Двухфотонные связно-связанные переходы в атоме кальция тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 539.184.

МАЛАХОВ МИХАИЛ ГЕОРГИЕВИЧ ЙВУХФОТС1ШЕ СВЯЗНО-СВЯЗАННЫЕ ПЕРЕХОДЫ В АТОМЕ КАЛЬЦИЯ 01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

'Москва 1992г.

Работа выполнена в отделе КиНО Института общей Физики РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

профессор Н.Б.Делоне.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

М.В.Федоров.

кандидат физико-математических наук А.В.Масалов.

Ведущая организация: Кафедра теоретической ядерной физики

Московского инженерно - физического института.

Защна диссертации состоится

на заседании Специализированного совета й Д-003.49.02 в Институте общей физики Российской академеии наук по адресу: г.Москва, ул.Вавилова, д.ЗВ, к.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОД РАН.

Автореферат разослан "

Ч " салЯ Я-Г^Лэзгг,

Ученый секретарь Специализированного совета & Д-003.49.02 В.П.Шков

--------А - з -

¡ТЛС -*! | Г ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

*:Шгтальяость работы. Для решения широкого круга задач взаимодействия лазерного излучения с атомами, а также - задач нелинейной оптики требуется возможно более полные данные о величинах внутриатомных констант. Важнейшими из таких величин являются составные матричные элементы многофотонных переходов между связанными состоя-

ГЬ' 1

ниями - 1, которые оказывают влияние на качественный характер протекания многофотонных процессов и определяют их вероятность. Тем не менее, в литературе отсутствуют данные об абсолютных значениях г^'' в атомах, полученных экспериментальным путем. В частности, в многофотонной библиографии [I], охватывающей все работы по многофотонным процессам за последние 10 лет, таких данных нет. Необходимость заполнить этот пробел - основной стимул создания данной работы. Кроме того, актуальность поставленных в работе задач обусловлена тага» еще несколькими соображениями. Во-первых, необходимо разработать методику применения резонансной многофотонной ионизационной спектроскопии - РМИС - для экспериментального определения величин | ' [. Этот метод по многим соображениям удобен для исследования многофотоншх процессов в атомах, а его применение для решения поставленной задачи к настоящему моменту не разработано [I]. Во-вторых, известно, что при теоретическом анализе многофотонных процессов в многоэлектронных атомах одноэлекгронное приближение дает существенное расхождение с экспериментальными данными. Однако до сих пор не исследовалось, насколько не верно одноэлектронное приближение для расчета величин г^"' в щелочноземельных атомах. В-третьих, в настоящее время интенсивно разрабатываются методы учета межэлектронного взаимодействия при анализе иногофотонных процессов. Результаты применения этих методов вызывают дискуссии в лите-

ратуре. Экспериментальное измерение величин многофотонных матричных элементов может служить одним из критериев правильности различных методов теоретического учета межэлектронного взаимодействия.

Таким образом, данная работа актуальна как с практической точки зрения -.определение абсолютных значений величин многофотонных матричных элементов, развитие методики применения РМИС для их определения. так и для развития общей теории взаимодействия излучения с многозлектронными атомами - корректность одноэлектронного приближения хгри расчете критерий различных способов учета межэлектронного взаимодействия.

ч

Цель работы - разработка методики применения РМИС для определения величин 2^"'; измерение на основе этой методики абсолютных значений многофотонных матричных элементов ряда переходов в каком-либо щелочноземельном атоме (конкретно, исследовались двухфотоннне переходы между связанными состояниями в атоме Са); проведение расчетов соответствующих величин на базе одноэлектронного приближения и сравнение данных расчетов с экспериментальными данными, а также -сравнение полученных экспериментально величин | с расчетами матричных элементов с учетом межэлектронного взаимодействия [2].

Положения, выдвигаете на защиту:

1. Методика, позволяющая определять величины составных матричных элементов связно-связанных многофотонных переходов из экспериментальных данных резонансной ионизационной спектроскопии.

2. Величины двухфотонных матричных элементов связно-связанных Переходов: 14зг>->|4а5а>, |4зг>-»|4зб8>, |4зг>->|4э7е>, 14ег>-»|4е5а> И 14зг>-+14вб<з> - в атоме кальция, измеренные экспериментально на базе разработанной методики.

3. Результаты расчетов двухфотонных матричных элементов в это-

ме кальщ1Я, выполненные различными методами в рамках одно'электрон-ного приближения.

4. Вывода о применимости различных приближений для расчета двухфэ тонных матричных элементов в атоме кальция на основе сопоставления расчетных величин и экспериментальных данных.

Научная новизна работы определяется следующим: разработана новая методика определения многофотонных матричных элементов связно-связанных переходов в атомах на базе метода резонансной ионизационной спектроскопии, впервые экспериментально определены абсолютные величины двухфотонных матричных элементов в атоме Са, получено новое доказательство некорректности использования одноэлектронного приближения для описания многофотонных процессов в атомах щелочноземельных металлов.

Практическая ценность работы определяется двум основными результатами. Во-первых, получены абсолютные значения величин ряда переходов в атоме Са. Во-вторых, предложенная в работе методика позволяет с достаточно высокой точностью и достоверность» определять многофэтонные матричные элементы в различных атомах, поскольку метод РМИС - база методики - хорошо разработан и широко применяется, что также позволяет использовать предлагаемую в работе методику во многих лабораториях.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на: XII меадународной школе по когерентной оптике в г.Ужгороде в 1989г.г на межведомственном совещании по многофотонным процессам в г.Ленинграде в 1990г., на конференции Совета по спектроскопии АН СССР в г.Ростове в 1990г., на межведомственном совещании по многофотонным процессам в г.Новосибирске в 1991г., на мевду-народной конференции КиНО-91 в г.Санкт-Петербурге в 1991г., а так-

же - на многих семинарах в Институте общей физики АН СССР. Основные результаты диссертации опубликованы в ряде печатных работ: [3] -16).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 67 наименований. Общий объем диссертации - 168 страниц, количество рисунков - 18, количество таблиц - 19.

II СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Первая глава посвящена постановке задачи и обоснованию ее актуальности. Кратко рассмотрена сущность многофотонных процессов и роль многофотонных матричных элементов переходов между связанными состояниями атомов в их протекании. Рассмотрены различные теоретические методы расчета величин базирующиеся на одноэлектрон-ном приближении. Рассмотрены две возможности экспериментального определения матричных элементов: метод резонансной флуоресценции и метод резонансной ионизационной спектроскопии. При сравнении этих методов между собой .показаны преимущества метода РМИС над методом резонансной флуоресценции с точки зрения практической реализации измерений. В заключение сформулированы защищаемые положения.

Вторая глава посвящена методике определения величин |г^'' | из экспериментальных данных РМИС. Разработана теоретическая база. мето-. дики, основанная на резонансной формуле Брейта-Вигнера. рассмотрены различные величины, играющие принципиальную роль в процессе многофотонной ионизации, а такав - величины, необходимые для описания процесса. Получены различные модификации формулы Брейта-Вигнера, охватывающие широкий спектр возможных соотношений между различными параметрами, определяющими процесс резонансной многофотонной ионизации. Рассмотрена совокупность необходимых экспериментальных изме-

рений, требующихся для однозначной трактовки экспериментальных данных и определения величины иногофотонного матричного элемента.

Третья глава посвящена описанию эксперимента по определению велячиз двухфотонных матричных элементов для ряда переходов в атоме За на базе разработанной методики. Представлена схема экспериментальной установки, в основу которой положен принцип РМФИ. Использовался принцип пересекающихся атомарного и лазерного пучков. Излучение создавалось лазерами с перестраиваемой длиной волны. Ионы, образованные в области пересечения пучков, регистрировались с помощью зторичного электронного умножителя. Рассмотрены методы абсолютиза-вш экспериментальных параметров, необходимых для определения абсо-ютннх значений матричных элементов. Представлэны точности абсоляь газации этих параметров в данном эксперименте. Показано, что уста-ювкэ отвечает необходимым требованиям для определения матричных элементов.

Получепы экспериментальные данные по трехфотонной ионизации с шухфотонным резонансом мезду. основным состоянием - 14зг> - и воз-Зудденными состояниями |4в5в>, |45бз>, |4а7з>, (4в5а>, I4еба> в зтоме кальция. Д'ашше проанализированы, н определена модификация формулы Брейта-Витпера, олисшзащая процесс ионизацьи для всох резонансных состояний. На основании разработанной методики нз экспе-энментальных данных определены абсолютные величины составных матичных элементов исследуемых двухфотонных переходов.

Рассмотрены дополнительные возможности определения величины г^'1 из условия насыщения процесса ионизации. Показаны праиму-йства достижения насыщения ионизации в эксперименте и совместного шределения величин матричных, элементов на основе формула Брейта-йзгкера н из условия насыщения. Оба метода удачно дополняют друг

друга, совпадение величин матричных элементов, полученных различными методами, является внутренним критерием правильности постановы эксперимента и определения величин |г"' |.

Рассмотрена точность определения абсолютных значений величш в эксперименте. Показано, что точность определения отношена: величин для различных переходов существенно превышает точ-

ность определения абсолютных значений матричных элементов.

Полученные величины двухфотошшх матричных элементов для все: исследованных переходов представлены в таблице I.

Четвертая глава посвящена расчетам двухфотонных матричных элементов исследованных в эксперименте переходов в атоме Са с помощь: разлячхнх одноэлзктронных приближений методом, предложенным Бобом I Голдоы [7]. При расчетах учитывались шесть низколежазщх промежуточных состояний атома Са. Однофотошшз матричные элементы промежуточных переходов рассчитывались в приближениях |<зе|=1, квазиклассотес-коы и - Бойтса-Дамгаард, для которого учитывался вклад в двухфотоа-ный переход всей совокупности ридберговских состояний. Результата расчетов в каждом приближении, включая промежуточные результата, проанализированы, сведены в таблицы и сопоставлены друг с другом. Рассмотрена также применимость каждого из использованных однозлек-трошшх приближений в приложении к двухзлектронному атому кальция, отмечено, что наиболее точную оценку величины двухфзтонного матричного элемента должно дать приближение Бейтса-Дамгаард, которое е было взято за основу при сравнении теоретических расчетов с экспериментом: данные расчетов представлены в таблице I.-Проиллюстрированы на конкретных примерах некоторые интересные закономерноста эволэдеи однофотошшх матричных элементов промежуточных переходов г вкладов промежуточных состояний в двухфотошше переходы в атоме Са.

Проведено сравнение теоретических расчетов величин |г^11,

полуЧептагх в одаоашмрошюи приближения, с экспериментальными дан>

таи. Показано, что одооэлектронноо приближение не дает правильных Е9ЛИЧШ двухфотонкых матричных элементов в щелочноземельных атомах. Проведено сравнение экспериментальных данных с расче-тами, выполненными с учетом мзяэлектронкого взаимодействия по методике (2]. Показано, что для рассмотренных переходов в атоме Са результаты расчетов па основе [2] в целой не дают удоволатворительного согласия с экспериментом, хотя и более соответствуют ему, чем расчеты в одноэлектронпом приближении.

Тагам образом, результаты данной работы указывают па необходимость развития теорзтачзских методов расчета многофотонных матричных элементов в шюгоэлектрошш атомах.

В заключении к диссертации сфориулпроЕаны основные выводы работа, подчеркнута коЕязка получении результатов, а также определены перспективы развития проблематики рэботн: расширение круга исследуемых объектов, рзсЕпрзниэ ггетодических вогшязостей исследований, а такнз - пути озкашзацки измерений.

Ссшвныз результаты диссертационной работа:

1.Разработана теоретическая база методики экспериментального опрзделошш составных матричных элементов связно-сзязашшх шогофэ-тоншх переходов методом резонансной иошзецпошюй спзктроскошш -РКИС, оснор.шшая па рззонанснса формуле Брвйто-Вигнера. Предложена процедура измерений, необходимых для получения величины из экспериментальных-данннх РИ'.С.

2.Создан комплекс аппаратура, предназначенный для измерения на основе црэдложшгай методики мяогогаэтокшх иатрнчных элементов переходов медцу связанными состояниями атомов, состоящий из двух

перестраиваемых лазеров на красителях с общей подкачкой импульсным твердотельным лазером, калиброванной системы ослабления интенсивности излучения (диапазон: Ы05вх/смг + 2«Ю9вт/смг), системы абсолютизации интенсивности излучения, камера взаимодействия атомарного пучка и излучения, оборудованной системой измерения абсолютного числа образованных ионов.

3.Бпервие опрадэлэш абсолютные величины двухфотонных матричных элементов переходов моеду основным состоянием 14зг> и возбужденными состояниями <4з5в>, |4аб8>, 14з7в>, 14з5а>, |4з6сз> в атоме кальция.

4.Мзтодом Баба и Голда на базе одноэлекгронного приближения проведена расчеты двухфотокных матричных элементов переходов между основным состоянием |4зг> и Бозбужденнши состояниями 14з5в>, 14з6а>, 14з7з>, 14и5а>, |4е6<1>'в атоме кальция. Матричные элементы однофэтонкых виртуальных переходов рассчитывалась в квазиклассическом приближении и приближении Бейтса-Дамгаард.

5.На основе сравнения данных расчетов в одноэлектрснном приближении и экспериментальных данных показана некорректность использования одноэлектронного приближения для расчета деухфэтонщх матричных элементов шрекодов «езду основным и возбужденными состояниями в атомз кальция.

Таблица I

* • и.э. р.с! • . IS«*' 1 1 On aln (a.e.) 'O (a.e.) ,Z"> | "o n '•»« (a.e.) |Z<n 1 'On 'тоор. (a.e.)

|4»5«> 9.4xl0~2 7.4kI0-1 2.7 32

14s6s> 4.0 12 31 19

I4s7s> 15 28 50 17

I4a5d> 15 27 50 58

|4s6d> 1.7 4.9 13 58

ЛИТЕРАТУРА

1. Hultiphoton Bibliography. ed.J.H.Eberly, S.J.Smith, J.W.Gallagher. Univ. of Colorado, Univ. of Rochester (1977-1988).

2. М.И.Гайсак, В.И.Левдьел, В.Ю.Пойда. "Учет радиальных корреляций при исследовании автоиошзационных состояний атома гелия", в сб. "Корреляционные и релятивистские аффекты в атомах и ионах" под ред. Н.Б.Делоне. Совет та спектроскопии АН СССР. Москва. 1986г., стр.79-89.

. 3. М.Г.Малахов. "Измерение составных матричных элементов связно-связанных переходов методом резонансной ионной спектроскопии". В сб. "Многофотонная спектроскопия атомов и молекул" под ред. Н.Б.Делоне. Совет по спектроскопии АН СССР, Москва, 1989г.. стр.159-179.

4. A.A.Жук, А.З.Исыаилов, М.Г.Малахов. "Измерение двухфэтонного матричного, элемента связно-связанного перехода в атоме Ca методом резонансной ионизационной спектроскопии". В сб. "Многофо-

тонные переходы в атомах" под ред. Н.Б.Делоне. Совет го спектроскопии АН СССР, Москва, 1930г., стр.77-114.

5. А.А.Жук, А.З.Исмаилов, М.Г.Малахов. "Измерение двухфотонного матричного элемента перехода I4s2>->i4s5s> в атоме Са методом резонансной ионизационной спектроскопии."//Оптика и спектроскопия, Т.71, ВЫП.З (1991), стр.403-405.

6. А.А.Жук, А.З.Исмаилов, Ы.Г.Малахов "Измерение составных матричных элементов связно-связанных переходов в атоме Са методом резонансной ионизационной спектроскопии." //Тезисы конференции КиНО-91, Т.2, Санкт-Петербург, 1991г., стр.84.

7. II.X.Bebb, А.II.Gold. "Multiphoton ionization of atoms and rare gases." //Phyo.Rev. V.H3, й1 (1966), p.1-23.