Натриевый слой мезосферы попытались превратить в лазер без зеркал

В мезосфере есть небольшое количество атомов натрия. Учёным пришла безумная идея: может, их концентрации хватит, чтобы зажечь лазер прямо в небе? Они рассчитали, как этот естественный слой поведёт себя под непрерывной и импульсной накачкой на нескольких длинах волн.

Ответ для непрерывного режима получился почти нулевым. При суммарной интенсивности накачки 100 Вт/м² модель дала малосигненный однопроходный column gain G=3.0×10^-5. Относительный прирост интенсивности e^G−1 почти равен тем же 3.0×10^-5: естественная колонка натрия слишком разрежена, чтобы заметно усилить спонтанный фотон и зажечь яркую лазерную опорную звезду.

Работа рассматривает слой нейтрального натрия, обычно используемый системами адаптивной оптики для лазерных guide star. Вместо возбуждения резонансной D-линии с последующей флуоресценцией авторы рассчитали возможность получить инверсию и mirrorless-излучение на каскадных переходах. В модели Na I представлены десять уровней и 20 разрешённых электродипольных переходов; энергии уровней и радиационные вероятности взяты из Atomic Spectra Database NIST. Отдельно просчитаны доплеровски усреднённый случай и селективная накачка скоростных классов атомов.

Для непрерывного режима положительная инверсия появляется на линиях 2206 нм и 9.1 мкм, связанных с уровнем 4P, а в двухцветной схеме 589+1140 нм — на 1138 нм. Наиболее интересная для направленного ИК-излучения линия 2339 нм, переход 4D5/2→4P3/2, в стационарном CW-режиме инверсии не получает. Причина видна из времён жизни: нижний уровень живёт около 105 нс, верхний — около 52 нс. Населённость нижнего состояния накапливается быстрее, чем формируется нужная инверсия.

Схема с лазерами 589 и 569 нм выглядит предпочтительнее прямой накачки на 330 нм уже примерно от 40 Вт/м² суммарной интенсивности. При 100 Вт/м² расчёт даёт G=3.0×10^-5 против 1.6×10^-5 для 330-нм варианта. Разница существенна для выбора архитектуры источника, однако оба значения далеки от оптической толщины, при которой ASE становится интенсивным.

Импульсный режим меняет картину. После двухцветной накачки 589+569 нм на переходе 2339 нм появляется переходная инверсия, исчезающая через 190–290 нс в рассмотренных режимах. Полезная длительность возбуждающего импульса должна укладываться примерно в 200 нс, а синхронизация приёма должна отделять слабый обратный сигнал от рассеяния накачки. Такой режим переносит задачу из области непрерывной атмосферной подсветки в область импульсной спектроскопии с жёсткими требованиями к пиковой мощности, формированию пятна и временной селекции.

Лабораторный физический прецедент уже существует: в натриевой паровой ячейке ранее наблюдали непрерывное направленное излучение 2.21 мкм при накачке 589 и 569 нм, а также использовали подобный механизм в стендовой магнитометрии. Плотность натрия в ячейке радикально выше атмосферной: для сопоставления в расчёте использована мезосферная колонка 4×10^9 см^-2, тогда как лабораторная достигает 3.2×10^12 см^-2. В ячейке допустимы интенсивности 10^5–10^6 Вт/м², для мезосферы рассмотрен уровень около 10^2 Вт/м².

Полученная карта инверсий задаёт конкретные длины волн для дальнейших экспериментов, но абсолютные значения усиления остаются модельными. В расчёт не вошли сверхтонкая и зеемановская структура, столкновительное тушение высоковозбуждённых состояний, перераспределение скоростей, photon recoil, насыщение и радиационный перенос ASE. Особенно чувствителен вывод о пороге около 40 Вт/м²: столкновения, меняющие скорость атомов, могут сдвинуть систему от velocity-selective режима к доплеровски усреднённому.
arXiv:2608.09037