Экспериментальное обнаружение и исследование эффекта воздействия вынужденного светового давления на атомы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

рТ&

А 2 ЛВ £№

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

инстиот овщ ей «юкки

На правах рукописи УДК 639.186

ГРИНЧУК Вячеслав Акимович

ВДЯВЧМЮШЬНОЕ обнаружение м иссяедоваюе эиекта ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫШИВНОГО СВЕТОВОГО ДАВЛЕНИЯ НА АТОШ

(специальность 01.04.21 - лазерная физика)

'••' А 1$ Т О РЕФЕРАТ . диссертации на соискание ученой степени ; кандидата фи8ин»^математетес1«к: наук

кхзква *- 1984V

ш-

- 3 -

евцш жшшет те»

Работа посвящена обнаружению и исследованию силы вынужденного ®®езг0йш1?©1 давления» действующей на нейтральный атом.

©¡зетовое; давление - одно из проявлений пондеромоторного действия свет»,, иетворир эакшчается' в изменении механического движения тел, част®?,, а ташг ошдадаяш аиомов я молекул! под; действием. оптического изучения.

Бурное развитие лазерной техники, вызвало- особый интерес к вопросам управления движением нейтральных атомов и молекул, т.к. монохроматические,. перестраиваемые по частоте, имеющие большую спектральную мощность источники лазерного, излучения- открыли большие потенциальные возможности для исследования светового-давления.

Так как световое давление возникай®' к результате отдач», которую испытывают атомы при- рассеянии на ниж фотона», то вблизи: резонанса с» чение рассеяния фотонов* возрастает' я сила,. действующая! ш отдельное аТомы, становится достаточно большой.. Отдача., которую дашытывает атом При взаимодействии- с полем, существенно зависит' от' скорости; гаереиз^«, чения фотонов. Поэтому силы резонансного светового давления- можш разделять по типу излучения фотонов на спонтанную и вынужденную (ррЕдаен-тную) силы. Такая классификация стала в настоящее время общепринятой.

Физический смысл, возникновения спонтанной силы ¥Сп прост - в электромагнитном поле атом поглощает квант ив светового пучка и- приоб* ретает импульс Ые в направлении волнового- вектора к. Носко***" топтанное излучение является в среднем изотропным, то и средний импудап получаемый атомом прибольшем числе испущенных фотонов, гт^вмуг-^я к нулю, а импульс, который атом получает за счет м актов п^глошеяия Антонов, равняется Шс. ,В резулвтате на

нужденного светового давления. К моменту начала этих экспериментов имелись тсшько теоретические исследования, ив которых следовало, что в сильном неоднородном поле стоячей световой волны можно наблюдать вбз-действие вынуаденного светового давления иа атом и'эффект шкет быть заметным даже в условиях короткого времени взаимодействия. Для обнаружения и исследования воздействия этой силы на нейтральный атом был предложен методрассеяния пучка нейтральных атомов натрия, пересекающего подлрямшуглам сильное импульсное поле стоячей световой волны, образованной;двумя встречными лазерными пучками; Щж длительности ла-:fspK»p t*^ Л/г не происходит расйад воабуаден-

врго уровня, и набор атомомшпульса в воле мсякет быть только следс-твиеминдуцированных процессов в атоме. Таким образом постановка эксперимента позволилаисследоватсг воздействие на атом силы ВСЯ с '"чистом" виде бее участия силы ОСЩ.

Актуальность работы

Агауальность исследований силы вынужденного светового давления обусловлена прежде всеговозможными практическими применениями, сад-ванными со способностью световых полей эффективно воздействовать на поступательноедвижение атомов и мсшекул: селективно откионять и рассеивать атомные пучки на значительные углы, тормозить илиускорять частицы, охлаждатьатомы и ионыдосверхнизких того подобные исследований интереетшмногообразием ¡ фиадгвесйй^^^аффектов, возникающих яри взаимодействии частиц со светом, изучение кодаэрда важно для более глубокого понимания физической природы явления понде-ромоторного. действия света. .•>'-."

Дель работы ; ' •.•■.■:,'■■■••

* Целью настоящей работы является эадпериментальн^е'.^бя^ужёт^ гн» лы вынужденного светового давления, действующей «а нейтральные атомы в

самым иметь большой объем области взаимодействия атомов с нолем. Принимая во-внимание тот факт, что эффективность рассеяния (отношение числа рассеянных атомов к общему числу облученных частиц) имеет величину порядка единицы, можно сделать вывод, что сила вынужденного светового давления представляет большой интерес для управления движением нейтральных -частиц.

Полученный результаты заложили осйову для дальнейшего развития экспериментов по воздействию импульсных неоднородных световых полей на резонансные атомы, вторые в настоящее время успешно проводятся в отделе физики плазмы ИОФ РАН.

Алпробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались иа YII Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск, 1981), XYI Международной конференции по явлениям в ионизованных газа« (Дюссельдорф, 1983), а также на семинарах отдела физики плазмы ШФ РАН и Института спектроскопии РАН.

Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в журналах: "Optics communications", "Письма в ЖЭТФ", "ЖЗТФ", "Physics Letters", "Известия АН СССР'', в сборнике "Труды ®ÍAH".

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 97 страниц машинописного текста, •> 28 рисунков, 1 таблицу и список литератур»,: включакивий в себя 79 наименований. ;• .. * ;7

Во введении дана краткая история йсследовайия процесса светового давления, сформулирован фивический смысл этого явления, покавшс раа-;'; * деление сил светового Давления на ,спс®танвд и ^

что в условиях короткой длительности лазерного импульса «и»т при выполнении соотношения й-хтп < 1, где й - частота колебаний атома в потенциальной яме, атом мало смещается вдоль градиента поля, и скорость, приобретаемая атомом, пропорциональна времени взаимодействия, а максимальный импульс, приобретаемый атомом после рассеяния, определяется величиной потенциала И: Рх ¡«ах - Х-Н / Я.

В эксперименте апертура атомного пучка пучка намного превышает длину волны поля, поэтому импульс атома зависит от координаты влета, которая является случайной величиной, однородно распределенной по пе риоду поля. Приводится функция распределения рассеянных частиц по импульсам, найденная при решении классической задачи рассеяния.

Вторая глава диссертации посвящена постановке эксперимента и описанию экспериментальной установки. Показано, что экспериментально« исследование силь- вынужденного светового давления можно проводить методом рассеяния пучка нейтральных атомов натрия в сильном импульсном поле стоячей световой волны, образованной двумя встречными кучками резонансного излучения перестраиваемого по частоте лазера на красителе.

Дается подробное изложение деталей экспериментальной установки. Описана вакуумная камера с системой дифференциальной беэмасляиой от качки. Показано, каким образом формируется пучок атомов натрия, подробно рассмотрена конструкция источника пучка и колл-мирующей диафрагмы. Дан расчет его геометрических размеров и расходимости.

Во второй главе детально обсуждается детектор нейтральных частиц, использующий метод, основанный на явлении поверхностной ионизации атомов натрия. Подробно рассмотрена конструкция детектора, показана схема напряжений, приложенных к электродам вытягивающей системы. Так как е эксперименте осуществляется детекция как стационарного атомного лучка, так и импульсного сигнала рассеянных атомов, то дается анализ работы

верного луча: было получено гауссовокое распределение и распределение близкое к параболическому.

Особое внюшше уделено задаче формирования шиш ошсшчей световой ¡веошы, которое создавшись яри помощи отражающего 100Х цнэяектрическо го зеркала, ¡расположенного «а расстоянии ? мм от шюскосш ленточного ^ророго пучка. В юнациальном эксперименте -определялась длима области ¡^^реншоетл 1к®г •*• А2/5Х. В ¡нашем случаеона составила величину - б ' •ом, что адрош 'соотносится с шириной лиши 'Генерации бх.

8 (цреиьей главе диссертации расюмажрйвартся экспериментальные данные по измерению силы вынувденного светового дарения. Прежде всего «йдастатмруеягея самфакт ¡регистрации детектором рассеянных частиц и ■ЯЙйовюэется контрольный эксперимент, что .рассеяние

обусловлено силой вынужденного ейетоваго Дрюю покаеаио, чтс

несмотря на .распределение атомов пучка во продс^адм скоростям, систе ¡ма-регистрации временной фр|эмы импульса поИкр^а^^ процео-'

1бассеяния для груяп атомов, имеющих опорос»,

»».иначе говоря, для жиоювргепфйвтВ'¡работе при авйеяа типичная диаграмма рассеяния - зевкой^осяга «мдоитуды оигнала рассеянных атомов от положения детектора относжгвшйЮ 'адметчаа атомнси <, пучка.

Приведены экспериментальные данные о вавиоимсоти эффективности рассеяния от параметров лазерного излучения. Прежде всего исследован* зависимость от интенсивности лазерного излучения. Покараны данные об 18мерении оигнала рассеяния в центре атомного пучка в зависимости о* ¡апряженности поля для гаусоовского м параболического распределений гафэноивности излучения. Приведены также данные, показывающие измене !ия картины рассеяния в целом в зависимости От напряженности поля лазерного излучения. Измерена зависимость эффективности рассеяние

нала рассеянных частиц от частоты, измеренная в центре пучка, имеет специфическую ширину. Эта ширина зависит не только от поля, но и от поперечного размера атомного .пучка. Приводятся дисперсионные зависимости, рассчитанные для нескольких значений напряженности поля. Они согласуются с измеренными экспериментально.

В заключении кратко обобщены основные результаты диссертации и сформулированы выводы.

1. Создана арсзераиекашьнай установка для исследования эффекта вынужденного светового давления в импульсном режиме. Установка включает в себя:

- вакуумную систему,

- источник■пучка атомов натрия, ^ет^тор нейтральных частиц,

- перестраиваемый по частоте импульсный дазер на красителе,

- систему формирования и измерения когерентного поля стоячей световой волны.

2. Впервые экспериментально методом рассеяния пучка нейтральных атомов обнаружена сила вынужденного светового давления, действующая на нейтральный атом, а условиях когерентного (гсшп < 1) взаимодействия атома с сильна*, царем стоячей световой волны. Короткая длительность лазерного имрулъса исключала участие в процессе рассеяния силы спонтанного светового давления и позволила работать в условиях» далеких от наащекия (Я-хШп < 1). несмотря на большие напряженности полей лазерного излучения.

3. Экспериментально исследованы зависимости эффекта вынужденного светового давления от следующих параметров лазерного излучения: а. Частоты излучения; обнаружено, что полуширины зксперимен-

3. Гринчук В.А., Казанцев А,П., Кузин Е.Ф., Нагаева М.Л., Рябенко Г.А., .Сурдутович Г.И., Яковлев В,П. Рассеяние атомов коротким импульс^ стоячей световой волны. - Письма в ЖЗТФ, 1981, т.34, No?. С.Й95-399.

4. firinchuk V.А., Kuzin E.F., Hagaeva M.L., Ryabenko 6.A., Kazantsev A.P., Surdutovich S.I., Yakovlev V.P. Scattering of an atomic bean by a short light pulse. - Phys.Lett., Ser.A, 1981, v.86, No3,

p.136-138.

5. Гринчук В.А., Кузин Е.Ф., Кузьмичев С.Д., Нагаева М. Л., Рябенко Г. А. Метод определения области когерентности двух пучков излучения. - ПТЭ, 1982, N03, С.223.

6. Гринчук В.А., Казанцев А.П... КузияЕ.Ф., Нагаева М.Л., Рябенко Г.А., Сурдутович Г.И.', Чудесников Д.О., Яковлев В.П. Рассеяние атомов светом. - Изв. АН СССР, сер.физическая, 1S83, т.4?, Йо12, с.2424-2428.

?. Grinchuk V.А., Kuzun E.F., Nagaeva M.L., Ryabenko 6. A., Kazantsev A.P., Surdutovich S.I., Yakovlev V.P. Effect of nmhomogeneous laser radiation field on resonance particles. - In: Proc. XVIth Intern. Conf. on Phenoro. in Ionized Gases., Disseldorf, 29 Aug.- 2 Sept., 1983.

8. Гринчук В.A., Казанцев А.й., Кузин Е.Ф., Нагаева М.Л., Рябенко Г.А., Сурдутович Г.И., Яковлев В.П. Рассеяние'атомов силами вынужденного светового давлений. - ЖЭТФ, 1984, т.86, Jtol, с.100-109,

9. Гринчук В.А., Казанцев А.П., Кузин £.Ф., Нагаева М, Л., Рябенко Г.А., Сурдутович Г.И., Яковлев В.П. Рассеяние атомов стоячей воя-ной. - В «н.: Вопросы <|и8ики плазмы и плазменной электроники. Труды Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР. - Москва, изд-во "Наука", 1985, т.160, с.204-220.