Высокочувствительная лазерная поляриметрия атомных газов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР МЕТОДОВ ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

§ 1.1. Методика поляриметрических измерений

§ 1.2. Спектральные поляриметрические измерения .*.

§ 1.3. Точность поляриметрических измерений

§ 1.4. Основные результаты первой главы.

ГЛАВА П. ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА СПЕКТРОПОЛЯРИМЕТРА.

§ 2.1. Перестраиваемый лазер.

§ 2,2. Поляризационные призмы.

§ 2.3. Ячейка Фарадея.

§ 2.4. Приемники излучения.

§ 2.5. Система контроля частоты излучения лазера.

§ 2.6. Общая компоновка спектрополяриметра.

ГЛАВА Щ. РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА СПЕКТРОПОЛЯРИМЕТРА.

§ 3.1. Общие принципы построения радиоэлектронных систем спектрополяриметра.

§ 3.2. Канал компенсации и регистрации вращения

§ 3.3. Канал синхронизации лазерных интерферометров.

§ 3.4. Канал привязки частоты лазера к линии поглощения.

§ 3.5. Канал привязки частоты лазера к контуру фарадеевского вращения.

§ 3.6. Управление режимами работы спектрополяриметра.

§ 3.7. Конструкция радиоэлектронной аппаратуры

ГЛАВА 1У. ИЗУЧЕНИЕ АППАРАТНОГО ВРАЩЕНИЯ НА СПЕКТРОПО

ЛЯРИМЕТРЕ.

§ 4.1. Интерференционный механизм аппаратного вращения.

§ 4.2. Аппаратное вращение в поляризационных призмах.

§ 4.3. Одномодовый световод.

ГЛАВА У. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ В ПАРАХ

АТОМАРНОГО ВИСМУТА.

§ 5.1. Эффект Фарадея в парах висмута.ИЗ

§ 5.2. Ложные эффекты в парах висмута.

§ 5.3. Измерения оптической активности в парах висмута.

§ 5.4. Обсуждение результатов измерений.

Появление лазеров - источников яркого когерентного излучения - дало мощный стимул развитию многих областей оптической спектроскопии. Применение лазеров позволяет увеличить чувствительность и спектральное разрешение поляриметров и сейчас с их помощью решается широкий круг экспериментальных задач. На спе-ктрополяриметрах изучают сверхтонкую структуру спектральных линий /I/ и дисперсию нелинейной восприимчивости /2/, проводят точные измерения сил осцилляторов атомных переходов /3/. В ряде "тонких" экспериментов возникает необходимость измерять весьма малые вращения плоскости поляризации света. Для измерения увлечения света движущейся средой необходимо регистрировать вращение на гу уровне 10 радиан /4/. Такая чувствительность позволит также обнаруживать малые примеси атомов (концентрация 10^ см"3, поглощение 10"^ см~*) /5/.

Аналогичные требования к измерению малых вращений возникают в связи с поисками эффектов несохранения четности в атомах. Имеется в виду поиск слабых взаимодействий электронов и нуклонов, предсказанных единой теорией электрослабых взаимодействий Вейн-берга-Салама. Обычно задачи такого рода решают на ускорителях методами физики высоких энергий. Однако в работе Бушиа /6/ было показано, что в тяжелых атомах слабое взаимодействие электронов с нуклонами возрастает настолько, что можно надеяться зарегистрировать его оптическими методами. Такое обнаружение было бы важным подтверждением теории электрослабых взаимодействий в области малых энергий, полученным независимо от физики элементарных частиц.

Возможность наблюдения в атоме слабого взаимодействия связана с присущим ему нарушением четности ( Parity Non Conservation сокращенно PNC ), на что впервые обратил внимание Я.Б.Зельдович в 1959 году /7/. Несохраняющее четность слабое взаимодействие перемешивает в атоме состояния с разной четностью, например к S -состоянию подмешивается р -состояние. Вследствие малой величины слабого взаимодействия по сравнению с электромагнитным коэффициент примеси состояний противоположной четности невелик С-КГ10 в тяжелых атомах). Однако в результате у атома появляется совершенно новое качество - он по-разному взаимодействует с фотонами правой и левой круговой поляризации, то есть возникают круговой дихроизм /6/ и оптическая активность /8/. Анализ показывает, что оптическую активность удобно наблюдать на маг-нитно-дипольных переходах. Спектральная зависимость угла поворота плоскости поляризации имеет дисперсионный характер, как и показатель преломления п(и)) ф Ы- ^[мы-!]-« (вл)

1 Рл/С А

Здесь L - длина светового пути, X - длина волны, а безразмерный параметр R равен отношению матричных элементов примешивающегося за счет несохранения четности электрического диполя El и магнитного диполя перехода Ml pN ^ V (В.2)

Вращение достигает экстремумов при отстройке от центра линии примерно на ее ширину. Можно выразить размах вращения через оптическУю толщу в центре линии

Yp/n--a'*L'11 (В.з)

Здесь CL ^ I - коэффициент, зависящий от формы линии. Измерения (u>) целесообразно проводить внутри контура спектральной

Г//с линии. При выборе конкретного перехода для измерений необходимо учитывать такие факторы, как величину Я , возможность достижения наличие соответствующего лазера /9/. Удобным в этом смысле оказался переход връ б^3 4 53/ ( X = 648 нм) в висмуте, где ожидалась величина К ^ -(2-4) • 10""^ /10,11/ и можно ожидать такую же величину оптической активности гу дУ(современные оценки дают - (1-2)»10 /12,13/).

В 1975 году нами была начата подготовка эксперимента по измерению вызванной несохранением четности оптической активности. Существовавшие лабораторные поляриметры имели точность измерений на уровне 10 рад, поэтому основная задача состояла в повышении гу точности до 10 рад при спектральном разрешении ~ 100 МГц, что оказалось сложной экспериментальной задачей. Работа по созданию спектрополяриметрической установки и проведению на ней измерений оптической активности паров висмута потребовала многолетнего труда коллектива сотрудников. В данную диссертацию вошел первый этап этой работы, завершенный в 1980 году, а именно создание п спектрополяриметра с погрешностью измерений не хуже 10 рад и проведение на нем первых экспериментов по наблюдению эффектов несохранения четности.

Цель настоящей работы состояла в следующем:

- выбор методики измерений малых вращений плоскости поляризации света;

- создание лабораторного поляриметра со спектральным разрешением ^10 МГц;

- выявление, детальное изучение различных физических эффектов, ограничивающих точность спектрополяриметрических измерений;

- уменьшение погрешности спектрополяриметра до величины £ Ю-7 рад;

- измерение оптической активности в парах висмута.

Результаты работы систематически изложены в тексте диссертации, состоящей из пяти глав, введения и заключения.

В первой главе рассмотрены методы поляриметрических измерений. Проанализирован уровень предельной чувствительности в разных схемах поляриметров. Обсуждены вопросы о точности и спектральном разрешении поляриметров. В результате анализа выбрана модуляционная методика измерений со скрещенными поляризаторами.

Во второй главе рассмотрены важнейшие оптические элементы созданного спектрополяриметра. Описаны конструкции поляризаторов, модуляционной ячейки Фарадея, фотоприемников. Рассмотрены системы управления длиной волны лазера и контроля за ней, приведена общая оптическая схема спектрополяриметра.

В третьей главе описан оригинальный комплекс радиоэлектронной аппаратуры, созданный специально для спектрополяриметра. Эта аппаратура позволяет автоматически проводить спектральные измерения с неограниченным временем накопления и реализует высокие возможности, заложенные в оптической схеме спектрополяриметра. Приведено подробное описание основных систем комплекса- системы компенсации и регистрации вращения и системы управления лазером. Рассмотрена схемотехника отдельных узлов аппаратуры.

В четвертой главе описаны результаты исследований погрешностей спектрополяриметрических измерений. Систематически рассмотрены различные физические механизмы возникновения погрешностей. Изложены методы уменьшения погрешностей до величины менее Ю~7 рад.

В пятой главе описаны эксперименты по исследованию оптической активности в парах висмута. Подробно изложена методика измерений. Рассмотрены различные ложные эффекты, возникающие в парах висмута. Проведен анализ результатов измерений.

В заключение сформулированы основные выводы диссертации. На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Создан лазерный спектрополяриметр со скрещенными призмами, измерения на нем проводятся по модуляционной методике с компенсацией измеряемого вращения. Чувствительность поляриметра —8 составляет 10 рад при времени усреднения 5 минут и мощности лазера 10 мВт, что соответствует дробовым шумам.

2. Разработана радиоэлектронная аппаратура, позволяющая неограниченно долго накапливать измеряемое вращение в трех спектральных точках в автоматическом режиме. Разработаны оригинальные методы стабилизации частоты лазера по контуру фарадеевского вращения.

3. Выявлены и исследованы физические механизмы возникновения погрешностей в спектрополяриметрических измерениях.

4. Для уменьшения погрешностей применены поляризаторы со специальной ориентацией оптической оси и усреднение положения основных оптических элементов поляриметра. Впервые для устранения пространственной нестабильности лазерного пучка применен од-номодовый световод.

5. В результате создан спектрополяриметр с систематической 7 ошибкой измерений менее 10 рад и спектральным разрешением 10 МГц.

6. Проведены измерения оптической активности в парах висмута. Показано, что наблюдаемый эффект меньше ожидавшегося.

Основные результаты работы опубликованы в /54,55,66-68/ и докладывались на семинарах в ФИАН, на сессиях отделений Ядерной физики и Общей физики и Астрономии АН СССР, на заседании бюро отделения Ядерной Физики АН СССР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перечислим кратко основные результаты работы.

1. Проведен обзор различных схем поляриметров, оценен их уровень предельной чувствительности. Показано, что наилучшими метрологическими характеристиками обладает модуляционный поляриметр со скрещенными поляризаторами и компенсацией вращения.

2. Создан комплекс радиоэлектронной аппаратуры для спектро-поляриметра. Этот комплекс позволяет неограничено долго накапливать сигнал вращения (в цифровом виде, с собственной погрешностью о меньше Ю~° рад), перестраивать и стабилизировать частоту лазера по спектральному контуру поглощения или фарадеевского вращения атомной линии, управлять работой печки с парами висмута, проводить все измерения на спектрополяриметре в автоматическом режиме.

3. Выявлены и исследованы различные источники погрешностей в спектрополяриметрических измерений. Впервые систематически изложены "интерференционный" и "кристаллооптический" механизмы появления аппаратного вращения. Исследованы также возможные ложные эффекты в парах висмута.

4. Для уменьшения погрешностей применены поляризаторы со специальной ориентацией оптической оси; за счет периодического смещения их усредняется "интерференционное" аппаратное вращение. Для уменьшения погрешностей из-за пространственной нестабильности лазерного пучка впервые использован одномодовый световод.

5. Создана автоматизированная спектрополяриметрическая установка с чувствительностью на уровне дробовых шумов, системати7 ческой погрешностью менее 10 рад и спектральным разрешением ~10 МГц.

6. Проведены измерения вызванной несохранением четности оптической активности в парах висмута на длине волны 648 нм. Ожидаво шееся значение Я я -20*10 в эксперименте не наблюдалось.

Отметим, что в дальнейшем для уточнения значения Я была проведена работа по уменьшению погрешности спектрополяриметра о до единиц 10 рад и проведены измерения оптической- активности паров висмута. Однако содержание и результаты этих исследований не входят в данную диссертацию.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность И.И.Собельману за внимание к работе, В.Н.Сорокину за научное руководство, Г.Н.Биричу, Б.Я.Зельдовичу, С.И.Канор-скому, И.И. Струку, Д.Н.Суворову, Е.А.Юкову за помощь в работе и полезные обсуждения, Е.М.Дианову за представленные нам образцы одномодовых световодов.

1.Roberts G.,Baird P.,Brimicombe M. et. al. "The Faraday effect and magnetic circular dichroism in atomic bismuth" J. Phys. B, 1980, v. 13, U 7, p. 1389-1402

2. Ахманов С.А., Бункин А.Ф., Иванов С.Г., Коротеев Н.И. "Когерентная эллипсометрия комбинационного рассеяния света". Письма ЖЭТФ, 1977, т.25, № 9, с.444-449.

3. Gawlik W.»Kowalski I.»Neumann R. et. al. "A new method for measuring oscillator strengths using the resonant Faraday effect in monochromatic light" J. Phys. B,1979,v.12,IT 23, p. 3873-3882

4. Jones R. "Rotatory "aether drag" Proc. Roy. Soc. London,1976, v.A349,N 1659,p. 423-439

5. Василенко Л.С., Гуськов Л.Н., Шишаев А.В. "Исследование вращения плоскости поляризации вблизи резонанса". Квантовая электроника, 1978, т.5, № 8, с.1746-1748.

6. Bouchiat М.»Bouchiat С. "Weak neutral currents in atomic physics" Phys. Lett.,1974,v.48B,U 2,p. 111-114

7. Зельдович Я.Б. "Несохранение четности первого порядка по константе слабого взаимодействия в рассеянии электронов и других эффектах". ЖЭТФ, 1959, т.36, № 3, с.964-966.

8. Хриплович И.Б. "Возможность наблюдения несохранения четности в атомных переходах". Письма ЖЭТФ, 1974, т.20, № 10, с.686-689.

9. Алексеев В.А., Зельдович Б.Я., Собельман И.И. "Об эффектах несохранения четности в атомах". УФН, 1976, т.118, № 3, с.385-408.

10. Новиков В.Н., Сушков О.П., Хриплович И.Б. "Оптическая активность паров тяжелых металлов проявление слабого взаимодействия электронов с нуклонами" ЖЭТФ, 1976, т.71, № 5, с.1665-1679.

11. Brimicombe М.»Loving С.,Sandars P. "Calculations of parity non-conserving optical rotation in atomic bismuth" J. Phys. B, 1976,v.9,И 9,p. L237-L240

12. Хриплович И.Б. "Несохранение четности в атомных явлениях". М., Наука, 1981.

13. Martensson А.-М.,Henley Е.М.»Wilets Ъ. "Calculations of parity-nonconserving optical rotation in atomic bismuth" Phys. Rev. A,1981,v.24,N 1,p.308-317

14. Mitchell S. "Accessories for measuring circular dichroism and rotatory dispersion with a spectrophotometer" J. Sei. Instrum., 1957,v.34»N 3,p. 89-90

15. Heinecke V/. ,Aden Б. ,Hajdu S. "Untersuchungen zu den systemati-shen Fehlern eines Prazisionspolarimeters, Tail 1. Aufbau und Pehler der Apparatur" Exper. Technik Physik,1977,B.25,N 4,1. S. 307-317

16. Абен X.K., Вейгель M.O., Иднурт С.И. "Фотоэлектрический поляриметр для исследования неоднородных оптических анизотропных сред". Оптико-мех. пром., 1977, № 9, с.21-23.

17. Сагу Н.,Hawes R.С.,Hooper P.B. et. al. "A recording spectro-polarimeter" Appl. Opt.,1964,v.3,N 3,p. 329-337

18. Роговой И.Д., Чепелев В.Я., Минин Ю.Л. и др. "Высокоточный поляриметр-сахариметр для автоматических линий контроля" Оптико-мех.пром., 1980, № 5, с.20-23.

19. Cortese С.,Aramu F.,Maxia V. "A high sensitivity Polarimeter" Opt. Commun.,1975,v.15,W 2,p. 296-299

20. Wettling W. "Measuring Faraday rotation : a high precision method" Appl. Opt.,1975,v.14,N 10,p. 2332-2334

21. Abe M.»Mizuno M. "A digital ellipsometer" Jap. J. Appl. Phys., 1979,v.18,N 1,p. 165-167

22. Tinbergen I. "Precision spectropolarimetry of starlight : development of a wide-band version of the Dollfus polarization modulator" Astron. Astrophys.,1973,v.23,N 1,p. 25-28

23. Billardon M.,Badoz I, "Spectropolarimetre photoelectrique destine a l'etude de la dispersion du pouvoir rotatoire" Compt. Rend.,1959,v.248,U 17,p. 2466-2468

24. Шаронов Ю.А. "Автоматический спектрополяриметр для измерения эффекта Фарадея в видимой и ультрафиолетовой областях спектра" Опт.спектр., 1968, т.25, № 6, с. 930-937.

25. Григорьев Я.М., Карасик А.Д. "Автоматический регистрирующий спектрополяриметр". Оптико-мех.пром., 1973, № 12, с.27-29.

26. Gillham E.J.,King R.J. "New design of spectropolarimeter" J. Sci. Instrum.,1961,v.38,N 1,p. 21-25

27. Barger R.L.,Sorem M.S.,Hall J.L. "Frequency stabilization of a CW dye laser" Appl. Phys. Lett.,1973,v.22,U 11,p. 573-575

28. Barger R.L.,West J.B.»English Т.C. "Fast frequency stabilization of a CW dye laser" Appl. Phys. Lett.,1975,v.27,N 1,p. 31-33

29. Steiner M.,Walther H.,Zugan K. "Highly stable dye laser" Opt. Commun. ,1976,v. 18,11 1,p. 2

30. Jitishin W.,Meisel G. "Fast freqeuncy control of a CW dye jet laser" Appl. Phys.,1979,v.19,N 2,p. 181-184

31. Jarrett S.M. , Young J.F. "High-efficienty single-frequency СV/ ring dye laser" Opt. Lett., 1979,v.4,N 6,p. 176-178

32. Schroder H.W.,Stein L.,Frolich D. et. al. "A high-power single-mode CW dye ring laser" Appl. Phys.,1977,v.14,N 4, p. 377-380

33. Pinard M.,Aminoff C.G.,Laloe F. "Double Michelson" mode selector and pressure scanning of a CW single-mode dye laser" Appl. itiys. ,1978,v.15,H 4,p. 371-375

34. Pinard M.,Leduc M.,Trenec G. et. al, "Efficient single-mode operation of a standing-wave dye laser" Appl. Phys.,1979»v.19, H 4,p. 399-403

35. Барков Jl.M., Золоторев M.C. "Несохранение четности в атомах висмута и нейтральные токи слабого взаимодействия". ЖЭТФ, 1980, т.79, № 3, с.713-729.

36. Александров Е.Б., Запасский B.C. "Миллисекундная чувствительность поляриметрических измерений" Опт.спектр.,1976, т.41,5, с.855-858.

37. Cole J.H. "Low-frequency laser noise of a several commercial lasers" Appl. Opt.,1980,v.197,P. 1023-1025

38. Downie A.R. "Removal of signal fluctuations in a photoelectric polarimeter" J. Sci. Instrum., 1958,v.35,IT 3,p. 114

39. Gillham E.J. "A high precision photoelectric polarimeter" J. Sci. Instrum.,1957,v.34,W 11,p. 435-439

40. Bums R. C.,Hampton I. ,Raab R.E. "Measurement of the Faraday effect and bond addiativity in halogen-substituted methans" J. Chem. Soc. Faraday Trans. II,1977,v.73,N 7,p. 958-964

41. Ingersoll L.R.»Lienbenberg D.H. "The Faraday effect in gas'Bs and vapors, I III" J. Opt. Soc. Am. ,1.1954,v.44,IT 7,p. 566-5711. 1956,v. 46,N 7,p. 538-542 III - 1958,v.48,IT 5,p. 339-343

42. Baird P.,Brimicombe M. ,Hunt R. et.al. "Search for parity--nonconserving optical rotation in atomic bismuth" Phys. Rev. Lett.,1977,v.39,U 13,P. 798-801

43. Baird P.,Brimicombe M.,Roberts G. et. al. "Search for parity non-conserving optical rotation in atomic bismuth" in Atomic Physics,v.5,New-York London, Plenum Press,1977,p. 27-35

44. Lewis L.L.,Hollister J.H.,Soreide D.C. et. al. "Upper limit on parity-nonconserving optical rotation in atomic bismuth" Phys. Rev. Lett.,1977,v.39,N 13,p. 795-79847. "Лазеры на красителях", под ред. Ф.П.Шефера, Мир, М., 1976.

45. Leeb W.R. "Losses introduced by tilting intracavity etalons" Appl. Phys. ,1975,v.6,II 2,p. 267-272

46. Чи С. "Тепловые трубы. Теория и практика". Машиностроение, М., 1981.50. "Теория автоматического управления" под ред. А.В.Нетушилина, Высшая школа, М., 1976

47. Man C.N.,Cerez P.,Brillet A. "A frequency stabilized CW dye laser for spectroscopic and metrological applications"

48. J. de Phys. Lett.(Prance),1977,v.38,N 14,p. 287-28952. "Справочник по нелинейным схемам" под ред.Д.Шейнголда, Мир, М., 1977.

49. Масленников В.В., Сироткин А.П. "Избирательные RС -усилители" Энергия, М., 1980.

50. Баранова Н.Б., Бирич Г.Н., Богданов Ю.В. и др. "Измерение сверхмалых поворотов плоскости поляризации света".Препринт ФИАН № 63,J977.

51. Баранова Н.Б., Бирич Г.Н., Богданов Ю.В. и др. "Измерение сверхмалых поворотов плоскости поляризации света". Препринт ФИАН № 124, 1977

52. Hunt R.G. "A search for parity violations in atoms" Doctoral thesisis,Oxford,Clarendon Laboratory,1979

53. Федоров Ф.И., Филиппов В.В. "Отражение и преломление света прозрачными кристаллами" Наука и техника, Минск, 1976.

54. Archard J.P» "Performance and testing of polarizing prisms" J. Sci. Instrum.,1949,v.26,N 6,p. 188-192

55. Маркузе Д. "Оптические волноводы" Мир, М., 1974.

56. Gambling W.A.,Payne D.N.,Matsumura H.,Dyott R.B. "Routine characterization of single-mode fibers" Electron. Lett.,1976, v. 12,N 21,p. 546-547

57. Gambling W.A.,Payne D.N.,Matsumura H.,Norman S.R. "Measurement of normalized frequency in single-mode optical fibres" Electron. Lett. ,1977,v. 13,IT 5,p. 133-135

58. Kato Y,,Kitayama K.,Seikai S. ,UchidaN . "Effective cutoff v/avelength of the LP^ mode in single-mode fiber cables" IEEE J. of Quant. Electronics,1981,v.QE-17,N 1,p. 35-39

59. Барков Л.М., Золоторев M.C. "Наблюдение несохранения четности в атомных переходах". Письма ЖЭТФ, 1978, т.27, № 6, с.379-383.

60. Барков Л.М., Золоторев М.С. "Измерение оптической активности паров висмута". Письма ЖЭТФ, 1978, т.28, №8, с.544-548.

61. Barkov L.M.»Zolotorev M.S. "Parity violation in atomic bismuth" Phys. Lett. ,1979,V.85-B,IT ,p. 308-313

62. Богданов Ю.В., Собельман И.И., Сорокин В.Н., Струк И.И. "Исследования оптической активности паров Вс " Письма ЖЭТФ, 1980, т.31, № 4, с.234-239.

63. Богданов Ю.В., Собельман И.И., Сорокин В.Н., Струк И.И.

64. Об эффекте несохранения четности в атомарном висмуте". Письма ЖЭТФ, 1980, т.31, № 9, с.556-560.

65. Bogdanov Yu.V.,Sobel'man I.I.,Sorokin V.N.,Struk I.I. "Search for optical rotation in atomic bismuth" P.IT. Lebedev Physical Institute,preprint IT 43,Mosco\v,1980

66. Афифи А., Эйзен С. "Статистический анализ: подход с использованием ЭВМ" Мир, М., 1982.

67. Худсон Д. "Статистика для физиков" Мир, М., 1967.

68. Lampton М.,Margon В.,Bowyer S. "Parameter estimation in X-rayastronomy" preprint University of California,Berkley,Space Science Laboratory,1976