Кинетика атомов в поле, образованном бегущими эллиптически поляризованными волнами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Основные результаты полученные в диссертации:

1. Предложен альтернативный метод вывода коэффициентов уравнения Фоккера-Планка, описывающего движение медленных атомов в световых полях произвольной пространственной конфигурации. Этот метод позволяет единым образом записать выражения для коэффициента трения и диффузии, что значительно сокращает объем аналитических вычислений.

2. Для ряда оптических переходов получены аналитические выражения для силы, коэффициента трения и диффузии в одномерной конфигурации светового поля, образованного встречными волнами, имеющими произвольные эллиптические поляризации: а) для перехода «73 = 1/2 —> ,7е = 1/2 эти выражения получены для произвольной интенсивности светового поля б) для переходов 73 = 1/2—»«/е = 3/2и«/3 = 1—>«/е = 2в пределе слабого насыщения по интенсивности.

3. Проведен анализ кинетики атомов в стоячей волне с однородной эллиптической поляризацией на примере атомов с оптическим переходом е/^, = 1/2 —> «/е = 1/2.

3.1 Показано, что учет зеемановской структуры уровней и эффектов оптической накачки приводит, во-первых, к зависимости эффективного параметра насыщения перехода, а вместе с ним и величин сил действующих на атом, от эллиптичности света.

3.2 Обнаружено, что коэффициенты трения и диффузии содержат дополнительные члены, отсутствующие в теории двухуровневого атома и не обсуждавшиеся ранее. В пределе слабых насыщений и больших отстроек эти члены являются доминирующими, приводя к существенно большим значениям трения и диффузии по сравнению с двухуровневой моделью. Дана качественная интерпретация на языке одетых состояний. Показано, что дополнительный вклад в трение обусловлен переходами между адиабатическими потенциалами, которые соответствуют различным магнитным подуровням основного состояния.

3.3 Проведен анализ температуры лазерного охлаждения атомов в однородно поляризованных полях в зависимости от параметров поля. Для линейной поляризации светового поля температура лазерного охлаждения атомов с оптическим переходом Зд = 1/2 —► Зе = 1/2 совпадает с результатом скалярной модели атома. Эллиптическая поляризация светового поля приводит к отличиям температуры лазерного охлаждения атомов от результатов скалярной модели. Более того, в интенсивных полях имеется "критическая" эллиптичность ес такая, что при 8т2(2ес) >1/3 охлаждение имеет место только при 8 < 0, в то время как при 8ш2(2е) < 1/3 существует два таких интервала (так же как и для двухуровневого атома), как в области отрицательных, так и при положительных отстройках.

4. Проведен анализ кинетики атомов в неоднородно поляризованных полях наиболее общего вида, образованных встречными волнами эллиптической поляризации. Выделены две симметричные конфигурации светового поля: е — в — еже — в — е конфигурации.

4.1В полях е — в — е конфигурации обнаружен новый вклад в силу трения, неисчеза-ющий в точном резонансе 5 = 0. При отличных от нуля отстройках светового поля этот вклад также существенен и приводит к появлению аномальных областей охлаждения атомов в плоскости параметров е — в. Для кь <С 7 получены аналитические выражения, определяющие зависимость силы от скорости.

4.2 В полях е — в — е конфигурации приведены аналитические выражения для выпрямленной дипольной силы и исследованы их зависимость от параметров эллиптичности встречных бегущих волн, образующих поле. Определены оптимальные параметры (эллиптичность волн, угол взаимной ориентации эллипсов и отстройка поля) при которых достигается максимальное выпрямление силы. Для атомов с оптическими переходами 1/2 —> «/е — 1/2 и = 1/2 —> — 3/2 найдена зависимость выпрямленной силы от скорости в пределе малой интенсивности светового поля.

Заключение

Тема данной диссертации направлена на исследование кинетических эффектов, возникающих при движении атомов в световых полях, образованных волнами с произвольной эллиптической поляризацией. При этом рассмотрение атомной кинетики проводилось в квазиклассическом пределе, когда ширина импульсного распределения атомов много больше импульса фотона. Интерес к такой постановке задачи вызван, прежде всего, необходимостью более полного описания движения атомов с вырожденными по проекции углового момента энергетическими уровнями в полях наиболее общей пространственной конфигурации. Эта постановка позволила:

1) Даже для однородно поляризованного поля выявить отличия в кинетики вырожденных атомов от модели двухуровневого атома.

2) Для неоднородно поляризованных полей предсказать новые кинетические эффекты, к которым приводит отличная от линейной и круговой поляризация волн, образующих световое поле.

1. П.Н. Лебедев, Избранные труды. М., (1963); Р. Lebedev, Ann. der Phys. 4, 29 (1901).

2. E.F. Nichols and G.F. Hull, Phys. Rev. 13, 307 (1901); 17, 26, (1903); 17, 90, (1903).

3. A. Einstein, Phys. Z. 18, 121, (1917).

4. O.R. Frish Experimenteller Nachweis des Einsteinschen Strahlungsruckstasses, Ztschr. Phys. 86, 42, (1993).

5. В. Г. Миногин, В. С. Летохов, Давление лазерного излучения на атомы, Наука, Москва (1986).

6. А. П. Казанцев, Г. И. Сурдутович, В. П. Яковлев, Механическое действие света на атомы, Наука, Москва (1991).

7. A. Ashkin and J.P. Gordon, Opt. Lett., Stability of radiation-pressure particle traps: an optical Ernshow theorem, 8, 511-513 (1983).

8. D.E. Pritchard, E.L. Raab, V.S. Bagnato, C.E. Weiman, and R.N. Watts, Light traps using spontaneous force, Phys. Rev. Lett. 57, 310-313 (1986)

9. С. Чу, Управление нейтральными частицами, УФН 169, 274-291 (1999).

10. К.Н. Коэн-Таннуджи, Управление атомоави с помощью фотонов, УФН 169, 292-304 (1999).

11. У.Д. Филипс, Лазерное охлаждение и пленение нейтральных атомов, УФН 169, 305-322 (1999).

12. E.L. Raab, М. Prentiss, A. Cable, S.Chu, and D.E. Pritchard, Trapping of neutral sodium atoms with radiation pressure, Phys. Rev. Lett. 59, 2631 (1987).

13. V.I. Balykin, V.S. Letokhov and V.I. Mushin, Observation of the cooling of free sodium atoms in a resonance laser field with a scaning frequency , JETP Lett. 29, 560 (1979).

14. T.W. Hansch and H.G. Schawlow, Opt. Comm. 13, 68 (1975).

15. J. Dalibard and C.Cohen-Tannoudji J. Opt. Soc. Am. B, Dressed-atom approach to atomic motion in laser light: the dipole force revisited, 2, 1707-1720 (1985).

16. A. Aspect, J. Dalibard, A. Heidmann, C. Salmon, and C.Cohen-Tannoudji Phys. Rev. Lett., Cooling atoms with stimulated emission, 57, 1688-1691 (1986).

17. A.Aspect, E.Arimondo, R. Kaiser, N. Vansteenkiste, and C.Cohen-Tannoudji, Phys. Rev. Lett., Laser cooling below the one-photon recoil energy by velosity-selective coherent population trapping. 61, 826-829 (1988).

18. A. Aspect, E! Arimondo, R. Kaiser, N. Vansteenkiste, and C. Cohen-Tannoudji, Laser cooling below the one-photon recoil energy by velosity-selective coherent population trapping: theoretical analysis, J. Opt. Soc. Am. В 6, 2112-2124 (1989).

19. Special Issue, Laser Cooling and Trapping of Atoms, J. Opt. Soc. Am. В 6, 11 (1989).

20. Special Issue, Laser cooling and trapping, Laser Physics 4, 5 (1994).

21. J.Dalibard and C.Cohen-Tannoudji, J.Opt.Soc. Am. B, Laser cooling below the doppler limit by polarization gradients: simple theoretical models, 6, 2023 (1989).

22. V. Finkelstein, P.R. Berman, and J. Guo, Phys. Rev. A., One-dimentional laser cooling below the dopier limit, 45, 1829-1842 (1991).

23. А.П. Кольченко, С.Г. Раутиан, P.И. Соколовский, ЖЭТФ 55, 1864, (1968).

24. Д.А. Воробьев, С.Г. Раутиан, Р.И. Соколовский, Оптика и спектроскопия 27, 728, (1969).

25. А. П. Казанцев, Резонансное световое давление, УФН 124, 113, (1978)

26. V.S. Letokhov, V.G. Minogin, Laser radiation pressure on free atoms, Phys. Rep., 73, 1, (1981).

27. A.M. Тумайкин, В.И. Юдин, Стационарные когерентные состояния при взаимодействии атомов с резонансным поляризованным излучением в присутствии магнитного поля, ЖЭТФ 98, 81,(1990).

28. Е.Р. Wigner Phys.Rev. 40, 749 (1932).

29. С.Г. Раутиан, Г.И. Смирнов, A.M. Шалагин, Нелинейные резонансы в спектрах атомов и молекул, Наука, Новосибирск (1979).

30. W. Happer, Optical pumping, Rev. Mod. Phys. 44, 169-249 (1972).

31. A. Omont, Irreducible components of density matrix: Application to optical pumping, Prog. Quant. Electr. 5, 69-138 (1977).

32. В.И. Татарский, Вигнеровское представление квантовой механики, УФН 139, 587619 (1983).

33. В. С. Смирнов, А. М. Тумайкин, В. И. Юдин, Стационарные когерентные состояния атомов при резонансном взаимодействии с эллиптически поляризованным светом: Когерентное пленение населенностей (общая теория), ЖЭТФ 96, 1613-1628 (1989).

34. А. В. Тайченачев, А. М. Тумайкин, В. И. Юдин, Г. Ниенхаус, Точное стационарное решение задачи об оптической накачке в эллиптически поляризованном поле для замкнутых атомных переходов jg = j —» je — j (j полецелое), ЖЭТФ 108, 415-425,1995).

35. А. В. Тайченачев, A. M. Тумайкин, В. И. Юдин, Атом в резонансном эллиптически поляризованном поле: точное стационароное решение для замкнутых оптических переходов jg = ¿ -> je =j + 1, ЖЭТФ 110, 1727-1747 (1996).

36. A. В. Тайченачев, A. M. Тумайкин, В. И. Юдин, Атом в резонансном эллиптически поляризованном поле: точное стационароное решение, Письма в ЖЭТФ 64, 8-121996).

37. А. В. Тайченачев, А. М. Тумайкин, В. И. Юдин, Г. Ниенхаус, Тензорная структура стационарной точки оператора радиационной релаксации атома, ЖЭТФ 114, 125134 (1998).

38. А. V. Bezverbnyi, A.M. Tumaikin, N.L. Kosulin, Formation of light-indused spatial gratings of cooled atoms in light field with polarization gradients, Laser Physics 2, 1010-1020,(1992).

39. A.V. Bezverbnyi, G. Nienhuis, A.M. Tumaikin, Force pattern on atoms in a monochromatic field with arbitrary polarization, Opt. Comm. 148, 151-158, (1998).

40. J.Dalibard and C.Cohen-Tannoudji, J.Phys. В., Atomic motion in laser light: connection between semiclassical and quantum descriptions, 18, 1661-1683 (1985).

41. J. Javanainen, Density-matrix equations and photon recoil for multistate atoms, Phys. Rev. A 44, 5857-5880 (1991).

42. R. J. Cook, Atomic motion in a resonant radiation: An aplication of Ehrenfest's theorem, Phys. Rev. A 20, 224 (1979).

43. J. P. Gordon and A. Ashkin, Motion of atoms in a radiation trap, Phys. Rev. A 21, 1606 (1980).

44. В. Г. Миногин, ЖЭТФ, Кинетическое уравнение для атомов, взаимодействующих с лазерным излучением. 79, 2044-2056 (1980).

45. R. J. Cook, Theory of resonance radiation pressure, Phys. Rev. A 22, 1078 (1980).

46. G. S. Agarwal and K. M0lmer, Phys. Rev. A Coherent-function approach to the momentum diffusion of atoms moving in standing waves. 47, 5158-5164 (1993).

47. K. Berg-Sorensen, Y. Castin, E. Bonderup, and K. M0lmer, J. Phys. B. Momentum diffusion of atoms moving in laser fields. 25, 4195-4215 (1992)

48. O.H. Прудников, A.В.Тайченачев, A.M. Тумайкин; В.И. Юдин, ЖЭТФ, Кинетика атомов в эллиптически поляризованной стоячей волне, 115, 791-804 (1999).

49. О.Н. Прудников, А.В.Тайченачев, A.M. Тумайкин, В.И. Юдин, Письма в ЖЭТФ, Новая сила трения, обусловленная спонтанным световым давлением, 70, 439-444 (1999).

50. С.М. Рытов, Введение в статистическую радиофизику.Часть I. Случайные процессы, Гл.1, Наука, Москва (1976).

51. J. Javanainen, Nonlinear mixing of light-pressure forces in a three-state atom, Phys. Rev. Lett. 64, 519-522 (1990).

52. A. I. Sidorov, R. Grimm, V. S. Letokhov, Rectification of the gradient force acting on a three-level atom in a bichromatic standing light-wave, J. Phys. B 24, 3733-3740 (1991).

53. A.V.Taichenachev, A.M.Tumaikin, V.I.Yudin,Symmetry relation for the light force acting on atom, Advance Program of ICONO 2001 conference Th07, Minsk, Belarus, 2001.