетене «Изобретения. Полезные модели» № 12 от 24.04.2004 г.

3. О.Ф.Меньших. Генерирование микроволн в анизотропных средах действием оптической ударной волны, доклад на V Всесоюзном семинаре по оптоэлектронике, Институт проблем управления АН СССР, Москва, 22.04.1975 г.

4. О.Ф.Меньших. Закон сохранения поляризации электромагнитных волн. Заявка на открытие № ВВ-155 от 17.10.2003 г. (с приложениями), Москва, МААНО РАЕН.

Формула изобретения

Устройство для обнаружения эффекта резонанса “красного смещения” электромагнитных волн в анизотропных средах, содержащее одночастотный лазер и двухэлектродную кювету с анизотропным веществом, электрически связанную с источником постоянного тока, а также спектроанализатор, причем между одночастотным лазером и двухэлектродной кюветой с анизотропным веществом последовательно установлены оптически соединенные фотометрический клин и электрооптический поляризационный модулятор света, электрически связанный с высокочастотным генератором, также содержащее гетеродинное фотоприемное устройство, оптический вход которого связан с оптическим выходом двухэлектродной кюветы с анизотропным веществом, а электрический выход – с входом спектроанализатора, причем двухэлектродная кювета с анизотропным веществом установлена в одной из оптических ветвей двулучевого интерферометра из двух наклонных полупрозрачных отражателей, первый из которых установлен между электрооптическим поляризационным модулятором света и двухэлектродной кюветой с анизотропным веществом, а второй – между оптическим выходом последней и гетеродинным фотоприемным устройством, а также из первого наклонного отражателя, установленного между выходом двухэлектродной кюветы с анизотропным веществом и вторым наклонным полупрозрачным отражателем, другая оптическая ветвь указанного двулучевого интерферометра образована первым и вторым полупрозрачными отражателями и вторым наклонным отражателем, установленным между ними.

РИСУНКИ