Когерентнтное пленение населённости м егоиспользование в процессах резонансногонелинейного преобразования частоты тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Го 0 ^ , 1 № ®3

На правах рукописи

МАНУШКИН Дмитрий Витальевич

Когерентнтное пленение населённости м его использование в процессах резонансного нелинейного преобразования частоты

Специальность 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Красноярск - 1998

I'aoofa выполнена в лаборатории когерентной оптики института физики СО • РАН, г. Красноярск.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук,

профессор Слабко В.В.

кандидат физико-математических наук, с.н.с. Архипкни В.Г. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ветров С.Я.

кандидат физико-математических наук, доцент Сорокин A.B.

Ведущая организация:

Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск

Защита состоится 24 декабря 1998 г. в 14 чабов о аудитории Г2-22 на заседании диссертационного совета Д 064.54.02 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, г.Красноярск, ул. Киренского, 26. Тел. (8-3912) 49-79-90, 49-7.6-19

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, с подписью составителя, заверенные гербовой печатью организации, просим высылать по указанному адресу на имя учёного секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан 23 ноября 1998 г.

Учёный се'кретарь диссертационного совета к.т.н., доцент П.Н Сильченко

Актуальность проблемы. Широкое применение лазерного излучения определило появление и развитие такого направления, как нелинейная огггнка. Изучение и использование на практике нелинейных оптических эффектов ведет к созданию новых устройств и технологий, предназначенных для решения задач, выполнение которых сложно или даже невозможно средствами линейной оптики. В качестве примеров можно привести такую область как преобразование оптических частот, где когерентное излучение, генерируемое лазером в одном диапазоне спестра, преобразуется в когерентное излучение, лежащее в совершенно другом (этим способом можно получать когерентное излучение в таких участках спектра, которые не перекрываются частотами излучения самих лазеров). При этом не стоит задача создания инверсии населенности, которая особенно трудно решается для области коротких дайн волн.

Указанная возможность открывает перспективы для решения ряда

прикладных задач:

1. Преобразование частоты вверх. Многоволновое смешение частот позволяет получать коротковолновые излучения в диапазоне от мягкого н вакуумною ультрафиолета до ультра-мягкого рентгеновского, намечая, в перспективе, пути к созданию рентгеновского лазера.

2. Преобразование инфракрасного излучения в видимую область. Широкое использование в системах лазерной локации когерентного ИК излучения и отсутствие эффективных фотопрнёмных устройств в этом диапазоне (-10 мкм) требует поиска новых подходов к этой проблеме. Средствами нелинейной оптики возможно осуществить преобразовать ИК излучения в видимый или УФ дидпазон с последующим детектированием эффективными фотоприёмниками.

В связи с тем, что в ультрафиолетовой и ,инфракрасной областях спектра выбор нелинейных кристаллов для генерации ограничен по сравнению с видимым диапазоном, наиболее перспективным для них является применение процессов многоволнового смешения частот в газовых

(молекулярных и атомарных) средах. Генерация третьей гармоники и более общие процессы смешения в настоящее время достаточно хорошо изучены и широко используются. Они обладают и рядом других преимуществ по сравнению с кристаллическими средами, в частности, высокой однородностью и лучевой стойкостью.

Путём к увеличению эффективности нелинейно-оптического преобразования является использование резонансных процессов (резонансная оптика). Известно, что нелинейный оптический отклик среды сильно возрастает при одно- и многофотонных резонаксах. Большие нелинейности, обусловленные узкими резонансами в атомарных газах, позволяют наблюдать нелинейные эффекты при относительно низких мощностях лазеров на красителях с перестраиваемой частотой излучения, в том числе, и в непрерывном режиме. Однако, поглощение также сильно увеличивается вблизи резонансов, что не позволяет работать на больших оптических длинах нелинейных сред. Тем не менее, существует ряд эффектов, позволяющих преодолеть это противоречие. Один из них - эффект когерентного пленения населённости (КПН). КГШ приводит как к появлению больших населенностей в определенных состояниях когерентно сфазированных

молекулярных или атомных частиц (населённости уровней |0) и ¡2) равны

друг другу и 'Л, а уровень |1) практически незаселён - см. рис.1(а), рис.1(б)), так и к большой когерентности на двухфотонко резонансном переходе |0)-|2) (вплоть до максимально возможной). Используя КПН, можно уменьшить поглощение взаимодействующих волнч сохраняя при этом резонансный характер нелинейной поляризации, которая, может иметь тот же порядок что и линейная поляризация и даже превышать её. Более того, можно совместить минимум поглощения с максимумом нелинейной поляризации, ответственной за оптическую генерацию, и одновременно достигнуть

фазового согласования, что позволяет увеличить концентрацию молекул или атомов нелинейной среды. Таким образом, явленне КПН может ириводтъ к увел'гченшо эффективности нелинейной оптической генерации при одно- и двухфотонном резонансах.

■|2>

-10

-|0>

7Г

ш,

О),

V

ь>

■|1>

•1°)

Рис.1 Типылрёхуровневых схем взаимодействия атомов с полями, а - Л- схема, б - каскадная схема.

Наряду с задачами преобразования частот в непрерывном режиме актуальна, проблема преобразования короттшх импульсов лазерного излучения, применяемых, а частности, в лазерной локации. Импульсный эффект когерентного пленения населённости позволяет, как и в непрерывном случае, добиваться больших значений нелинейной поляризации при минимальном поглощения участвующих в смешении полей.

Целью диссертаипи является исследование эффекта КПН в импульсном и непрерывном режимах с учётом распространения взаимодействующих импульсов и изучение его влияния на эффективность преобразования частот в молекулярных и атомных средах как для генерации жёстких коротковолновых излучений в непрерывном и импульсном режимах, так и для преобразования импульсов ИК излучения в видимый диапазон, перекрываемый существующими фотоприёмниками. При этом необходим учёт эффектов теплового доплеровского уширения переходов, а так же распределения населённости по колебательным подуровням молекулярных квантовых систем.

Научная новизна и практическая значимость.

В результате проделанной работы показано, что эффективность процессов смешения и преобразования частот может быть значительно повышена за счёт использования эффекта когерентного пленения населённости. На практике возможно применение предложенных методов для генерации коротковолновых излучений, получения когерентных перестраиваемых источников света в спектральных областях не перекрываемых существующими лазерами, для преобразования ИК-излучения в видимый диапазон, что может использоваться как в лазерной локации, так и для визуализации изображений ИК-диапазона.

В работе исследован процесс когерентного пленения населённости в трёхуровневой Л —системе (рис.1(а)) в непрерывном режиме с учетом доплеровского уширения резонансных переходов. Показано, что КПН сохраняется на расстояниях значительно превышающих длину линейного поглощения слабого поля.

Исследованы особенности эффекта КПН для случая молекулярных систем с колебательной структурой квантовых уровней. Предложена упрощённая модель, для которой сформулированы условия существования эффекта и проанализированы некоторые его особенности.

Исследованы особенности пространственного распространения двух задержанных (эффект АПН) и совмещённых (импульсный КПН) гауссовых импульсов в среде трехуровневых атомов в условиях адиабатического переноса населенности. Установлено, что в обоих случаях эффекты сохраняются на длинах, значительно превышающих длину поглощения слабого пробного импульса в отсутствие контролирующего излучения. На этих же расстояниях сохраняется наведённая на двухфотонном переходе максимальная когерентность.

Изучены процессы преобразования и смешения частот с использованием эффекта КПН в непрерывном и импульсном режимах с учбтом особенностей, связанных с распространением излучений по среде.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях и семинарах: НКСФ-95. (Красноярск, 1995), НКСФ-96. (Красноярск, 1996), XXXV Международная научная студенческая конференция. (Новосибирск, НГУ, 1997), XI International Vavilov Conference.(Moscow, Russia, 1998), CLEO/EUROPE-EQEC'98. (Glasgow, Scotland, 1998), XVI International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO'98). (Moscow, Russia, 1998), Первый всероссийский семинар "Моделирование неравновесных систем - 98" (Красноярск, 1993), семинар лаборатории когернтной оптики института физики им. JI.B. Киренского СО РАН, семинар . кафедры ВЭПОМ Красноярского государственного технического университета.

Публикации:

По'теме диссертации опубликовано 10 работ, а том числе 2 в центральной печати.

На защиту выносятся следующие положения; 1. В непрерывном режиме в условиях когерентного пленения населённостей « два сильных лазерных излучения могут распространяться в оптически

плотной среде трёхуровневых атомов на расстояния много большие линейной длины поглощения слабого поля, создавая при этом максимальную когерентность на' двухфотошюм переходе. Указанный эффект сохраняется при тепловом доплеровском уширении квантовых переходов.

2. Эффект КПН может проявляться в молекулярных системах с колебательной структурой уровней при наличии теплового больцмановского заселения подуровней цижнего электронного состояния.

3. При импульсном адиабатическом воздействии на среду трехуровневых атомов (молекул) двух разнесенных по времени лазерных импульсов возможен практически полный перенос населённости с основного энергетического состояния в возбуяздёнлое (АПН), т.е. наблюдается полная инверсия на двухфотонном переходе. В случае же прохождения двух совпадающих сильных лазерных импульсов через трёхуровневую атоыоно-молекулярную среду возможно получение максимальной когерентности на двухфотонном переходе. И в том и в другом случае глубина проникновения излучения в среду много больше длины хвтйшюго поглощения слабого импульса.

4. В непрерывном режиме в оптически плотной среде возможно осуществлять резонансное четырёхволновое смешение частот с использованием эффекта КПН для генерации излучения в ближней УФ области (Я = 350.1 им, атомарный барий), а так же в области жесткого ультрафиолета (X — 208 нм, атомарный кальций), с высокой квантовой эффективностью.

5. Возможно осуществлять преобразование коротких импульсов излучения

СОг лазера (Я = 10.6 мкм) в ближш.н УФ диапазон в парах атомарного цезия с квантовой эффективностью в несколько десятков процентов.

Объём диссертации и сё структура

Представляемая диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объём - 130 страниц печатного текста, включая 43 рисунков. Библиографический список содержит 101 наименование.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ппслснии формулируется актуальность и практическая значимость поставленной задачи, основные положения, выносимые на защиту, в сокращенной форме излагается содержание работы.

В главе } представлен обзор литературы по методам и достижениям в области многоволнового смешения частот, генерации УФ, ВУФ и ультрамягкого рентгеновского излучений, по существующим технологиям лазерной инфрзхрасной локации, основным проблемам, возникающим в этой области, а так же по сущности и применению эффекта когерентного пленения населённостей. Обзор подтверждает целесообразность постановки решаемых в диссертации задач.

Глава II посвящена изучению эффекта когерентного пленения населённостей в трйхуровненвых атомно-молекулярных системах. Эффекг КПН рассмотрен с учётом распространения двух сильных взаимодействующих излучений в нелинейной среде. Исследовано движение населённостей квантовой системы, поведение показателей поглощения и

преломления полей, а так же атомной когерентности |/?2о| на дипольно

запрещённом переходе |0)~(2) в зависимости как от отстройки сильного поля, так и от пространственной координаты. Без учёта распространения модуль недиагонального матричного элемента, полученный из решения

системы уравнений для матрицы плотности |Ргс| даётся соотношением

Рго = "^кА, [(Л> - Рг)А*,2 + Д10О2 ~ А)]' Д"'i (*)

Д=А10А20Д12>Д12*|С12|2 + Л10|Сш|2 (2)

Здесь Pi - диагональные элементы матрицы плотности, определяющие населённости соответствующих уровней; ^ю =Цо—= ^21 — '^2i>

_djEiJ

^20 где Ду - отстройки; Ц/—- частоты Раби, dv,Ey-

дипольный момент и амплитуда электрического поля на переходе \ j') > соответственно; Ц/ - скорости релаксации недиагональных Г

элементов матрицы плотности, 1 / - ширины уровней.

КПН рассматривался для систем с догшеровским уширением^ квантовых переходов, обусловленным тепловым движением атомов среды. Здесь так же рассмотрен вопрос о существовании эффекта КПН в молекулярных системах, имеющих помимо электронной колебательную структуру уровней. Особенность взаимодействия такой системы с электромагнитным излучением состоит, в частности, в том, что не все переходы взаимодействуют с монохроматическими полями резонансно. Кроме того, в отличие от атомарных систем, где можно считать всю населённость в начальный момент времени (до включения полей) сосредоточенной в нижнем электронном состоянии, здесь имеет место тепловое заселение нижних колебательных уровней основного элекзронного состояния согласно закону Больцмана.

В работе построена упрощённая модель для двухатомной молекулы, на основе сё исследования найдены условия существования эффекта и егб основные особенности в молекулярных системах.

В главе III рассматривается поведение многоуровневых атомно-молекулярных квантовых систем при адиабатическом воздействии коротких

импульсов сильных лазерных излучений, имеющих огибающую гауссовой формы. Изучены особенности такого взаимодействия для случая разнесённых импульсов одинаковой длительности (эффект адиабатического переноса населённости - АПН), в результате чего вся населённость системы переходит из основного квантового состояния в возбуждённое (полная инверсия) и для случая совпадающих импульсов разной длительности (эффект КПП в импульсном режиме), когда на двухфотонном переходе квантовой системы наводится максимальная когерентность. Оба эффекта рассмотрены с учётом распространения взаимодействующих импульсов и доплеровского уширеиия переходов квантовой системы.

Четвертая, заключительная, глава посвящена изучению различных схем четырёхволнового смешения с использованием эффектов когерентного пленения населённости, рассмотренных в предыдущих главах. В главе предложены и проанализированы схемы квантовых переходов для генерации мягкого и жесткого УФ излучения в непрерывном режиме и для эффективного н'ерезонансного преобразования частоты коротких импульсов С02 лазера (Л = 10.6 мкм) в ближний ультрафиолетовый диапазон. Основная идея, использованная в главе, такова. При КПН атомная

когерентность \Pio\ может достигать максимальной величины '/г, когда

амплитуды вероятностей квантовых состояний |0) и |2) равны (но

противоположны по знаку), а амплитуда вероятности |l) стремится к нулю.

Фазовая когерентность \рм\ может быть рассмотрена как сильный осциллятор. Третье лазерное поле Ез взаимодействует с этим осциллятором и преобразовывается в излучение с суммарной или разностной частотой.

Поляризация определяется когерентностью

Ы (1), которая возрастает при

КПН:

Р№(а,л) = ХК1Е,Ег*Еъ = РтЕъ (3)

Ш4

Следовательно, она может быть больше, чем нелинейная поляризация в традиционных процессах нелинейного резонансного преобразования частоты в газах. Возрастание нелинейной поляризации приводит к повышению эффективности преобразования.

Основные результаты паботы

1. Продемонстрировано, что в условиях когерентного пленения населённостей в трёхуровневой Л-системе два сильных лазерных излучения проникают в атомно-молекулярную среду на расстояние много большее длины линейного поглощения, при этом на дипольно-запрещённом-двухфотонном переходе наводится и сохраняется атомная когерентность, близкая к максимально возможной. Показано, что в случае теплового доплеровского уширения квантовых переходов эффект КПН так же может проявляться в системе, однако, для его наблюдения требуются большие интенсивности лазерного излучения.

2. Предсказано существование КПН в молекулярных системах с колебательной структурой подуровней. Найдены основные условия его наблюдения на примере двухатомной молекулы. Выполненное исследование позволяет значительно расширить класс объектов, в которых возможно существование КПН.

3. Исследовано распространение двух коротких совпадающих лазерных импульсов в оптически плотной нелинейной трехуровневой среде - эффект когерентного пленения населённости. Показано что в импульсном режиме в условиях КПН излучения проникают в атомно-молекулярную среду на расстояние много большее длины линейного поглощения слабого импульса, а

на двухфотонном переходе наводится максимально возможная атомная когерентность. Эффект может быть использован для эффективного резонансного смешения частот в импульсном режиме.

4. Рассмотрен процесс адиабатического переноса населённости. Исследована пространственная и временная эволюция двух лазерных импульсов в условиях АПН. Показано, что происходит практически полный перенос населённости с нижнего (основного) состояния в возбуждённое, т.е. создаётся практически полная инверсия на дипольно запрещённом переходе на длине среда, существенно превышающей длину линейного поглощения. Продемонстрировано существование эффектов КПН и АПН в системах с тепловым доплеровским уширением.

5. Исследован процесс резонансного четырехволнового нелинейного рамановского смешения частот в условиях когерентного пленения населённости в непрерывном режиме на примере конкретных переходов атома бария. Продемонстрирована возможность нелинейной генерации в условиях КПН с высокой квантовой эффективностью.

6. Изучена возможность использования эффекта когерентного пленения населённости для преобразования лазерного излучения в коротковолновую область (жесткий ультрафиолет). Продемонстрировано значительное увеличение эффективности процесса на примере четырйхволнового смешения частот в каскадной квантовой системе (атомарный кальций).

7. Показана возможность высокоэффективного преобразования импульсного длинноволнового излучения С02 лазера в ближнюю УФ область в парах атомарного цезия при использовании эффекта КПН. Проведённые исследования открывают путь к созданию устройств и технологий, позволяющих значительно повысить эффективность лазерной ИК локации за счёт возможности применения фотодетекторов видимого и ближнего УФ диапазона.

Основные публикации по теме диссертации

1. Архипкин В.Г., Мысливец СЛ., Манушкин Д.В., Попов А.К. Резонансное рамановское смешение частот в условиях когерентного пленения населенностей // Квантовая электроника. - 1998. - Т. 25, №7,655-660.

2. Arkhipkin V.G., Myslivets S.A., Manushkin D.V., Popov А.К. Resonant Raman-type mixing using coherent population trapping // Proc. XI International Vavilov Conference. SPIE, V 3485, p.525-530 - 1998.

3. Манушкин Д.В., Резонансное рамановское смешение частот в условиях когерентного пленения населенностей.//Вестник КГТУ: Сборник научных статей аспирантов и студентов. Вып.9//Под ред. С.Г. Овчншгакова. Красноярск: Изд-воКГТУ, 1997. с.10-17.

4. Архипкин В.Г., Манушкин Д.В., Мысливец С.А., Попов А.К. Эффективное нелинейное смещение частот непрерывных лазеров в условиях когерентного пленения населснносгей.//МНС-98: Тезисы докладов перзого всероссийского семинара'/Под ред. В.В. Слабко. Красноярск: КГТУ, 1998. с.12

5. Архипкин В.Г., Манушкин Д.В., Тимофеев В.П., Слабко В.В. Распространение гауссовских импульсов в условиях адиабатического переноса населённости.//МНС-98: Тезисы докладов первого всероссийского семинара// Под ред. В.В. Слабко. Красноярск: КГТУ, 1998. с.13

6. V.G. Arkhipkin, D.V. Manushkin, V.P. Timofeev. Propagation of Delayed Laser Pulses in a Three-Level Medium.// CLEO/EUROPE-EQEC'98: Advance programme// Glasgow, Scotland, 1998, p.99

7. V.G. ^Arkhipkin, S.A. Myslivets, D.V. Manushkin, A.K. Popov. Four-Wave Mixing Enhanced by Coherent Population TrappingV/CLEO/EUROPE-EQEC'98: Advance programme// Glasgow, Scotland, 1998, p.100

8. V.G. Arkhipkin, D.V.Manushkin, V.P.Timoftev. Propagation of Gaussian Pulses Under Condition of Adiabatic Population Trausfer.//XVI International

Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO'98) Technical digest. Moscow, Russia, 1998, p.264 9. V.G.Arkhipkin, S.A.Mystivet.s, D.V. Manushkin, A.K.Popov. // Efficient Nonlinear Frequency Mixing in CW Regime Using Coherent Population Trapping // XVI International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONQ'98) Technical digest. Moscow, Russia, 1998, p.264 Ю.Манушкин Д.В. Резонансное романовское смешение в условиях когерентного пленения населЕнностей.//НКСФ-96, сборник тезисов, Красноярск, 1996, с.35

Соискатель: чг^гСТЕ^

Отпечатано на ротапринте КГТУ 660074, Красноярск," ул.Киренского,26 Тираж 100 экз. Заказ 2441.