Формирование и исследование внутридоплеровских резонансов на оптических переходах атомов щелочных и щелочно-земельных металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОС<^ЙСКЛЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.П.Н.ЛЕБЕДЕВА

1 О ФЕВ 1998

На правах рукописи УДК 621.373.826

Акулыпин Александр Михайлович

ФОРМИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРИДОПЛЕРОВСКИХ РЕЗОНАНСОВ НА ОПТИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДАХ АТОМОВ ЩЕЛОЧНЫХ И ЩЕЛОЧНО-ЗЕМЕЛЬНЫХ

МЕТАЛЛОВ

(01.04.21-лазерная физика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Физическом институте им.П.Н.Лебедева РУ

Научный руководитель: - кандидат физико-математических нау

Величанский В.Л.

Официальные оппоненты:- доктор физико-математических на]

профессор Ермаченко В.М., доктор физико-математических на) Сорокин В.Н.

Ведущая организация: - Институт спектроскопии РАН, Троиц]

Защита состоится " " ^¿^¿Цд^А 1998 года в ^^ часо! на заседании Специализированного совета К002.39.01 Физического института им.П.Н.Лебедева РАН по адресу:

117924 Москва, ВЗЗЗ, Ленинский проспект 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им.П.НЛебедева РАН.

Автореферат разослан декабря 1997 года.

Ученый секретарь Специализированного совета,

кандидат физико-математических наук В.АЛуенков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Прогресс физики и технологии полупроводниковых приборов привел к широком}' распространению экономичных и простых в эксплуатации инжекционных лазеров (ИЛ) [1] не только в различных областях техники, но и в системах обработки информации и волоконной связи, в спектроскопии [2], а также при проведении уникальных экспериментов, имеющих фундаментальное значение, например, получение конденсата Бозе-Эйнштейна [3]. Г> метролохшг времени и частоты ИЛ используются для накачки микроволновых стандартов частоты, создания радио-оптических мостов, связывающих оптический и СВЧ диапазоны, измерения оптических частот.

Эффективность ИЛ в значительной степени' зависит от монохроматичности их излучения и долговременной стабильности оптической частоты. Задача улучшения спектральных характеристик ИЛ решается путем привязки частоты генерации электронной сервосистемой к стабильному частотному реперу, качество которого во многом определяется отношением сигнал/шум и его шириной. Реперы на оптических переходах атомов и молекул обладают высокой стабильностью и воспроизводимостью спектрального положения, но в этом случае появляется проблема уширения оптических переходов.

Основные мегоды устранения доплеровского уширения и выделения резонаксов с шириной, близкой к естественной ширине у0, основаны на нелинейности отклика поглощающей среды при взаимодействии с лазерным излучением [4]. Они сформировались в 70-е годы, но продолжают развиваться и обогащаться новыми идеями, о чем свидетельствует большое количество публикаций по нешнейной спектроскопии.

Взаимодействие когерентного полихроматичного излучения с многоуровневой атомной системой является другой актуальной проблемой, которая продолжает привлекать пристальное внимание теоретиков и экспериментаторов на протяжении последних десятилетий. Это и понятно, поскольку при проведении экспериментов по атомной оптике, лазерному охлаждению и удержанию атомов в оптических ловушках [5] и т.п., взаимодействие резонансных оптических полей с многоуровневой атомной системой играет ключевую роль.

Диссертационная работа посвящена решению ряда прикладных задач атомной спектроскопии высокого разрешения с использованием высококогерентных перестраиваемых инжекционных лазеров. Эти задачи нацелены на выделение узких реперных резонансов поглощения и флуоресценции, которые могут использоваться для улучшения спектральных свойств лазеров.

В работе ставились следующие цели и задачи:

1. Исследовать возможность применения ИЛ для решения задач спектроскопии высокого разрешения в видимой части спектра, где ведутся работы по созданию оптического стандарта частоты.

2. Изучить возможности использования дисперсионных свойств оптически плотных атомных сред для эффективного сужения линии генерации ИЛ путем формирования селективной по длине волны оптической связи лазерного диода с внешним резонатором.

3. Исследовать влияние различных нелинейных механизмов на параметры внутридоплеровских резонансов поглощения на Б линиях поглощения атомов щелочных металлов.

4. Осуществить стабилизацию частоты генерации ИЛ с внешним резонатором (ИЛВР) по нелинейным внутридонлеровским резонансам поглощения и исследовать факторы, влияющие на стабильность.

Научная новизна результатов диссертации состоит в следующем:

1. Впервые осуществлена внугридоплеровская спектроскопия насыщенного поглощения интеркомбинационных переходов п'Яд-п'Р, атомов Ва (791 нм) и 8г (689 нм) с субмегагерцовым разрешением.

2. Зарегистрировано явление селективного полного внутреннего отражения (СПВО) от границы раздела прозрачный диэлектрик -поглощающий газ. Исследованы спектральные характеристики СПВО.

3. Реализован высококогерентный ИЛ с внешним резонатором (ширина линии излучения менее 100 кГц), дисперсионносгь которого обусловлена явлением СПВО на резонансных линиях поглощения атомарного рубидия (794 нм и 780 нм).

4. Впервые с помощью двух ИЛВР были исследованы резонансы поглощения, обусловленные когерентным пленением населенности. Минимальная ширина резонансов не превышала 100 кГц, что много меньше естественной ширины оптического перехода у0~ 6 МГц.

5. Впервые по флукгуациям разностной частоты двух ИЛВР, независимо привязанных по частоте электронными сервосистемами к резонансам насыщенного поглощения на В2 лишш Сь (852 нм), была определена величина относительной стабильности оптической частоты.

6. Предложен и реализован новый способ непосредственной стабилизации разности оптических частот двух лазеров по нелинейным резонансам поглощения суммарного излучения двух лазеров в парах щелочного металла.

Совокупность представленных в диссертации результатов позволяет сформулировать следующие выносимые на защиту положения: 1. Сильная оптическая обратная связь позволяет эффективно перестраивать длину волны генерации и на несколько порядков

уменьшать ширину линии генерации инжекционных лазеров, работающих в диапазоне дшш вош1 0.66-1.33 мкм, что подтверждается получением внутрццоплеровских рсзопансов насыщенного поглощения и флуоресценции па интеркомбинационных линиях Ва (791 нм), Бг (689 им) и Са (658 нм) с субмегагерцовым спектральным разрешением, а также результатами эксперимента но оптическому гетеродинировашпо излучения лазера ИК диапазона (Х.=1.32 мкм).

2. Способ локализации спектра генерации и повышения когерентности

ЛЛТГЛПОП'

наш»» ни »IV! 1лилси пл

селективного полного внутреннего отражения от границы раздела прозрачный диэлектрик - пары щелочного металла во внутрирезонатор-ной ячейке.

3. Мощностное унгирспие нелинейных внугридоплеровских резонансов поглощения, обусловленных селективной по скоростям атомов оптической накачкой, удовлетворительно описывается зависимостью, получешгой для 2-х уровневого атома при не очень большом параметре насыщения С < 10, несмотря на нелокалыюсть зависимости насыщения от интенсивности.

4. В оптической схеме однонаправленных частотно независимых волн на Б, л Б2 линиях поглощения 11Ь обнаружены и проанализированы особенности нелинейных резонансов поглощения, обусловленые:

- выравниванием населенности возбужденного и основного состоянии;

- селективной по скоростям атомов оптической накачкой;

- когерентным 'пленением населенности.

5. Получение относительной стабильности оптической частоты ближнего ИК диапазона не хуже 5х1(Тп при временах усреднения от 0.1 до 10 сек путем электронной привязки генерации высококогерентных инжекциотшых лазеров к нелинейным внугридоилеровским резонансам поглощения па 02 линии Се. Измерения стабильности производились гетеродинным методом.

Практическая ценность.

В работе было показано, что новый тип перестраиваемых высококогерентных лазеров может работать в широком интервале длин волн, обеспечивая относительное спектральное разрешение не хуже 10" . Зги лазеры найдут, и уже находят, широкое применение в атомной физике, атомной и молекулярной спектроскопии, метрологии времени и частоты, т.е. везде, где сеть потребность в высококогерентном источнике перестраиваемого по длине волны излучения.

1. Введены в практику спектроскопии в значительной части диапазона длин волн 0.66-1.33 мкм простые в изготовлении и эксплуатации перестраиваемые лазеры, которые обеспечивают субмегагерцовое спектральное разрешение. Разработанные ИЛВР служат прототипом при

создании прецизионных лазерных спектрометров.

2. Предложена схема составного дисперсионного резонатора для ИЛ, обеспечивающая высококогерентную генерацию в окрестности атомного перехода благодаря селективному зеркалу на нарах щелочных металлов.

3. Предложен способ получения стабильного по частоте сигнала, частота которого равна СТ расщеплению возбужденного или основного состояний либо тонкому расщеплению уровней энергии атомов щелочных металлов.

4. Разработана к изготовлена высокотемпературная кювета, в которой была выполнена внутридоплеровская спектроскопия насыщенного поглощения на шперкомбинационных переходах атомов бария и стронция.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на научных семинарах Физического института им.П.Н.Лебедева, Института спектроскопии РАН, а также на

- I и II Всесоюзном семинаре по оптической ориентации атомов и молекул, Ленинград, 1986 и 1989 гг.

- IX и X Международной Вавиловской конференции но нелинейной оптике, Новосибирск, 1987 и 1990 гг.

- II Симпозиуме по лазерной спектроскопии (г.Печ, Венгрия, 1989 г.)

- Научной конференции "Физика полупроводниковых лазеров", Вильнюс, 1989 г.

- XI Советско-Западногерманском семинаре по лазерной спектроскопии (г.Байройт, ФРГ, 1990г.)

- VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1990 г.

- XIV Международной конференции но когерентной и нелинейной оптике, С.-Петербург, 1991 г.

- VIII Международной конференции "Оптика лазеров", С.-Петербург, 1995 г.

Публикации.

По результатам диссертации опубликовано 11 научных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 192 страницах, включая 57 рисунков и 3 таблицы. В конце работы приведен список цитируемой литературы из 187 наименовании.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы. Определена цель и задачи диссертационной работы. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, а также новизна и практическая значимость полученных результатов.

В главе I главное внимание уделено созданию высококогерентных источников излучения пи базе íiJT для cireicrpociccniíK высокого разрешения.

Типичные характеристики диодных лазеров видимого и ближнего ИК диапазонов (0,6-1,7мкм) приводятся в разделе I.L. ИЛ обладают уникальной способностью малоиперциошгой перестройки длины волны генерации в довольно больших пределах 5>„Д=5-10%, что весьма ценно для спектроскопических применений. Но для некоторых применений спектральные характеристики уединенных лазерных диодов являются неудовлетворительными.

К настоящему времени разработаны эффективные оптические и электронные методы сужения линии генерации ИЛ. В 1.2 приведен обзор работ по повышению когерентности излучения и устранению разрывов в пересгроечтшх характеристиках ИЛ. Обсуждаются их достоинства и особенности. Анализируется целесообразность применения того или иного способа в зависимости от конкретной задачи.

В селективных по длине волны составных резонаторах, внешних по отношению к лазерному диоду, совмещается повышение когерентности излучения с улучшением перестроечных характеристик ИЛ и повышением устойчивости режима одиочаетотной генерации ¡2,8].

В разделе 1.3 обсуждаются различные конструкции составных^ резонаторов. На примере лазерных < диодов, генерирующих излучение | видйЖигсГи ближнего ИК диапазонов, ^ показана эффективность действия ® селективной обратной оптической« связи. и

„ (О

В качестве иллюстрации высокой« когерентности "красного" ИЛВР (длина волны генерации 657 нм) нао. рис.1 представлен резонанс пропуска-^ mí я добротного интерферометра. Рис.1. Резонанс пропускания Боковые рсзонансы, обусловлегаше высокодобро inoro интерферометра, частотной модуляцией излучения на

200 кГц, задают частотный масштаб. Типичные значения кратко временной ширины линии генерации ИЛВР, которая определяете флуктуациями оптической длины составного резонатора, не превышаю 100 кГц. Для хорошо просветленного лазерного диода получен квазинепрерывная перестройка длины волны генерации ИЛВР пределах 15 нм.

Типичная мощность выходного излучения ИЛВР лежит в диапазон 3-15 мВт. Максимальная мощность устойчивой одночастотно! генерации ИЛВР, полученная при десятикратном превышении ток: накачки над пороговым значением, составляла 110 мВт и была получен; с лазерным диодом, у которого ширина активной области около 10 мкм.

В Главе 2 рассмотрено использование дисперсионных евоисп атомных сред для улучшения спектральных характеристик ИЛ.

Для многих применений важно обеспечить генерацию лазера ] течение длительного времени в окрестности определенных атомньи переходов. Проблемы уменьшения спектральной плотности частотеъо шумов, повышение долговременной стабильности частоты I обеспечения режима одночастотнои генерации в течение длительной, времени на заданной длине волны можно решать путем организации

1с

Частота—>■

Рис. 2. а) Спектральный контур отражения от границы раздела стекло-пары КЪ (естественная смесь изотопов) для излучения, поляризованного в плоскости падения (угол падения 0=74°, концентрация атомов №в!016 см"3).

б) Интенсивность излучения, прошедшего через контрольную кювету с парами КЬ при комнатной температуре (И к 7х109см"3).

обратной оптической связи с непосредственным использованием дисперсионных свойств атомных сред.

В 2.1 дан обзор работ, в которых по аналогии с захватом частоты ИЛ нолем, накопленным в конфокальном интерферометре [2], было реализовано несколько схем, которые позволили осуществить слабую оптическую связь на длине волны оптических переходов атомов щелочных металлов.

При изучении селективного зеркального отпяжетпщ [9] от поверхности прозрачный диэлектрик - пары щелочного металла при наклонном падении излучения на границу раздела, обнаружено явление-нарушенного полного ннугреинего отражения от газовых сред в окрестности резонансных частот (раздел 2.2). Получен высокий коэффициент отражения (11т,х~90%) в относительно узкой спектральной области (1-15 ГГц) с хорошим контрастом по отношению к нееедек-тивному отражению (К^/К^Ю), рис.2. Эти параметры селективного зеркала на парах ЛЬ или Сз делают его использование к качестве дисперсионного элемента для лазеров с широкой линией усиления весьма многообещающим.

В разделе 2.3 показана эффективность использования явления селективного полного отражения (СПВО) для формирования обратной оптической связи и получения высококогерептиого излучения ИЛ.

Глава 3 посвящена стационарной лазерной спектроскопии высокого разрешения гаггеркомбинационных переходов атомов щелочноземельных металлов с помощью ИЛВР.

Во введении (3.1.) кратко рассмотрены некоторые механизмы вызывающие уширепие, сдвиг и расщепление атомных линий.

Оптические переходы в атомах щелочно-земелышх металлов между состояниями с различной мультиплетпостьк» п^0-п3Р, представляют собой интересный объект для спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения. По мере уменьшения атомного веса элемента запрет на интеркомбинациошше переходы возрастает, что проявляется в уменьшении естественной ширины линий от 120 кГц у Ва до 70 Гц у

В таблице 3.1 приведены некоторые характеристики интерком-бинациотгаых переходов атомов Мц, Са, Бг и Ва. У четных изотопов отсутствует сверхтонкая структура уровней энергии и герм п'Зг. имеет один магнитный подуровень т=0. Это дает возможность выбором оси квантования и поляризации излучения реализовать двухуровневую систему. Наличие простой структуры энергетических уровней наряду с высокой добротностью С? = у0/у, делает интеркомбинациошгые линии привлекательным объектом как для метрологических приложении, так и для фундаменталышх экспериментов.

В разделе 3.2 приведено описание высокотемпературных кювет для щелочно-земелышх металлов.

Предложение создать оптический стандарт частоты в видимо! диапазоне на основе запрещенных переходов щелочно-земелыш металлов было высказано В.С.Легоховым е начале 70-х годов. В 3. приводятся результаты ряда работ но реализации этого предложения.

Переход к компактным и экономичным ИЛ позволяет создат транспортируемые стандарты частоты с достаточно высоким] метрологическими характеристиками для поверки стационарны стандартов частоты, разрабатываемых в лабораториях РТВ (Германки" М КЦУ1 (Япония) и N187 (США). Первые работы по внутрщоилсровско; спектроскопии интеркомбинационных переходов п 50-п Р, в атомах С; Ва и 8 г с использованием ИЛ появились в начале 90-х годов.

Эксперимент по нелинейной спектроскопии перехода 4181-4"1Р140С был выполнен на коллимированном пучке атомов. Они возбувдалис двумя встречными бегущими волнами, разнесенными на 1 см дл устранения многофотонных проходов. Флуоресценция атомов С регистрировалась фотоумножителем, расположенным на расстоянии 2 см ог зоны возбуждения. Нелинейный резонанс флуоресценщп шириной около 400 кГц наблюдался на вершине неоднородн уширенною контура (остаточное доплеровское уширение лини флуоресценции составляло 3 МГц). Спектральное разрешение был ограничено акустическими возмущениями спектра ИЛВР. Приведен оценка насыщения перехода с учетом пролетного уширения и конечно ширины линии излучения.

Внутридоплсровские нелинейные резонансы на переходе 5181-53Р1 атомах .Яг исследовались в случае трехмерного максвелловского ансамбл атомов (в закрытой кювете с горячими сапфировыми окнами). Пр интенсивности насыщающего и пробного излучения 0.4 мВт/см2 и 0. мВт/см2, соответственно, контраст нелинейного резонанса поглощени относительно линейного контура составил 5%. Ширина нелинейно! резонанса (700±100) кГц определялась остаточным доплеровски уцщрением Дуо0~О.5 МГц, где 9 - угол между встречными волнами.

У Ва терм 63Р1 не является самым нижним возбужденны состоящем. Вероятность спонтанного распада из в основное метастабилыше 50 состояния примерно равны. Это делас недостаточной модель двухуровневого атома для описания насыщеил поглощения. Интенсивность насыщения в случае оптической накачк составляет [10]: 1нлс= (ЬV/сг(|т)(1+т/Т)/(2+Т/т*), где о0 - сечени поглощения перехода, т* - время спонтанного распада в непоглощающ« состояние, о0- сечение поглощения перехода, Т - время взаимодействи атома с полем.

Насыщение поглощения вследствие оптической накачки име( следующие особенности:

Честота ->

Рис.3. Внутридоплеровские резонансы насыщенного поглощения на переходе б^-б3!', в атомах четных изотопов бария.

1. Интенсивность насыщения уменьшается в (1+т/Т)(1+Т/2-с*) раз по сравнению с величиной 111АС для двухуровневого атома.

2. Соотношение между степенью насыщения и интенсивностью излучения нелокально. Вероятность оптической накачки зависит от распределения интенсивности вдоль траектории движения атома в

лазерном поле. 1 з

Методом нелинейной спектроскопии перехода 6 80-6 Р, разрешена изотопическая структура линии поглощения, рис.3. Для регистрации внутридоплсровских резонансов на нулевом фоне использовалась модуляция интенсивности насыщающего луча с последующим синхронным детектированием. Сделаны оценки изотопического сдвига (ИС) Полученные величины ИС резонансных частот чегных изтопов Ва составляют Ау (134Ва-шВа) « (121 ± 1) МГц и Ау (136Ва-138Ва) » (109 ± 1) МГд, что совпадает с результатами других экспериментов ов в пределах ошибки в 1%. В атомах Ва нормальный и объемный ИС, имеющие противоположные знаки, в значительной степени компенсируют друг друга. Это обстоятельство привлекало внимание теоретиков и экспериментаторов, изучающих строение тяжелых стабильных ядер.

Ширина самого узкого нелинейного резонанса поглощения..

зарегистрированного в закрытой кювете па интеркомбинационном

1 3 138

переходе 6 80-6 ?! Ва, составляет (820±50) кГц (врезка на рис.4). Субмегагерцовый нелинейный резонанс с отношением сигнал/шум около 10 в полосе до 100 кГц пригоден как для электронного сужения линии генерации ИЛВР так и для стабилизации оптической частоты генерации. Использование этого резонанса в качестве репера при стабилизации частоты лазера с помощью электронной сервосистемы позволит получить относительную стабильность частоты на уровне. аг(т)=Ду/(с/щ)у0 ~2х10"13 (т)"1/х при временах усреднения т=0.01-100 сек, где у0 - оптическая частота перехода, Ау - ширина на полувысоте реперного резонанса. Это значение с?(т) значительно превосходит типичную стабильность частоты газового Не-Ке/12 лазера (а = 2х10~и при т = 1 сек), который широко используется в метрологии.

В Главе 4 описаны эксперименты по спектроскопии высокого разрешения атомов со сверхтонкой (СТ) структурой па примере О липни атомов КЬ.

В 4.1. приведено описание структуры уровней энергии атомов щелочных металлов, у которых величина СТ расщепления основного состояния пБ1(,2, как правило, превосходит доплеровское уширение Аст>Ауи. Приведена классификация оптических переходов.

Явление оптической накачки при взаимодействии атомов с резонапешлм излучением изучалось главным образом на Б линиях щелочных металлов. Дан краткий обзор работ, в которых исследовалось влияние селективной по скоростям атомов оптической накачки на насыщение поглощения.

Перераспределение населенности магнитных подуровней в пределах одного СТ подуровня (выстраивание и ориентация) и обеих СТ компонент при взаимодействии атомов с излучением зависит от многих факторов (типа оптического перехода, интенсивности и поляризации излучения, величины и направленности внешнего магнитного поля), что делает картину нелинейной спектроскопии довольно сложной для количественных оценок. Дополнительную сложность составляют нелокальность зависимости параметра насыщения от интенсивности, пролетные эффекты.

В работе [11] было показано, что при малом насыщении (С«1), можно разделить вклады оптической накачки СТ и мапгитных подуровней, и предложена такая геометрия эксперимента, при которой только СТ оптическая накачка дает вклад в насыщение перехода и, следовательно, в амплитуду резонанса, что значительно облегчает проведение количественных оценок. В разделе 4.2 приведены результаты эксперимента по проверке расчета относительных амплитуд нелинейных

резонансов поглощения.

HeJщнeйныe резонансы поглощения наблюдадаеь в традиционной схеме со встречными волнами - пробной и насыщающей. Выделение нелинейных резонансов на нулевом фоне осуществлялось методом синхронного детектирования. Получено удовлетворительное, в пределах

10% ГПГТТЯРМР ■ Ч1ГГПРП1ШРТТТЯ ТТ ТЛ IЧI | ^ | ! Г/ 1 ■ I 1'П(ЧЛ Х' -Г'1 РТ' ТГ ^К 171 "ТI ' ГI

----, ---- ---------------.. ^------ ч^»^

данного подхода, который предполагает разделение вкладов различных нелинейных механизмов, для решения широкого круга задач нелинейной спектроскопии атомов со сверхтонкой структурой.

На рис.4 представлены внутридоплеровские резонансы насыщенного поглощения на высокочастотной компоненте Б, линии "МЬ при различной интенсивности насыщающей волны и постоянной интенсивности пробной волны (2мкВт/см2). Три резонанса на частотах у32> и у-,4 соответствуют переходам 581/2(Р=3)-5Р3/2(Р'=2,3,4), а три перекрестных резонанса расположены на частотах равных полусумме частот оптических преходов. Насыщение поглощения циклического перехода 581;/2(Р=3)-5Р3/2(Р,=4), самого сильного па 02 линии 85Шэ, гораздо меньше чем у открытых переходов, поэтому ширина и амплитуда нелинейного резонанса па частоте у34 меньше, чем у соседних. Большой амплитудой отличаются два перекрестных резонанса, образованные комбинацией циклического и открытых переходов.

В разделе 4.3 описан эксперимент по исследование мощности ого уширепия нелинейного резонанса поглощения на 02 линии 85КЬ.

Экспериментальные значения ширины перекрестного резонанса на частоте (у33+у34)/2 в зависимости от интенсивности насыщающей волны представлены на рис.5. Они хорошо апроксимирутотся зависимостью у=у0[1+(1+1/1нас)1/2]/2+ОЛуп , при 0Ау„ « 1.5 МГц (остаточное доплеровское уширение) и 1НАС=(31±3) мкВт/см2. Но полученное таким образом значение 111АС примерно в два раза меньше значения 1НЛС, вычислешюго с учетом времени пролета Т и сечения поглощения перехода ст.

Таким образом, выражение, описывающее уширение нелинейного резонанса поглощения 2-х уровневого атома [4]: 7=у0[1+(1+С1)1/2]/2 удовлетворительно согласуется с результатами экспериментов при 0<10 и с феноменологически определенным значением 1'нас> несмотря на отсутствие усреднения по скоростям и по возможным траекториям при оценке пролетного уширеншг. Этот результат помогает оптимизировать параметры нелинейных резонансов при их использовании в качестве частотных реперов.

Рис.4. Внутридоплеровские резонансы насыщенного поглощения на переходах 581/2(Р=3)-5Р,/2В2 линии "КЬ при различной интенсивности насыщающей волны: а) 0.34 мВт/см2; б) 0.14 мВт/см2; в) 0.03 мВт/си2.

£ «

10

Я ' д а К

.

а ,

2

0

!

350

Интенсивность. мкВт/см2

Рис.5. Мощносгное уширение нелинейного перекрестного

85

резонанса поглощения на частоте (ув+у34)/2 02 линии 11Ь

Влияние селективной по скоростям атомов СТ оптической накачки (и ее компенсации) на нелинейные резонансы поглощения при

16

4

разделении по частоте процессов насыщения и зондирования рассмотрены в разделе 4.4. Внутрвдоплеровская спектроскопия в схемс однонаправленных волн от двух независимых лазеров приводит к ряду интересных особенностей по сравнению с традиционной схемой (встречные волны одной частоты). Методы нелинейной спектроскопии на смежных оптических переходах были подробно рассмотрены теоретически [4], но к настоящему времени ист, насколько известно, систематичных экспериментов но внутридоплеровской спектроскопии резонансных линий щелочных металлов с помощью двух независимых лазеров.

Эксперименты проводились па D, и D2 линиях MRb. Излучение лазера с фиксированной оптической частотой vÎIAC насыщало среду, а другого - перестраиваемого по частоте - зондировало насыщение. Регистрировалась суммарная интенсивность излучения двух лазеров, сведенного в бихроматичсский луч и прошедшего кювету с парами Rb.

Если пробная и насыщающая компоненты достаточно интенсивны (G>I) и настроены на разные СТ подуровни состояния 5Sl/2, то в поглощении наблюдаются контрастные внутридоплеровские шпат, обусловленные компенсацией селективной по скоростям атомов оптической накачки, а при настройке vIiAC и vnP0B на один и тот же СТ подуровень - резонаисы, соответствующие уменьшению поглощения.

Спектральное положение нелинейных резонансов зависит от значения vIIAc и не привязано (в пределах неоднородного уширенного контура) к частотам оптических переходов, а спектральное расстояние между ними зависит от разности частот оптических переходов, вовлеченных во взаимодействие.

На основе механизма селективной по скоростям атомов оптической накачки найдено количество возможных резонансов поглощения; проанализированы их относительные амплитуды при различных соотношениях интенсивности компонент бихроматичсского луча и оптических переходов, возбуждаемых излучением.

Так, на D2 линии Rb максимальное количество внутридонлеровских резонансов поглощения с шириной уест, которые могут быть разрешены в схеме однонаправленных волн, равно семи, тогда как в схеме нелинейной спектроскопии со встречными воштми одной частоты на этой линии наблюдается шесть резонансов поглощения. На рис.6 представлена спектральная зависимость поглощения бихроматического излучения при сканировании vnP0E в окрестности переходов 5S1/2 (F=2)-5Pj/2 (F'=l,2,3) и настройке на переходы 5Si/2 (F=3)-5P3/2.

Полностью разрешены семь виутридоплеровских пиков поглощения.

- 184 МГц

Рис.6. Спектральные зависимости поглощения бихроматического излучения от частоты пробной компоненты \'11Р в окрестности переходов 5Я,/2(Р^=2)-5Р^/2(Р'=1,2,3) и цаегройке насьтщающего излучения на переходы 58]у2(Р=3)-5Р3/2 85Ш>.

Спектральное расстошше между ними согласуется с расчетными значениями с точностью не хуже 3%.

Получил объяснение высокий контраст (к» 10) некоторых впутридоплеровских резонансов поглощения по отношению к неоднородно уширенному контуру.

С помощью двух независимых ИЛВР впервые наблюдались узкие, с субмегагерцовой шириной, резонансы поглощения, вызванные двухфотонными переходами, см. врезку на рис.6. Проанализировано влияние магнитного поля, интенсивности и поляризации излучения на резонансы, обусловленные эффектом когерентного пленения населенности [7]. Экспериментально продемонстрирована возможность оптического зондирования подуровней основного состояния с разрешением, отраничегагым пролетным уширением.

Вопросы, связанные с активной стабилизацией частоты генерации ИЛ с помощью электронной обратной связи, рассматриваются в Главе 5.

В разделе 5.2. показала взаимосвязь спектральной нлотности частотных шумов и статистических свойств лазерного излучения; описана корректная методика измерения стабильности частоты.

Приведен обзор методов стабилизации оптической частоты,

проанализированы их достоинства и недостатки.

Далее представлены оригинальные результаты экспериментов по стабилизации оптической частоты излучения ИЛВР, а так же разности частот двух лазеров с помощью одного частотного репера.

Осуществлена электронная стабилизация частоты ИЛВР по резонансам насыщенного поглощения на Г)2 линии цезия. Относительная стабильность частоты, измеренная гетеродинной методикой при использовании двух независимо стабилизированных лазеров, составила 4х10"п, !.1х10"и и 3.-1х10"а при временах усреднения т = 0.1; 1 и 10 сек, соответственно.

Гетеродинная методика позволила корректно оценить частотные сдвиги реперов и воспроизводимость частоты в режиме стабилизации. Обсуждаются пути повышения стабильности и воспроизводимости частоты.

Предложена и опробована методика измерения частотных сдвигов реперных резонансов насыщенного поглощения относительно резонансов флуоресценции атомного пучка с использованием одного лазера.

Реализован оригинальный метод электронной стабилизации разности частот двух лазеров при использовании в качестве частотного репера вггутридоплеровских резонансов поглощения, сформированных в схеме однонаправленных лучей на Г>2 линии ЛЬ, поскольку их положение зависит от разности частот двух полей.

Гетеродинированне излучения частотно связанных лазеров позволяет получить стабильный по частоте сигнал биений. В зависимости от выбора репера, частота этого сигнала лежит в диапазоне от десятков МГц до десятков ТГц и определяется сверхтонким или тонким расщеплением возбужденных и основных состояний атомов К, КЬ или Ся.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Для спектроскопии высокого разрешения на базе лазерных диодов разработано и изготовлено несколько высококогерентных перестраиваемых лазеров видимого и ближнего ИК диапазонов с кратковременной ШЛГ менее 100 кГц. Жесткость составного резонатора, стабильность температуры лазерного диода и тока накачки обеспечили устойчивую одночастотную генерацию лазера без переключения мод в течение нескольких часов. Дрейф оптической частоты в режиме электронной стабилизации частоты по резонансу пропускания опорного конфокального интерферометра не превышал 1 МГц в минуту. Разработанные ИЛВР послужили прототипом при разработке спектрометров метрологического класса.

2. Исследованы спектральные зависимости коэффициента отражения от границы раздела прозрачный диэлектрик - поглощающий таз при больших углах падения и при условии, что етолкновительное уширение линии превосходит доплеровское. Определены условия наблюдения эффекта селективного полного внутреннего отражения. Получено качественное согласие спектрального контура, расчитанного по теории дисперсии с экспериментальной зависимостью Щу).

3. Явление СПВО на резонансных линиях щелочных металлов можно эффективно использовать для сужения спектра излучения ИЛ. В окрестности Б, и Э2 линий поглощения получена устойчивая генерация ИЛ с внешним резонатором, содержащим в качестве дисперсионного элемента ячейку СПВО. Кратковременная ширина линии генерации, измеренная гетеродинным' способом, не превышала 100 кГц. Показано, что подбором соотношения изотопов рубидия во виутрирезонаторной ячейке СПВО можно совместить максимум отражения зеркала СПВО с центром неоднородно уширенной линии поглощения на переходах 581/2(Р=1)-5Р1л(Р'=2) и 58)/2(Р==1)-5Р3/2(Р'=0,1,2) для Э. и 02 линий поглощения 'Шз, соответственно.

4. В сложном спектральном диапазоне (АХ700 нм), где характеристики ИЛ значительно уступают характеристикам ИЛ, работающим в диапазоне 770-870 нм [2], проведены эксперименты по нелинейной спектроскопии интеркомбинационных линий атомов Са и Яг с суб-мегагердовьш разрешением.

5. Исследован нелинейный внутридоплеровский резонанс поглощения на интеркомбинационном переходе атомов Ва. Использование полученных нелинейных резонансов в качестве частотных реперов позволит получить стабильность частоты на уровне 10~13. Показано влияние оптической накачки в метастабильные состояния на насыщение поглощения. Объяснено появление амплитудного шума в интенсивности пробной волны, прошедшей поглощающую среду.

6. В схеме однонаправленных частотно независимых волн на и 0; линиях поглощения атомов Шз проанализированы особенности нелинейных внутридоплеровских резонансов поглощения, которые обусловленны:

- выравниванием населенности возбужденного и основного состояний;

- селективной ио скоростям атомов оптической накачкой;

- когерентным пленением населенности.

7. Экспериментально показано, что мощностное уширение нелинейны; внутридоплеровских резонансов поглощения, обусловленны} селективной по скоростям атомов оптической накачкой удовлетворительно описывается зависимостью, полученной для 2-) уровневого атома при параметре насыщения О < 10, несмотря нг нелокальность зависимости насыщения от интенсивности.

8. Осуществлена стабилизация частоты генерации ИЛВР по внутридоплеровским резонансам поглощения на D2 линии Cs. Относительная стабильность частоты, измеренная гетеродинным методом, составила 4хЮ"п; 1.1x10"" и 1.4x10'" при временах усреднения 0.1; 1 и 10 сек, соответственно.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Акулыиин A.M., Вешчанский В.Л., Никитин В.В., Саугенков В.Л., "Селективная по скоростям оптическая ориентация атомов щелочных элементов", Сборник трудов Всесоюзного семинара по оптической ориентации атомов и молекул (ВСООАМ), Л., С. 152-156, 1987.

2. Акулыиип А.М., Величанский В.Л., Зибров А.С., Никитин В.В., Саутенков В.А., Харисов Г.Г., "Стабилизация частоты высококогерентного инжекционного лазера по внутридоплеровским резонансам насыщенного поглощения", Квантовая электроника, 1988, Т. 15, С. 1945-1946.

3. Акулыиин А.М.,Величанский В.Л., Крашенинников М.В., Саутенков

B.А., Смирнов B.C., Тумайкин М.А., Юдин В.И., "Поляризационные эффекты в нелинейной спектроскопии атомов со сверхтонкой структурой, находящихся в основном состоянии в условиях оптической накачки", ЖЭТФ, 1989, Т.96, С.107-115.

4. Akulshin А.М., Sautenkov V.A., Velichansky V.L., Zibrov A.S., Zverkov M.V., "Power broadening of saturation absorption resonance on the D2 line of rubidium", Optics Commun., 1990, v.77, pp.295-298.

5. Акулылин A.M., Величанский В.Л., Жердев А.И., Зибров А.С., Малахова В.И., Никитин В.В., Саутенков В.А., "Селективное отражение от границы стекло - газ при больших углах падения света", Квантовая электроника, 1989, Т.16, С.631-636.

6. Акулыиин А.М., Величанский В.Л., Зверков М.В., Зибров А.С., Родригес-Ибаролла Б., Саутенков В.А., "Одночастотный полупроводниковый лазер с внешним зеркалом на парах металлов", Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Л.,

C.72, 1990.

7. Akulshin A.M., Celikov А.А., Sautenkov V.A., Vartanjan T.A., Velichansky V.L., "Intensity and concentration dependence of Doppler-free resonance in selective reflection", Optics Commun., v.85, pp.21-25 (1991).

8. Akulshin A.M., Celikov A.A., Velichansky V.L., "Sub-natural absorption resonances on Dj line of Rb induced by coherent population trapping", Optics Commun, v.84, 139 (1991).

9. Akulshin A.M., Celikov A.A., and Velichansky V.L., "Nonliner Dopplerfree spectroscopy of the 63Pj state in barium", Optics Commun. v.93, pp.5458 (1992).

10. Akulshin A.M., Celikov A.A., Ohtsu M., Nakagawa K., Velichansky V.L., "Sub-MHz Doppler-free spectral line of 5's0 - 53Pi intercombination transition in Sr", Jpn. J. Appl.Phys., v.32, (1993) pp.L1356-L1358.

11. Akulshin A.M., Nakagawa K., Ohtsu M., "Frequency chain towards the Ca intercombination line based on laser diodes: first step", Appl.Phys. B58, pp.529-532 (1994).

ЛИТЕРАТУРА

1. Басов Н.Г., Елисеев П.Г., Попов Ю.М., "Полупроводниковые лазеры", УФН, Т. 148, С.35 (1986).

2. Wieman С.Е. and Hollberg L., Rev. Sci. Instrumen. 62, pp. 1-20 (1991).

3. Anderson M.H., Ensher J.R., Matthews M.R., Wieman C.E., Cornell E.A., Science, vol.269, p. 198 (1995).

4. Легохов B.C., Чеботаев В.П., "Принципы нелинейкой лазерной спектроскопии", М: "Наука" (1975).

5. Миногин В.Г., Летохов B.C., "Давление лазерного излучения на атомы", М.: Наука, 1986.

Raab Е., Prentiss М., Cable A., Cliu S., Pritchard D.E., Phys.Rev.Lett. vol.59, р.2631 (1987).

6. Helmcke J., Morinaga A., Isliikawa J., and Riehle F., IEEE Trans. Inst. Meas., Vol.38, pp.524-532 (1989).

7. Arimondo E„ Progr. Opt., vol.35, pp.257-354 (1996).

8. de Labachclerie M., Latrasse C.; KemssuP., and Cerez P., J.Phys.III France, Vol.2, pp.1557-1587 (1992).

9. Кизель B.A., "Отражение света", M.: "Наука", 1973.

10. Pappas P.G., Bums М.М., Hinshelwood D.D., Feld M.S., and Mirnick D.E., Phys.Rev.A, vol.21, pp. 1955-1968 (1980).

11. Акулышш A.M., Величанский В.Л., Крашенинников M.B., Саутенков В.А., Смирнов B.C., Тумайкин М.А., Юдин В.И., ЖЭТФ, Т.96, С. 107-115 (1989).

Подписано е печагь 13 ноября I9S? года Заказ а 319.Tapas 100 экз.П.л.1,2. Отпечатано з ЙШС ФЙАН Москва,3-333,Ленинский проспект,53.