Когерентное пленение населенности в парах металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Соколов Алексей Викторович

КОГЕРЕНТНОЕ ПЛЕНЕНИЕ НАСЕЛЕННОСТИ В ПАРАХ

МЕТАЛЛОВ

Специальное1ь 01 04.21 Лачериая с{ ишка

Автореферат ,Ч1И'сор 1ащш на сот клане уче-юй сгепенн кандидата физико-чаюмаяп1 еских на\к

□03174205

Москва 2007

003174205

Работа, выполнена на кафедре киан шной радиофизики Московскою физико-т охни чесKoiо iiHcnuyid (Государственною Университета)

Научный руководи ю н> доктор физико-математических наук,

профессор Сорокин Вадим Николаевич

Официальные опионен i ы доктор физико-математических наук,

Губин Михаил Александрович

док юр физико-маюмагических на\к Пальчиков Вшалий Геннадиевич

Ведущая opiann ¡ацпя кафедра общей фишки и волновых

процессов Физическою фдкулысча МГУ им М В Ломоносова

Защита состой к я -.< 2 » ноября 2007 1 в _ часов на

заседании диссерыционною сове га К 212 156 05

при Московском фи я'.ко- 1е\ническом институте (ГУ) но адресу

141700, МО I Дол! онру щый, Институтский пер , д 9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскою фшико-техническою инпшмл (ГУ)

Автореферат раюс чан «_»_ 2007 I

Ученый сскреырь

диссертационною совсча К 212 156 05

Коршунов С VI

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Одной из важнейших современных научных задач является измерение времени и чаекпы поскольку большинство прецизионных измерений различных физических величин основано на частотных измерениях Стандарт час ю1ы с каждым юдом совершенствуются В настоящее время первичным с тандартом являешя час юта сверхтонко! о перехода F = 1 —> F — 5 в ал оме 1TiCs> (9 192631770 Гц) Одной их наиболее ючных реализаций стандарта час юты является цезиевый фошан, noipeinnocib частот ы ко юрою достшла 5х10~1ь

Однако высокая потенциальная добротность оптических резонан-еов делает их серье !ными конкурентами первичному стандарту Для одиночных охлажденных атомов и ионов в ловушках доспи ну ш ширины оптических рсзонансов в единицы терц Особый интерес представляю! узкие резонансы в трехуровневых системах В широком классе трехуровневых сисюм с высокодобротным часовым переходом возможно возбуждение резонансов когерентного пленения населенности (КПН), свойства которых позволяет использовать их в качестве реперов частоты

Явление КПП набтюдается в трехуровневых Л-системах в которых переход ыежд\ двумя нижними уровнями |1) и |2) запрещен, а переходы на ipeiiui верхний уровень |3) с обоих нижних ра¡решены В такой сн( LCMC перехот, |1) -л |2) можно ис ноль ionaiь в качес!ве часовою перехода Одним из методов возбуждения зтото перехода является воздействие на с п< îeuy двумя киазнчопохромашчеекпчп потями на разрешенные переходы так, чтобы разнос ib частот двух нолей точно совпадала с частотой часовою перехода Этот механизм возбуждения позволяет исследовать реперы частот и создавать на их основе атомные часы

До недавнею времени задача измерения оптической частоты и ее сравнения с первичным стандартом решалась с помощью ряда 1ромоздкпх методов например, с помощью цепочки дститедей интервалов оптических частот С развитием техники фемi«секундной

i рсбснки, позволяющей напрямую связать оптический н радиочасюшый диапазон, возрос инчсрсс к оптическим реперам частот Для возбуждения высокодобротных резонансов КПН необходимо решить задачу стабилизации разности двух оигических час roi, и здесь гакже можно воспользовался фемч осеку ндной 1ребенкой

Кроме применений резонансов КПН в каче( г но реперов частот было предложено использовав зеемановское расщепление резонансов для прецизионных измерений ма1Нитного ноля Продемонстрирован махнетомегр на основе кюветы с цезием, его чувегвшельный элемент но превышаем размеры спичечною коробка Чувствительность такою компактною мапштомочра составляет 500 фТл/уТц юорсмичеекий предел ч\ всчвиюльносш сравним с чувствиюльнос 1ью СКВИД-магнитомо11)ов

Еще одна обласчь науки в коюрой предложено иснользовсиь явление КПН. зю кваншвая информатика Коюрснгная суперпозиция двух нижних уровней в А-сисюмс, которая формируется в эффекте КПН, можем бьиь использована в качес1ве ячейки намят кван'ювою компьююра На союдняшний день продемонстрировано порсиутывание таких суперно шционных состояний между ашмными анс амблями в двух различных кювемах

Редко земечьные элементы являются перепек i ивным обьекгом исследования для нелинейной спектроскопии, использования в качестве реперов частсны, ма!нигомстрии и квантовой информации Во-первых, они имеют большие значения юнкою расщепления основною состояния (10 ТГц и более), переход между которыми сильно запрещен А во-вторых, уникальная злектройная структура редкоземельных металлов позволяем на нес коль ко порядков уменьшить влияние столкновений на ширину и сдвш часовою перехода Кроме тою, продемонстрирована возможность лазерной) охлаждения атомов эрбия и и'пербия до ультранизких icMnepaiyp, что позволяет выполнять спектроскопические исследования зшх атомов в ловушках и оптических решетках

Таким образом изучение резонансов КПН, и в особенное ш в редкоземельных ашмах, имеет обширную сферу применений как в

прикладных, гак и в фундаментальных исследованиях

Цель диссертационной работы Целью рабош является экспериментальное исследование реюнансов КПП < помощью новою источника на базе фемтосекуидной 1робенки Для исследования Л-систем с большим растопленном нижних уровней необходима рачрабелка нового чаверною источника, удовлетворяющею следующим фебованиям

• две оп'шчоскио частоты источника должны бьпь настроены на еошво'кгвующне разрешенные переходы в п<( юд\омой Л-системе,

• разность двух частот источника должна бьпь счабилизирована с ючностью до нескольких юрц

0< ионной задачей диссертационной рабслы являлос ь < о здание лазерного ж iочника и демоне фация по харак'¡срисгик нл примере известной Л-снсчемы в рубидии

Научная новизна Фомтосоку ндная i ребенка широко исиолыуется для абсолкмных измерении ошической час ниы дш сравнения нескольким частот, для преобразования ошической частохы в радночае ioiy без ноюри стабильности Исиочьзование iребенки в качосчве ( габичизнрующею элемента в исючнико бихроматическою ночи в применении к реюнажам КПП являем я новым и орш инальным

В диссер'1 ационной работе защищаются следующие положения

1 Со ¡данная схема цифрово-аналоговой фазовой привязки обеспечивает стабильность разностной (¡хны одиночной моды фемтосекуидной гребенки лазера MIR 1-900F1 и излучения полупроводникового лазера с А = 795 пм па уровне y>RMS = 45°

2 Сгема на основе двух ведомых полупроводниковых лазеров и фемтосекуидной гребенки частот обеспечивает стабильность разностной частоты па уровне не луэке 0 8 Гц при величине разностной частоты 3 ГГц и времени измерения 1 секунда

'Ilpuitmiuilli и. фпрм.л Cnlu-n ut Im

3 Полуширина спектрального контура резонанса КПН о рубидии (1)2 линия Х7ПЬ), зарегистрированного с помощью нового бгчрематического источника составляет 260 Гц и <оопшес тауегп добротности <5 ~ 107

4 Показано, что уровень гетеродинного сигнала между одиночной, модой фемтосекундной гребенки лан'ра Сща.1е1-202, расширенной в фотонно-крисгпаллическом волокне, и излучения помргроводниковолго лазера с Х — 686 нм обеспечивает возможность падеэюной фазовой привязки

Научная ценность работы состой! в разрабо1ке, реа шзации и подробном анализе свойств нового исючника бихромагичсскою лазерной) получения В отличии, например, от методов радиочастотной модуляции представленный источник огкрывае'1 возможность рсп1С1рирова1ь и исследовать узкие (менее 1 кГц) реюнансы КПН в Л-сшчемах < большим расщенлением нижних уровней (более 10 ТГц)

Достоверность и обоснованность полученных результаюв базируется на использовании апробированных методик, развшых ведущими лаборашриями мира и подтверждаемся публикациями в рецензируемых научных риалах и обсуждениями на международных конференциях Все резу 1ыаи>1 хорошо соьчасуются с общеизвестными фамамн

Апробация работы Маюриалы диссертации опубликованы в работах [1, 2, 3, 4 5 6| и обсуждались на конференциях

• Вы< шая Лазерная Школа'2004 "Современные П1)обломы лазерной физики" VI ос ко вс кая tj6.ii пансионат Юность'', 4 - 6 аиремя 2004 I

[7]

• Шкота молодых хченых 'Актуальные проблемы физики", 29 ноября

3 декабря 2004 г, Звенигород [8]

• XXIII Сьезд по спектроскопии, 17-21 октября 2005 1 , Звеншород [9]

2Прон ши,ш к* 1 ь фирма ОшаОри*

• ЮАР 2006 (The 20th International Conference on Atomic Physics), 16-21 .July 2006 Congress Innsbiuek [lOj

• ICONO/LAT 2007, May 28 .June 1 2007 Minsk, Belaius (llj

• XVII Конференция 'Фундаментальная оптика и спектроскопия ФАС-2003' Звенигород" [121

• ECONOS 2004, 4-6 April 2004, Ei langen [13]

• ECAMP VIII, 6-10 July 2004, Rennes Fiante [14]

• ECONOS 2005, 10-12 April 2005, Oxfoid U К [15|

• ICONO/LAT 2005, 11-15 May 2005 St Petersbuig [16[

• EGAS37. 3-6 August 2005, Dublin [17]

Личный вклад автора Автор внес решающий вклад в ре зучыативную часть диссертационной работы Им разработан и создан новый источник бихроматическою ноля, исследованы ею свойства и проведены жснсримешальные исследования явченпя КПН Авюр уснешно выно'шил расширение фсыюсекундной i ребенки в одноыодовых волокнах и исследовал снекфальные \арак1ери< шкп

CrpyKiypa диссср1ации Диссер 1ационная работа изложена на 146 с 1раницах. с ос юнг из введения, чсчыреч i îan и заключения содержит 52 иллюстрации и список цитируемой juucpaivpbi из 68 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, крл1ко изложено содержание разделов диссертации

Первая глава диссертации носи г обюрно-юорошчоский характер Она посвящена эффекту KoiepeH'inoio пленения населенносш (КПН) нелинейному резонансному янчоиию происходящему в системе с запрещенным переходом и общим верхним \ровном иод воздействием

бихроматнчсско! о ноля По сути, эффект КПН весчда имеет место при использовании двухфотонною мешда возбуждения запрещенною перехода В эюй 1лавс изложены основные свойс [ва эффекта КПН, некоторые из них проиллюстрированы с помощью теоретическою анализа и численных расчетов Теорешческие выводы в 1лаве в основном базирую!<"я на следствиях из уравнений на языке матриц плотности

В первом разделе главы подробно рассматривается модельная трехуровневая Л-систсма иод воздействием двух монохроматических световых нолей Это простейшая система в которой появляется эффект КПН На этом простом примере вводятся основные понятия и указываю! ея свойства резонансов КПН

Далее но lOKCiy 1лавы приводится ботее сложная модель, приближенная к реальным атомным сисюмам в реальных лазерных нолях Особое внимание уделено выводу тех свойств резонансов КПН, которые важны с точки зрения эксперимента и приложений

Во втором разделе первой 1лавы рассмотрены влияние циклических переходов на резонанс КПН, резонансы в двойных A-ciicicMax, а также СИС1СМЫ, допускающие конкурирующие процессы оптической накачки Результаты применены к случаю Л-систем атома рубидия

В фетьем разделе первой ьтавы развны модель взаимодействия Л-снсчемы с бихроматическнм полем, разнос тая фаза которою иепьпывасч флумуации На основе этой модели был обьяснон эффем снижения кон i рас i<i резонанса КПН при наличии фа ювых шумов лазера, а также из-за оетаточною доплер-эффеьла при экспериментах в кювете

Вторая глава посвящена созданию фазово-коюреншою источника бихромат и ческою ноля со стабилизированной разностной частотой, предназначенною для возбуждения узких двухфотонных. резонансов КПН

В начале ьтавы дан краткий обзор методов создания бихромашческо1 о поля для peí ист рации резонансов КГШ Существенное внимание уделено фемтсхекундной [ребенке как ис шчнику koi«рентных мод, а 1акже фазовой привязке лазеров Затем изложена идея соз-

дания источника бихромашчсскою потя с использованием фазовой привязки полупроводниковых лазеров к модам фемюсекундной фсбсики Бпхромашческпй исючнпк реа.'П1 зованный на основе этой идеи является ключевым элементом диссертационной работы Представлена схема источника с подробным описанием ею узлов и экспериментальными результаыми, демонстрирующими сю свойства

В третьей главе источник бьп успешно использован для сгюктросокшш резонансов КПН в Л-<пстемах 01 и 02 линий атомов 85Ш5 И 87ИЬ

В качестве объекта для бпхроматической спекцзоскошш был выбран ашм рубидия При выборе мы руководствовались как доступностью лазеров с нужными длинами волн, ык и 1ем фактом что эффект КПН в аюме рубидия хорошо изучен

В качестве результаюв ктавы представтены спектральные кон1уры резонансов КПН зарепк 1рированные при различных экспериментальных условиях Па основе них резулыаюв сделан вывод о применимоеш бихромашчсскою пс ючника в задачах нелинейной спектроскопии

Четвертая глава посвящена расширению снемра фсмтосекунд-ною лазера в коротковолновую обласчь снемра В начале главы приведена обзорно- хеоретичеекая часть обьясняющая физику юнерацни с уперконт инуума и указывающая на фундаментальные причины появления шумов при нетпнейном преобразовании света в волокне

Спектр излучения фем юс ск\н чною лазера \1IRA-900F, используемою в схеме бихроматичеч ксл о исючника, был расширен в еуиерконтинуум Однако кроме1 фазово-коюрешных мод в спектре суперконшнуума ирису и изо вал нсмлереш ный свсм, имеющий шумовую природу Выполнено исследование зависимости мощности сигнала межмодовых биений в разтичных условиях В I таве приведены соот ветсчвующие спектры

Далее в ктаве приведены рему п.киы рабоил по расширению спектра излучения фемюсекундною лазера 0|»а1е1-2() в нелинейном фогонно-

кристаллическом волокне Представлены спектры еш налов межмодовых биений суперкотинуума В отличие oi экспериментов с лазером MIRA, в случае с лазером GigaJet широкополосный tiivm о тс у тс твует Приведен сш нал биений моды суперконшнуума ом лазера GigaJet с одномодовым полупроводниковым лазером (686 нм) Амплитуда с ш нала cot тавляст 30 дБ над шумом, что позволяет реализовать надежную фазовую привязку к моде суиерконтинуума

В заключении обобщены основные результаты и выводы диссертационной работ ы

Основные результаты

• Проведен обзорно-теоретический анализ эффекта КПН Обобщены основные свойства явления

• Разработан и реализован фазово-ко!еренiный источник на основе фемтосекундной трсбенки и техники фазовой привязки лазеров

• Экспериментально показано, что ошибка разностной фазы источника составляет менее 90 традусов Характеристики источника позволяют использовать ею для котерентной бпхроматической спектроскопии с высоким разрешением в широком классе атомных систем

• С помощью созданною источника зарет не трированы контуры резонансов КПН в кювете с рубидием (линии D1 и D2 атомов 85Rb и 87Rb), в том числе ре «шансы, расщепленные в матнитном поле Результаты находятся в сотлаеии с данными, полученными методами радиочастотной модуляции Получена полуширина резонанса КПН в рубидии ¿hwhm = 260 Гц

• Исследована возможность фазово-котерентною расширения спектра гребенки в диапазон длин волн 672 686 пм Полученные сшналы биений расширенной трсбенки с излучением иолупроводннковото лазера позволяют осуществлять падежную фазовую привязку

Благодарности Авюр выражаем при шакмьнос гь своему научному ]>у ко водителю ироф В II Сорокину за внимание и поддержку, а также всему коллективу Лаборатории оптики активных сред 'за помощь в работе

По материалам диссертации опубликованы следующие работы

[1| Акимов А В Матвеев А Н Соколов 4 В, Канорский С И, Колачевский Н Н Сорокин В Н Сjаби шзированпый по фечгосекундной (ребенке перестраиваемый лазерный ш iочник Краткие сообщения по физике '2003 Л* 11 С 42

|2| \kimov А V, Sokolov 4 V Kohuhevsky N N Matveev А N, Soroktn V N, Kanoisky S I Optual pumping ol samarium atoms ш а Ьк liioinat ю la-ser held in the piesence of velocity-changing collisions / Ru^^an Laser Res 2003 - Vol 24 no 2 Pp 129 142

[3| Ahmov A V, Matveev A N, Sokolov A V Kanorsky S I, Kolachevsky N N, Pakhutm G Y, Sorokin X N Tunable phase-coherent source of the bichromatic light field for the чре< troscopy of resonanii'S of the coherent population trapping in iaie-earth atoms '' J Rtissian Later Rei 2004 Vol 25 no 3 Pp 239 252

[1| Ahmov A V, Kolachevsky N N Sokolov 1 V Matvrev A N, Kanorsky S I, Kits R A , etc Spectiohcopv ol coheient population trapping with a light source based on a femtosecond lasei Quantum Klatiomrs 2004 Vol 34 no 10-Pp 983 988

[5| Ahmov A V,Mati<(<vA N Sokolov 4 I Tiic,lunko IS О Kondratjev D A, Sorokin V N , etc Coheient bichiomatic spec tioscopv of Rb vapoi with a femtosecond laser II] Raman Spei howopij 2000 Vol j7 Pp 712 717

|t>| Akimov A V, Mai in i и A N Sokolov 1 I Sot ok m V N Kanorsky S I, Kolachevsky N N BichiomatK spectioscopv of < oheient population t.i appmg resonances with phase-locked fields / J Raman Spri host opi/ 2005 Vol 36 - Pp 123128

[7| Соколов А Источник бихрочашчес кою < ни ¡ainioi о но фазе лазерного излучения ыя изучения pejomuicois KOiepeniнош и |ешчшя населенности ■'/ Высшая Чазерная Школа 2004 Современные проб ими la-iopiion физики" Московская обл пансионах Юпосп. 1 0 апреля 2004

[8] Соколов А Исследование резонанс он koi ерей i noi о пленения населенности в парах щелочных и ре 1козечсмьны\ чекмлок Школа молодых ученых А.К1уальные проб темы физики 29 номера 3 к'кабра Звенигород 2004

[9| Соколов Л , Акимов 4 Komneet кий Н Матьеев 4 Ките Р Терещенко Е , и Ор Бихрочашчес кая kui грешная с нем рос копия аючных паров /,< Тезисы докладов, Will C'i>«si, по с нем рос конин 17-21 омября Звенигород, Звенш ородский пансионаi РАН 200г>

[10] Sokolov A V , Akimov A V, Тегеькепко E О Kondratjev D A Samokotm A У, Chebakov К A etc Comb-based bichromatic spectroscopy in ih vapor // ЮАР 2006 Book of Abstracts, 16-21 Juh Congress Innsbruck 2000 P 526

[11] Sokolov 4 V, Akimov A V, Samokotm A Y Sorokm V N Kolachevsky N N Coherent population flapping experiments ill Rb vapoi with <omb-based laser source ICONO/LAT 2007 Book of Abstracts May 28 June 1 National Cultural Centei Minsk Bclaius 2007

[12] Akimov A V, Matveev A N, Sokolov A V Kanorsky S ! Kolachevsky N N etc Тезисы докладов XV11 Конференции Фундаменыльная оптика и ( m кipoi копия ФАС-2003" Звемшорпд — Pji 140-141

[13] Akimov А V, Matveev А N Sokolov А V, Sorokin V N hanorsky S I, Kolachevsky N N Bichromatic spectroscopy of coherent population tlapping resonances with phase-lcxked fields // EC'ONOS 2004 Erlangen 4 6 April 2004

[14| Akimov A V, Matveev A N, Sokolov 4 V , Sorokin V N hanorsky S I, Kolachevsky N N Raman spectroscopy with femtosecond frequency comb / ECAMP VIII б 10 July, Rcnnos Franco 2004

[15| Akimov A V, Matveev A N Sokolov A V Kolachevsky N N, Sorokin V N Coheient bichromatic spectroscopy with femtosecond laser '' EOONOS 2005 10 12 April Oxford U К 2005

[16| Akimov A V, Kolachevsky N N Sokolov A V Matveev A N, Kanoisky S I, Sorokm V N Coherent bichromatic spectioscору with phase-locked lasers // ICONO LAT 2005 11 15 May bt Petersburg 2005

¡17| Akiviov A V , Kolachevsky N N , Sokolov A V Matveev A N Tereshenko E О , Kondiatev D A , etc Coherent population tiappmg with femtosecond laser // EGAS 2005 3 0 August Dublin 2005

Соколои А и kit а Викторович КОГЕРЕНТНОЕ ПЛЕНЕНИЕ НАСЕЛЕННОСТИ В ПАРАХ МЕТАЛЛОВ

Подписано в печать 2109 2007 Формат 60 < 84'/iu Печать офсетная Уел печ л 1,0 Уч - изд л 1,0 Тираж 60 экз Заказ Л* ф-349

Государс'1 iH iuioe ofipa кшап шнек \чр< ждите вше met о ироф<ч с ист.т.пщ о оГфаюпапия Московский фиШКО-1СХ1Ш (Of КИЙ ИМС I И 1 V 1 (го< ударе ИКНПЫЙ униш |Х Hid)

Oí у ч анюмаш шроваиных щдак шекпх снскм ФИЗТЕЧ-ПО ЧИГРАФ 111700,Моек oíwi i До п oiipv шый Ипс iwiyie кий ш р 9

Введение.

Глава 1. Эффект КПН.

1.1 Постановка задачи.

1.1.1 Простейшая Л-система, простейшее описание

1.2 Переход от трехуровневой Л-системы к многоуровневой.

1.2.1 Язык матриц плотности.

1.2.2 Циклические переходы.

1.2.3 Интерференция Л-систем.

1.2.4 Конкурирующие процессы оптической накачки.

1.2.5 КПН в атомах рубидия.

1.3 Экспериментальные условия.

1.3.1 Реакция трехуровневой системы на фазовый шум лазерного поля.

1.3.2 Ширина резонанса КПН при эксперименте в газовой кювете.

1.3.3 Остаточный доплер-эффект в присутствии столкновений.

1.4 Основные направления и перспективы в исследовании КПН.

1.5 Результаты главы 1.

Глава 2. Фазово-когерентный источник бихроматического поля.

2.1 Традиционные методы создания бихроматического поля.

2.2 "Гребенка" частот фемтосекундного лазера.

2.3 Фазовая привязка лазеров.

2.3.1 Системы ФАПЧ.

2.3.2 Привязка лазера к квазимонохроматическому лазерному источнику.

2.3.3 Два связанных по фазе лазера, как бихроматический источник.

2.4 Использование гребенки частот фемтосекупдного лазера для создания бихроматического источника. . бб

2.4.1 Идея создания универсального бихроматического источника.бб

2.4.2 Реализация бихроматического источника.

2.4.3 Фемтосекундный лазер MIRA-900F. Характеристики.

2.4.4 Полупроводниковые лазеры.

2.4.5 Характеристики бихроматического источника.

2.5 Основные результаты главы 2.

Глава 3. Исследование когерентного пленения населенности в парах рубидия.

3.1 Постановка проблемы.

3.2 Экспериментальная установка.

3.2.1 Схема насыщенного поглощения.

3.2.2 Локализация резонанса КПН.

3.3 Экспериментальные результаты.

3.4 Основные результаты главы 3.

Глава 4. Расширение гребенки в нелинейном оптическом волокне.

4.1 Механизмы расширения спектра световых импульсов.

4.1.1 Фазовая самомодуляция.

4.1.2 Четырехволновое взаимодействие.

4.1.3 Нелинейные оптические эффекты в оптических волокнах.

4.1.4 Шумы при расширении фемтосекундной гребенки.

4.2 Эксперимент по фазово-когерентному расширению гребенки в оптическом волокне.

4.2.1 Расширение гребенки фемтосекупдного лазера MIRA-900F.

4.2.2 Расширение гребенки лазера GigaJet.

4.3 Основные результаты главы 4.

Данная работа является частью деятельности коллектива лаборатории оптики активных сред ФИ АН, посвященной поиску новых реперов оптических частот. Преимущества оптических стандартов перед радиочастотными очевидны — при той же ширине Аи оптический резонанс обладает на несколько порядков большей частотой щ, а следовательно и большей добротностью Q — щ/Аи. В настоящее время оптические стандарты частот развиваются намного быстрее радиочастотных (рис.1), и по-видимому, скоро обгонят по точности первичый цезиевый стандарт [68]. Современная реализация первичного стандарта частоты — цезиевый фонтан — обладает относительной погрешностью 5x10 "16 [68]. При использовании радиочастотного репера, добротность которого составляет порядка 10 , такая точность достигается только при больших временах накопления данных (см. формулу (25)) — месяц и более.

-9 з 10 0 1П10 го 10 ■j л

I- -11 8 10

1 ю"12 а> х -т"13 го 10

I -О аЗ -14 £ 10 о

О -15 jE 10 о цезиевые часы (Эссен)

He-Ne стабилизированный по иоду Н О

ОСа ОН

9 9 гребенка Yb+

• радиочастотные стандарты О оптические стандарты О

Sr+ X ОНд+ цезиевый фонтан

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

Рис. 1: Эволюция радиочастотных и оптических стандартов частоты.

В недавнее время был продемонстрирован существенный прогресс в регистрации высокодобротных оптических резонан-сов, достигнутые ширины линий оптических резонансов вплотную подошли к предельной ширине линий в спектроскопии Рэмси [10] (порядка 1 Гц). Выделяются два перспективных направления в создании оптических стандартов частоты. Первое направление связано с возбуждением одиночных ионов в ловушке. В этом случае серьезным недостатком является относительно низкий уровень отношения сигнала к шуму S/N, отрицательно влияющий на точность стандарта (см. выражение (25)). Второе направление прецизионная спектроскопия облака ультрахолодных атомов в ловушках и в т.н. оптических решетках. В этом случае количество атомов, вносящих вклад в сигнал, может достигать 105. Это позволяет получать намного большее отношение сигнал-шум, которое зависит от количества атомов, как \/Nat.

Перспективными для использования в оптических стандартах частоты являются редкоземельные атомы Sin, Tm, Yb и др. Электронная структура всех редкоземельных атомов схожа, они обладают замкнутой 6s2 оболочкой, под которой находятся несколько 4Р электронов. Как было показано в работе Е.Б. Александрова [3], переходы внутри f-оболочки хорошо экранируются Gs-оболочкой и слабо чувствительны к столкновениям. Кроме того, многие редкоземельные атомы имеют большие значения тонкого расщепления основного состояния — 10 ТГц для Sm, 100 ТГц для Тт. Переходы между компонентами тонкого расщепления в этих атомах сильно запрещены и обладают очень малым ударным уширением. Такие переходы хорошо подходят на роль "часовых" переходов.

Для возбуждения запрещенных переходов в редкоземельных атомах использование прямого воздействия на атом резонансной частотой зачастую оказывается неэффективным, т.к. переход чрезвычайно слаб. К тому же, источников, например, на частоту 10 ТГц с подходящими характеристиками вообще не существует. Поэтому такие запрещенные переходы удобно возбуждать через двухфотоииый механизм бихроматическим полем, а именно, двумя лазерными нолями, каждое из которых настроено на разрешенный переход между своей компонентой тонкой структуры и общим верхним уровнем. Такое воздействие будет иметь резонансный отклик при совпадении разности частот лазеров с частотой запрещенного перехода. Свойства этого резонанса полностью определяются свойствами запрещенного перехода, характеристики общего верхнего уровня практическим не влияют на возбуждаемый двухфотонный резонанс.

Актуальность и перспективность исследований редкоземельных атомов для создания оптических стандартов частоты, а также преимущества двухфотоиного метода возбуждения запрещенных переходов, наглядно демонстрируются следующим фактом. В совместной работе [58] групп из JILA и NIST по спектроскопии атомов Yb в оптической решетке был использован метод возбуждения бихроматическим полем. В работе были получены оптические резоиансы шириной в несколько герц.

Диссертационная работа связана с развитием методики возбуждения запрещенных переходов с помощью бихромати-ческого ноля, с целью последующего применения в прецизионной спектроскопии запрещенных переходов в редкоземельных атомах.

Действие на трехуровневую Л-систему резонансным бихроматическим полем часто вызывает т.н. эффект когерентного пленения населенности (КПН), который и определяет свойства двухфотонного резонанса. Первая глава диссертации посвящена этому эффекту. Она носит носит обзорно-теоретический характер. В ней изложены основные свойства эффекта КПН, некоторые проиллюстрированы с помощью теоретического анализа с использованием аппарата матриц плотности, а также с помощью численных расчетов.

Ширина резонанса при его возбуждении двухфотонным методом определяется временем взаимной когерентности двух лазеров, создающих бихроматнческое поле. Если не принимать мер по стабилизации разностной частоты, то ширина резонанса будет сравнима с шириной спектра излучения лазеров. Предельная ширина двухфотоипого резонанса, определяемая временем жизни когерентности па исследуемом переходе, достижима только при высокой степени стабилизации разностной частоты.

Вторая глава посвящена созданию фазово-когерентного источника бихроматического поля, предназначенного для возбуждения узких резонансов КПН. Для стабилизации разностной частоты бихроматического ноля в источнике использовалось гребенка частот фемтосекундного лазера. В схеме источника была применена техника фазовой привязки лазеров к модам излучения фемтосекундного лазера с использованием цифрово-аиалоговых схем ФАПЧ. В этой главе после небольшого обзора существующих методов создания фазово-когерентного бихроматического поля изложена идея создания источника, обладающего рядом преимуществ перед известными схемами. Далее рассмотрена экспериментальная установка, реализующая такой бихромати-ческий источник. В качестве результатов главы представлены экспериментальные данные, характеризующие источник.

Большая часть исследований КПН традиционно проводится в щелочных атомах (Rb,Cs). В этих атомах возбуждается запрещенный переход между компонентам сверхтонкой структуры основного состояния. Переход не является оптическим — его частота лежит в радиочастотном диапазоне. По сравнению с редкоземельными атомами, обладающими большим расщеплением основного состояния, эти атомы очень хорошо изучены. Тем не менее, существенная часть настоящей работы относится к эффекту КПН в рубидии, поскольку новый источник бихроматического поля было необходимо опробовать на атомной системе с известными свойствами.

В третьей главе, продемонстрирована возможность использования бихроматического источника для возбуждения и регистрации резонансов КПН в атомных парах рубидия. При выборе атомной системы мы руководствовались как доступностью лазеров с нужными длинами воли, так и тем фактом, что эффект

КПН в атоме рубидия хорошо изучен различными методами. В рубидии достижимы ширины резонанса КПН менее 50 Гц, возможность регистрировать такие узкие рсзонансы была стимулом к совершенствованию источника.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальной работы по фазово-когерентпому расширению гребенки частот фемтосскундного лазера в диапазон длин волн 672-686 им с помощью нелинейных оптических волокон. Работа велась с целью последующего использования расширенной гребенки для перестройки бихроматпческого источника на Л-систему атома самария.

4.3 Основные результаты главы 4.

Была проведена серия экспериментов по расширению гребенки непрерывного фемтосекундиого лазера в нелинейном оптическом волокне.

Спектр излучения от лазера MIRA-900F после нелинейных преобразований в волокне расширялся в суперконтинуум. Однако излучение приобретало сильную некогерентную шумовую составляющую. Спектр сигнала межмодовых биений этого излучения помимо частот, кратных частоте /гер, содержал широкополосный шум. Сигнал биений между излучением одпомодового полупроводникового лазера (786 нм) и полученным излучением зарегистрировать не удалось из-за некогереитной составляющей излучения.

При использовании фемтосекундиого лазера GigaJet гребенка также легко расширялась в супер континуум. Зарегистрирован его спектр, а также сигнал межмодовых биений расширенной гребенки. Некогерентная составляющая в этом случае отсутствовала. Биения между расширенной гребенкой и полупроводниковым лазером (768 нм) зарегистрированы па уровне 30 дБ над шумом, такой уровень сигнала дает возможность осуществлять надежную фазовую привязку к расширенной гребенке. Таким образом, на базе имеющихся технических наработок может быть создан бихромати-ческий источник для изучения высокодобротных резонансов КПН в самарии.

Все полученные результаты соответствуют общеизвестным фактам, приведенным в теоретической части главы.

1. Акимов А. В., Матвеев А. Н., Соколов А. В., Канорский С. И., Колачевский Н. Н., Сорокин В. Н. Стабилизированный по фемтосекуидиой гребенке перестраиваемый лазерный источник // Краткие сообщения по физике. — 2003. — № 11. — С. 42.

2. Акимов А. В. Лазерная спектроскопия нелинейных резонансов в самарии в присутствии столкновений.— Диссертация на соискание учёной степени к.ф.-м.п., М.: МФТИ(ГУ).— 2003.

3. Александров Е., Котылев В. j j Опт. и Спектр. — 1983. — Т. 54.

4. Желтиков А. Нелинейная оптика микроструктурированных волокон // УФК. 2004. - Т. 174. - С. 73.

5. Колачевский Н. Когерентная лазерная спектроскопия атомов водорода и рубидия.— Диссертация на соискание учёной степени д.ф.-м.н., М.: ФИАН. 2005.

6. Манделъ Л., Вольф Э. Оптическая когерентность и квантовая оптика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2000.

7. Одуан К., Гино Б. Измерение времени. Основы GPS.— М: Техносфера, 2002.

8. Озерский Ю. Системы фапч. лабораторная работа по курсу: Радиотехника. М.: МФТИ. - 2003.

9. Рытое С. Введение в статистическую радиофизику.— М:"Наука", 1976.

10. Рэмси Н. Эксперименты с разнесенными осциллирующими иолями и водородными мазерами. // УФК — 1990. — Vol. 160. — Р. 91.

11. Собельмаи И. Введение в теорию атомных спектров.— М.чФизматгиз, 1963.

12. Соколов А., Акимов А., Колачевский Н., Матвеев А., Ките Р., Терещенко Е., и др. Бихроматическая когерентная спектроскопия атомных паров // Тезисы докладов, XXIII Съезд по спектроскопии, 17-21 октября, Звенигород, Звенигородский пансионат РАН. — 2005.

13. Соколов А. Исследование резонансов когерентного пленения населенности в парах щелочных и редкоземельных металлов // Школа молодых ученых "Актуальные проблемы физики", 29 ноября 3 декабря, Звенигород. — 2004.

14. Стеихолъм С. Основы лазерной спектроскопии.— М.: МИР, 1987.

15. Akimov А. VKolaehevsky N. N., Sokolov А. V., Matveev A. N., Kanorsky S. I., Sorokin V. N. Coherent bichromatic spectroscopy with phase-locked lasers // ICONO/LAT 2005, 11 15 May, St. Petersburg. - 2005.

16. Akimov A. V., Kolaehevsky N. N., Sokolov A. V., Matveev A. N., Tereshenko E. O., Kondratev D. A., et al. Coherent population trapping with femtosecond laser // EGAS 2005, 3 6 August, Dublin.- 2005.

17. Akimov A. VMatveev A. N., Sokolov A. VKanorsky S. I., Kolaehevsky N. N., et al. // Тезисы докладов XVII Конференции "Фундаментальная оптика и спектроскопия ФАС-2003", Звенигород. 2003.- Pp. 140-141.

18. Akimov A. V., Matveev A. N., Sokolov A. V., Kolachevsky N. N., Sorokin V. N. Coherent bichromatic spectroscopy with femtosecond laser // ECONOS 2005, 10 12 April, Oxford, U.K. - 2005.

19. Akimov A. V., Matveev A. N., Sokolov A. V., Sorokin V. N., Kanorsky S. I., Kolachevsky N. N. Bichromatic spectroscopy of coherent population trapping resonances with phase-locked fields // ECONOS 2004, Erlangen, 4-6 April. 2004.

20. Akimov A. V., Matveev A. N., Sokolov A. V., Sorokin V. N., Kanorsky S. I., Kolachevsky N. N. Raman spectroscopy with femtosecond frequency comb // ECAMP VIII, 6-10 July, Rennes, France. 2004.

21. Akimov A. V., Matveev A. N., Sokolov A. V., Sorokin V. N., Kanorsky S. I., Kolachevsky N. N. Bichromatic spectroscopy of coherent population trapping resonances with phase-locked fields // J. Raman Spectroscopy. 2005. - Vol. 36. - Pp. 123-128.

22. Allan D. // Proc. IEEE.- 1966,- Vol. 54.- P. 221.

23. Alzetta G., Gozzini A., Moi L., Orriols G. High resolution experiments with spin-polarized atoms // Nuovo Cimento B. — 1976. — Vol. 36B, ser.2, no. 1. Pp. 5-20.

24. Andreeva C., et al // Appl.Phys.B.- 2003.- Vol. 76.- Pp. 667675.

25. Arimondo E. Coherent population trapping // Progress in Optics / Ed. by Wolf. 1996. - Vol. XXXV. - Pp. 257-354.

26. Arimondo E. Relaxation processes in coherent-population trapping // Phys. Rev. A.- 1996.- Vol. 54, no. 3.

27. Brandt S., Nagel A., Wynands R., Meschede D. // Phys. Rev. A.— 1997,- Vol. 56, no. 1.- P. R1063.

28. Brandt // ???- 2004.- Vol. ?? — P. ?

29. Chang S., Minogin V. Density-matrix approach to dynamics of multilevel atoms in laser fields // Phys. Reports. — 2002. — Vol. 365, no. 2.

30. Corwin K., Newbury N., Dudley J., Coen S., Diddams S., Weber K.; Windeler R. Fundamental noise limitations to supercon-tinuum generation in microstructure fiber // Phys. Rev. Lett — 2003.-Vol. 90.-P. 113904.

31. Dicke R. // Phys. Rev.- 1953.- Vol. 82.- P. 472.

32. Edmonds A. Angular Momentum In Quantum Mechanics.— Princeton University Press, 1974.

33. Fejer M. // IEEE J.Quantum Electron.- 1992,- Vol. 28.-P. 2631.

34. Hall J., Long-Sheng M., Kramer G. Principles of optical phase-locking: Application to internal mirror He — Ne lasers phase-locked via fast control of the discharge current // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1987. - Vol. 23, no. 4. - Pp. 427-437.

35. Holzuiarth R. — Диссертация на соискание учёной степени PhD, Max-Planck-Institut fur Quantenoptik, MPQ 268.- 2001.

36. Kargapoltsev S., Kitching J., Hollberg L., Taichenachev A. V., Velichanski V. L., Yudin V. I. High-contrast dark resonance in cr+ a- optical field // Laser Phys. Lett - 2004. - Vol. 1. - P. 495.

37. Kelley P., Harshman P., Blum, O., Gustafson T. // J. Opt. Soc. Am. В.- 1994. -Vol. 11.-P. 2298.

38. Knappe S., Liew L., Shah V., Schwindt P., Moreland J., Hollberg L., Kitching J. A microfabricated atomic clock // Appl. Phys. Lett. 2004. - Vol. 85. - P. 1460.

39. Knappe S., Schwindt P., Shah V., Hollberg L., Kitching J., Liew L., Moreland J. A chip-scale atomic clock based on 87Rb with improved frequency stability // Opt. Exp. 2005. - Vol. 13.- P. 1249.

40. Kolachevsky N., Fischer M., Karshenboim S., H'dnsch T. High-precision optical measurement of the 2S hyperfine interval in atomic hydrogen // Phys. Rev. Lett. 2004. - Vol. 92.- P. 033003.

41. Kourogi M., Widiyatomoko В., Takeuchi Y., Ohtsu M. // IEEE J. Quantum Electron, 1995. - Vol. 31. - P. 2120.

42. Liu K., Littman M. G. Novel geometry for single-mode scanning of tunable lasers // Opt. Lett. 1981. - Vol. 6.- P. 117.

43. Morgner U., et al. Sub-two cycle pulses from a kerr-lens modelocked Ti:sapphire laser // Opt. Lett. 1999. - Vol. 24, no. 6. - Pp. 411413.

44. Nakagava N., Kourogi M., Ohtsu M. // Appl.Phys.B.- 1993.-Vol. 57.-P. 425.

45. Nikonov D., Rathe JJ., Scully M., Zhu S., Fry E., et al Ц Quantum Opt.- 1994.-Vol. 6.-P. 245.

46. Т. Schibli, О. Kuzucu, J. Kim, E. Ippen, J. Fujimoto, F. Kaertner, V. Scheuer, G. Angelow // IEEE J. Set Top. Quantum. Electron. — 2003.-Vol. 9.-Pp. 990-1001.

47. Phillips D., Fleischhauer A., Mair A., Walsworth R., Lukin M. // Phys.Rev.Lett. 2001. - Vol. 86. - P. 783.

48. Prevedelli M., Freegarde Т., Hansch T. Phase locking of grating-tuned diode lasers // Appl. Phys. B. 1995. - Vol. 60. - P. 241.

49. Sokolov A. V., Akimov A. V., Tereshenko E. O., Kondratjev D. A., Samokotin A. Y., Chebakov K. A., et al. Comb-based bichromatic spectroscopy in rb vapor // ЮАР 2006, Book of Abstracts, 16-21 July, Congress Innsbruck. — 2006. — P. 526.

50. Stabler M., Wynands R., Knappe S., Kitching J., Hollberg L., Taichenachev A., Yudin V. Coherent population trapping resonances in thermal Rb-85 vapor: D-l versus D-2 line excitation // Optics Letters. 2002. - Vol. 27. - P. 1472.

51. Sutter D., et al. Semiconductor saturable-absorber mirror-assisted kerr lens modelocked Ti:sapphire laser producing pulses in the two-cycle regime // Opt. Lett. 1999. - Vol. 24, no. 9. - P. 631.

52. Taichenachev A. V., et. al. // Phys. Rev. Lett. 2006. - Vol. 96. -P. 083002.

53. Taichenachev A., Yudin V., Velichansky V., Zibrov A., Zibrov S. Pure superposition states of atoms generated by a bichromatic el-liptically polarized field // Phys. Rev. A.- 2006.- Vol. 73.-P. 013812.

54. Telle H., Meschede D., Hansch T. // Opt.Lett 1990. - Vol. 15. -P. 532.

55. Udem Т., Reichert J., et.al. // Freq.Measurement and Control Topics Appl.Phys. 2001. - Vol. 79. - Pp. 275-294.

56. Weis A. High resolution experiments with spin-polarized atoms // Book of Technical Digest IQEC 2002, YSuAl, Moscow, Russia.-2002.

57. Wynads R., Nagel A. // Appl Phys. В.- 1999.- Vol. 68.- P. 1.

58. Ye J., Cundiff S. T. Femtosecond Optical Frequency Comb Technology. — Springer, 2005.

59. Zhavoronkov N., Korn G. // Phys. Rev. Lett. 2002. - Vol. 88.-P. 203901.