Лазерная спектроскопия нелинейных резонансов в самарии в присутствии столкновений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

АКИМОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ РЕЗОНАНСОВ В САМАРИИ В ПРИСУТСТВИИ СТОЛКНОВЕНИЙ

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 2003

Работа выполнена на кафедре квантовой радиофизики Московского Физико-Технического Института (Государственного Университета).

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор, Сорокин Вадим Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук профессор, Губин Михаил Александрович

доктор физико-математических наук профессор, Смирнов Валерий Васильевич

Ведущая организация - Институт спектроскопии РАН (г. Троицк).

Защита состоится в _ часов на заседании

Диссертационного Совета К212.156.05 при Московском физико-техническом институте по адресу:

141700, г.Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., д. 9, Московский физико-технический институт.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ

Автореферат разослан <__>_2003 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета_С.М. Коршунов

Актуальность темы

Высокая потенциальная добротность оптических резонансов (вплоть до 10") делает их серьезными конкурентами современному радиочастотному стандарту частоты. Благодаря разработке генератора фемтосекундной гребенки, позволяющего осуществить прямую связь радиочастотного и оптического диапазона частот, в настоящее время возрос интерес к использованию высокодобротных оптических резонансов в качестве реперов частоты стандарта [1]. Особый интерес представляют узкие резонансы в трехуровневых системах. Широко обсуждаются перспективы применения таких резонансов в метрологии [2], магнитометрии и медицине [3,4].

Одним из перспективных узких резонансов в трехуровневой системе под воздействием бихроматического поля является резонанс когерентного пленения населенности (КПН) [2,3,5]. Резонанс проявляется как провал в контуре поглощения при соблюдении жесткого условия на частоты световых полей: разница частот световых полей должна равняться частоте запрещенного перехода между нижними компонентами Л-системы. Резонанс КПН, таким образом, может быть использован в качестве репера для создания новых стандартов частоты, в которых стабилизируется разностная частота.

Недавно было предложено использовать резонансы когерентного пленения населенности при реализации ячейки памяти квантового компьютера [6,7]. Идея заключается в возможности перевести атомную систему (например, в атомах рубидия) в когерентное состояние с плененной населенностью при помощи бихроматического поля, а затем считать "записанную" информацию с помощью монохроматического поля. Время хранения информации в такой ячейке определяется временем жизни когерентного атомного состояния. Существенную роль при этом приобретает наличие в такой ячейке буферного за счет

| С.Петербург о* [Л

3 ' 09 30ЙюЛЖ

столкновений увеличить время жизни когерентности и заметно сузить резонансы КПН [3,8].

Использование эффекта сужения резонанса за счет столкновений с атомами буферного газа позволяет получать узкие резонансы КПН в кюветах. При соответствующем выборе нижних долгоживущих уровней могут наблюдаться чрезвычайно узкие резонансы с добротностью со/Д<у вплоть до 10м. Такая возможность обсуждалась в работе [5]. Высокая добротность резонансов КПН позволяет рассматривать атомную систему с плененной населенностью в качестве вторичного стандарта частоты, в котором с высокой точностью стабилизирована разность оптических частот Дй) = ¿у, - ю2. Использование таких резонансов в газонаполненных кюветах в качестве реперов частоты обладает рядом преимуществ: установки, использующие кюветы, могут быть значительно компактнее, чем пучковые установки, их легче изолировать от внешних полей, значительно легче создать мобильный вариант стандарта.

Магнитометрические приложения предполагают измерение расщепления резонансов в магнитном поле, поэтому ширина резонанса во многом определяет чувствительность магнитометра. Так, например, магнитометр, предложенный в работе [3], использует расщепление резонансов КПН в магнитном поле в цезии с неоном в качестве буферного газа. Чувствительность такого компактного магнитометра составляет около 500 фТл/т/Гц. При этом размеры чувствительного элемента магнитометра не превышают спичечного коробка. Предельная теоретическая чувствительность магнитометра на резонансах КПН сравнима с чувствительностью современных магнитометров СКВ ИД, что в частности позволяет рассчитывать на их использование в медицине [9].

Цель работы

Работа посвящена экспериментальному изучению высокодобротных нелинейных резонансов (резонансов когерентного

пленения населенности, оптической накачки и насыщения) в открытой Л -системе атома самария 4/6б52(7Р0)-»4/6('Об5бр(3Р0)'Р1->4/6б52(7Я;)

(рис 1). Выбор системы обусловлен большой величиной расщепления нижних уровней. Кроме того, согласно имеющимся данным нижние уровни этой системы хорошо экранированы от влияния столкновений [11]. Поэтому потенциальная добротность резонанса КПН в выбранной системе высока. Также предполагалось исследовать структуру уровней, образующих эту систему.

В диссертационной работе защищаются

• Идентификация линий, принадлежащих различным изотопам и компонентам сверхтонкой структуры переходов 4 Гбв\Х) 4/6(7Р)б5бр(3Р°)9Р1°)

4/6б52(7Р,)~» 4f6CF)6s6p(>P0)9Flo.

• Определение сверхтонкой структуры и относительного изотопического сдвига верхнего уровня 4/'6(7Р)б5бр(3Р0)9Р° и нижнего уровня 4/6б52(7Р,). Измерение изотопического сдвига спектральных линий, соответствующих переходам с низколежащих компонентов тонкой структуры.

• Экспериментальное определение частоты перехода в 4/6б52(7Р0)->4/6(7Р)б5бр(3Р0)9Р1° в ""Бт - 14863,7305 ±0,0015 см"1

• Экспериментальная регистрация резонансов когерентного пленения населенности в открытой А-системе в атоме 1545т 4/6б52(7Р0) —» 4/6(7Р)б5бр(3Р°)9Р|° -> 4/6б52(7Р,).

• Экспериментальное исследование формы резонансов когерентного пленения населенности в зависимости от направления внешнего постоянного магнитного поля. Анализ зеемановского расщепления резонансов КПН в поперечном и продольном магнитных полях при

линейных ортогональных поляризациях лазерных полей и определенные значения расщеплений в продольном и поперечном магнитном поле

• Изучение поведения спектров селективной по скоростям оптической накачки в зависимости от давления буферного газа на базе модели твердых сфер.

• Результаты экспериментального изучения поведения узких резонансов когерентного пленения населенности и оптической накачки в открытой трехуровневой системе атома самария в зависимости от давления буферного газа. В частности перекрытие резонансов КПН и оптической накачки при определенных давлениях буферного газа.

Научная ценность работы

• Зарегистрированы спектры насыщенного поглощения в парах естественной смеси изотопов самария в окрестности длин волн 672 и 686 нм.

о Определены сверхтонкая структура и относительный изотопический сдвиг верхнего уровня 4/6(7Р)б5бр(3Р0)9Я]° и нижнего уровня 4/6б5г(7Р,). Измерен изотопический сдвиг спектральных линий, соответствующих переходам с низколежащих компонентов тонкой структуры, о Получены константы сверхтонкой структуры указанных уровней, о Уточнена частоты перехода в 4/<б52(7Р0)-»4/гв(7Р)б5бр(3Р0)9Р1° в ш5т - 14863,7305 ± 0,0015 см"'.

• Экспериментально зарегистрированы резонансы когерентного пленения населенности в открытой А-системе в атоме 1545т 4/6б52(7Р0)—> 4/6(7Об5бр(3Р0)'Р1° _). 4/6б52(7Р,).

о Экспериментально изучено поведение узких резонансов когерентного пленения населенности и оптической накачки в

открытой трехуровневой системе атома самария в зависимости от давления буферного газа и магнитного поля, о Обнаружено явления перекрытия резонансов КПН и оптической накачки при определенных давлениях буферного газа.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 5-ти научных статьях[5,10, 12, 13,14]

Апробаиия работы

Материалы диссретационной работы докладывались на:

• XVII International Conference on Atomic Physics (ICAP 2000), Florence, 2000 [17]

• XLIII научной конференции Московского физико-технического института, Долгопрудный, 2000 [18]

• XVII International Conference on Coherent and NonLinear Optics (ICONO 2001), Минск, 2001 [19,16]

• Российско-французском лазерном симпозиуме RFLS'2001, Суздаль, 2001 [20]

• XXII съезде по спектроскопии, Звенигород, 2001 [21]

• International Quantum Electronics Conference, (IQEC 2002), Москва, 2002 [22]

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из трех глав, введения и заключения, содержит библиографию из 47 наименований. Полный объем работы составляет 99 страниц.

Краткое содержание работы

Во Введении сформулирована цель работы и обоснованна ее актуальность. Приведен обзор имеющихся спектроскопических данных, относящихся к исследуемому атому, а также исследований резонансов когерентного пленения населенности.

В главе 1 рассматривается экспериментальное отождествление спектральных линий изотопов самария методом насыщенного поглощения в области переходов в атоме вт, вовлеченных в исследуемую Л -систему. Приведено детальное описание экспериментальной установки и используемого метода эксперимента. Приведены и проанализированы полученные экспериментальные спектры (таблица 1).

Бгп обладает семью стабильными изотопами, содержание которых в естественной смеси следующее: 1448ш - 3%, 1478ш - 15%, 1488ш - 11%, 1498т - 14%,1308ш - 7%, ,528т - 27.%, |54Бш - 23% [15]. Четные изотопы |448т, 1488ш, 1508т, 1528ш, 1548т обладают нулевым ядерным спином. Нечетные изотопы 1478т,1498ш обладают одинаковым ядерным спином I = 7/2, но различными ядерными квадрупольными моментами.

Был измерен изотопический сдвиг спектральных линий, соответствующих переходам с низколежащих компонентов тонкой структуры. С использованием йодного эталона определена частота перехода 4/6б52(7Р0)->4/6(7Р)б5бр(3Р°)9/г1° в 1МБт - 14863,7305 + 0,0015 см'1. Найдены константы сверхтонкой структуры нижнего 4/6б52(7/^) и верхнего уровней 4/6(7Р)б5бр(3Р0)9Р1° нечетных изотопов (таблица 2).

В главе 2 описана экспериментальная установка для регистрации резонансов КПН, а также приведена простейшая теория резонансов КПН. Приведены спектры резонансов когерентного пленения населенности, впервые экспериментально зарегистрированные в открытой Л - системе (рис. 1) в атоме '"Бт 4/6б52(7Р0)->- 4/6(7Р)б5бр(3Р0)9Р,° -> 4/6б52(7Р,).

Спектры регистрировались с помощью двух перестраиваемых по частоте полупроводниковых лазеров путем сканирования лазера на 686 нм около соответствующего резонансного перехода. Частота лазера на 672 нм привязывалась к пику пропускания стабильного интерферометра вблизи точного резонанса с переходом 4/6б52(7Р0)->4/г6(7Р)б5бр(3Р0)9Р,°. Лазерные пучки сбивались на поляризационном кубе и направлялись в кювету с парами самария. С помощью модуляционной техники регистрировались спектры изменения в поглощении одного из лазерных пучков, обусловленные присутствием другого.

Приведены результаты экспериментального исследования формы резонансов когерентного пленения населенности в зависимости от направления внешнего постоянного магнитного поля. Проведен анализ зеемановского расщепления резонансов КПН в поперечном и продольном магнитных полях при линейных ортогональных поляризациях лазерных полей. Определено, что расщепление в поперечном магнитном поле примерно в 25 раз превышает расщепление в продольном поле.

Кроме того, приведены экспериментально зарегистрированная аномальная зависимость ширины "темного" резонанса от давления буферного газа. Быстрый рост ширины резонанса не соответствует имеющимся данным об экранировке нижних уровней [11] и сделанным теоретическим оценкам. Объяснение этой зависимости приведено в главе 3. Также выявлена зависимость крыльев спектра наведенного поглощения от давления буферного газа.

В главе 3 рассматривается зависимость резонансов оптической накачки, сопровождающих резонансы КПН, от давления. Экспериментально исследована селективная по скоростям оптическая накачка в атоме самария. В рамках модели твердых сфер описано поведение крыльев наблюдаемого спектра селективной по скоростям

оптической накачки от давления буферного газа. Получено значение сечения столкновений а = 35 + 7А2.

В главе также проведено экспериментальное изучение поведения узких резонансов когерентного пленения населенности и оптической накачки в открытой трехуровневой системе атома самария в зависимости от давления буферного газа. Показано, что при определенном давлении резонанс оптической накачки меняет знак и его вклад в формирование "темного" резонанса становится значительным. Также изучено расщепление резонансов оптической накачки в магнитном поле.

В Заключении диссертации сформулированы основные результаты.

Основные результаты:

1. Методом насыщенного поглощения зарегистрированы спектры переходов 4/г6б52(7Р0)->4/6(7/г)б5бр(3Р0)9Р1° и 4/6б52(7Р1)^4/6(7Р)б5бр(3Р0)9Р1° на длинах волн 672 нм и 686 нм в атоме 8т со спектральным разрешением ~108. Идентифицированы линии, принадлежащие различным изотопам и компонентам сверхтонкой структуры. На основании экспериментальных данных определены константы сверхтонкой структуры верхнего уровня 4/6(7Р)б5бр(3Р0)9Р,° и нижнего уровня 4/бб52(7Г,). Измерен изотопический сдвиг спектральных линий, соответствующих переходам с низколежащих компонентов тонкой структуры. Значительно уточнена частота перехода в 4/6б52(7Г0) —» 4/6(7Р)б5бр(3Р0)9Р1° в 1545т - 14863,7305 ± 0,0015 см"1

2. Зарегистрированы резонансы когерентного пленения населенности в открытой Л - системе в атоме ,545т, образованной следующими уровнями: основным состоянием 4/6б52(7Р0), первой компонентой

тонкой структуры основного состояния 4/6б52(7/^) и верхним уровнем 4/6(7Р)б5бр(3Р0)9Р1°.

Экспериментально исследована форма резонансов когерентного пленения населенности в зависимости от направления внешнего постоянного магнитного поля. Проведен анализ зеемановского расщепления резонансов КПН в поперечном и продольном магнитных полях при линейных ортогональных поляризациях лазерных полей. Определено, что расщепление в поперечном магнитном поле примерно в 25 раз превышает расщепление в продольном поле. Экспериментально изучено поведение узких резонансов когерентного пленения населенности и оптической накачки в открытой трехуровневой системе атома самария в зависимости от давления буферного газа. На базе модели твердых сфер теоретически объяснено поведение экспериментальных спектров селективной по скоростям оптической накачки в зависимости от давления буферного газа. Показано, что при определенном давлении резонанс оптической накачки меняет знак и его вклад в формирование "темного" резонанса становится значительным.

Все полученные результаты являются новыми и оригинальными.

Литература:

1. R.Holzwarth, Th.Udem, T.W.Hänsch, J.CKnight, W.J.Wadsworth, P.St.J.Russell, Phys. Rev. Lett., 85(11), 2264, (2000)

2. E. Arimondo, Prog. Opt. 35,257 (1996)

3. R. Wynads and A. Nagel, Appl. Phys. В 68, 1 (1999)

4. A.Weis, Book of Technical Digest IQEC 2002, "High resolution experiments with spin-polarized atoms", YSuAl .(Moscow, Russia, 2002)

5. H.H. Колачевский, A.B. Акимов, H.A. Киселев, A.A. Папченко, В.Н. Сорокин, С.И. Канорский, Квантовая электроника 31(1), 61, (2001)

6. D. F. Phillips, А. Fleischhauer, A. Mair, and R. L. Walsworth, M. D. Lukin, Phys. Rev. Lett., 86(5), 783, (2001),

7. A. Mair, J. Hager, D. F. Phillips, R. L. Walsworth, and M. D. Lukin, Phys. Rev. A, 65, 031802(R), (2002)

8. E. Arimondo, Phys. Rev. A, 54(3), 2216, (1996)

9. Marian O'Scully and Mihael Fleischhaner, Phys. Rev. Lett., 69(9), 1360, (1992)

10. H.H. Колачевский, A.B. Акимов, H.A. Киселев, A.A. Папченко, В.Н. Сорокин, С.И. Канорский, Оптика и спектроскопия, 90(2), 164, (2001)

11. Е.Б. Александров, В.Н. Котылев, В.Н. Кулясов, К.П. Василевский К.П, Оптика и спектроскопия, 54(1), 3, (1983)

12. Vladimirova J V, Grishanin В A; Zadkov V N, Kolachevsky N N, Akimov A V, Kiselev N A, Sorokin V N, Kanorski S I, Proc. SPIE 4749, 147, (2002)

13. Ю.В. Владимирова, Б.А. Гришанин, В.Н. Задков, H.H. Колачевский, A.B. Акимов, H.A. Киселев и С.И. Канорский, ЖЭТФ, 96(4), 629, (2003)

14. A.V. Akimov, A.V. Sokolov, N.N. Kolachevsky, A.N. Matveev, V.N. Sorokin and S.I. Kanorsky, Journal of Russian Laser Research, 24(2), 129, (2003)

15. V.D. Vedenin and V.N. Kulyasov Opt. Spectrosk. 59,1004, (1985)

16. Ю. В. Владимирова, Б.А. Гришанин, В. H. Задков, Н.Н. Колачевский, А. В. Акимов. Н. А. Киселев, С. И. Канорский, "Спектроскопия когерентных темных резонансов в самарии", тезисы докладов XVII Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, FS2, Минск, 26 июня - 1 июля 2001г.

17. N.N. Kolachevsky, A.V. Akimov, A.A.Papcenko, V.N. Sorokin, S.I. Kanorsky, "Bichromatic spectroscopy and coherent population trapping in samarium vapour", XVII International Conference on Atomic Physics (ICAP 2000), Florence, B8, June 4-9, 2000r.

18. A.B. Акимов, С.И. Канорский, H.H. Колачевский, А.А Папченко, В.Н. Сорокин, "Экспериментальное наблюдение резонансов когерентного пленения населенности в парах самария", XLIII научной конференции Московского физико-технического института, Тезисы докладов, 26, Долгопрудый, 24 ноября- 9декабря 2000г.

19. А.В. Акимов, Н.Н. Колачевский, Н.А. Киселев, В.Н. Сорокин. С.И. Канорский, "Темные резонансы в парах самария в присутствии столкновений, изменяющих скорость", тезисы докладов XVII Международной Конференции по когерентной и нелинейной оптике, Th018, Минск, 26 июня -1 июля 2001 г.

20. Н.Н. Колачевский, А.А. Папченко, Н.А. Киселев, В.Н. Сорокин. А.В. Акимов, С.И. Канорский, "CPT-Resonance in the presence of velocity changing collisions", Материалы Российско-французкого лазерного симпозиума RFLS'2001, Tue P-4, Суздаль, 30 сентября - 7 октября 2001г.

21. Н.Н. Колачевский, Н.А. Киселев, В.Н. Сорокин. А.В. Акимов, С.И. Канорский, "Перспективы применения резонансов когерентного пленения в метрологии. Роль столкновений с изменением скорости", Тезисы докладов, XXII съезд по спектроскопии, Звенигород, 8-12 октября 2001г.

22. A.V. Akimov, N.N. Kolachevsky, V.N. Sorokin, S.I. Kanorsky, "Л-resonance in the presence of velocity changing collisions", IQEC 2002 Book of Technical Digest, QSu07, Москва, 22 - 27 июня 2002 г.

|4) 9F, 4f66s6p

ч

\

-|3>7F2

\ 518 cm'

^ |2> 'F,

IX> 7F,

0

4f66s2

Рис. 1 Схема уровней атома Sm в исследуемой области.

Таблица 1 Идентификация зарегистрированных спектральных линий в естественной смеси изотопов самария. Частоты отсчитываются от соответствующих переходов в 1548т. Звездочкой отмечены наблюдаемые линии, соответствующие перекрестным резонансом.

N Изотоп F, Переход 652 -> 6x6р J = 0-+J = 1 /-/о.МГц Переход 6б2 -> б5бр J = l-> J = l /-/о,МГц F, Относ, сдвиг уровня 6sJ(J = l) МГц

1 IMSm 0 0 1 0 1 0

2 '"Sm 0 1218.8 + 0.8 1 1223 ±2 1 -4 + 2

3383 ±2 7/2 +4 + 2

3 lwSm 7/2 3387.3+0.8 9/2 3444 ±2(*) (*) -57 ± 2 (*)

3495 ±2 9/2 -108 ±2

4 li0Sm 0 3483.0+1.0 1 3494 ± 2 1 -11+2

4367 ±2 7/2 +59 + 2

5 l4/Sm 7/2 4426.0 + 0.8 9/2 4473 ± 2 (*) (*) -47 i 2 (*)

4579 ± 2 9/2 -153 + 2

4845 + 2 5/2 115 + 2

6 14ySm 7/2 4959.7 + 0.8 7/2 4957 +2 (*) С) 3 + 2 (*)

5073+2 9/2 -113 + 2

7 l48Sm 0 5093.9 + 0.8 1 5110 + 2 1 -16 + 2

6057 + 2 5/2 +116 + 2

8 l4ySm 7/2 6173.4 + 0.8 5/2 6114 + 2 (*) (*) +59 + 2 (*)

6169 + 2 7/2 +4 + 2

6214 ±2 5/2 +99 + 2

9 l4;Sm 7/2 6312.9 + 0.8 7/2 6342 ± 2 (*) (*) -29 + 2 (*)

6468 ±2 9/2 -155 ±2

7720 ±2 5/2 +100 ±2

10 l4VSm 7/2 7820.2 + 0.8 5/2 7741 + 2 (*) (*) +79 + 2 (*)

7764 ±2 7/2 +56 + 2

И l44Sm 0 7836.8 ±0.8 1 7862 + 2 1 -25 ±2

1Р 10 8^8

Таблица 2 Константы А и В сверхтонкой структуры нечетных изотопов.

"'Бш ""Бт

Щэ2 7Р, 4/6б5бр 9Р, 4/б52 7Р, ЛрбБбр 9Р,

А, МГц -28 ±3 -348+3 -34 ±3 -424 ±3

В, МГц 11 + 3 -4+3 -61 ±3 20+3

А, МГц -15 + 3 4608 ±3 -20 ±3 5903 ±3

Акимов Алексей Владимирович

ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ РЕЗОНАНСОВ В САМАРИИ В ПРИСУТСТВИИ СТОЛКНОВЕНИЙ

Подписано в печать 10.06.2003. Формат 60x84 '/¡6 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 60 экз. Заказ № °Р $~0 Московский физико-технический институт (государственный университет)

Отдел автоматизированных издательских систем "ФИЗТЕХ-ПОЛИГРАФ" 141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., 9

Введение

Глава 1 Отождествление спектральных линий самария

1.1 Метод насыщенного поглощения

1.1.1 Резонансы насыщенного поглощения

1.1.2 Ширина линии

1.2 Экспериментальная установка для регистрации резонансов насыщенного поглощения

1.2.1 Полупроводниковый лазер

1.2.2 Экспериментальная установка

1.3 Отождествление экспериментальных спектров

1.3.1 Перекрестные резонансы

1.3.2 Экспериментальные спектры

1.4 Основные результаты главы

Глава 2 Резонансы когерентного пленения населенности в парах самария

2.1 Оптическая накачка

2.1.1 Общие положения;

2.1.2 Ширина линии резонанса оптической накачки

2.2 Когерентное пленение населенности в Л - системе

2.2.1 Общие положения

2.2.2 Ширина резонанса КПН

2.3 Экспериментальная установка для регистрации резонансов когерентного пленения населенности

2.4 Экспериментальные результаты

2.4.1 Расщепление в магнитном поле

2.4.2 Зависимость от давления

2.5 Основные результаты главы

Глава 3 Селективная по скоростям оптическая накачка

3.1 Столкновения, меняющие скорость

3.1.1 Оптическая накачка в присутствие столкновений

3.1.2 Резонансы КПН и оптической накачки

3.2 Резонансы в магнитном поле

3.3 Основные результаты главы

Работа посвящена экспериментальному изучению узких нелинейных резонансов (резонансов когерентного пленения населенности, оптической накачки и насыщения) в открытой Л - системе атома самария 4/66s2(7F0)-> 4/6(7F)6s6p(3P0)9F1° -» 4/66s2(7F,).

Исследованы также структура изотопических сдвигов и сверхтонкого расщепления уровней, образующих эту систему.

Актуальность данной работы обуславливается следующим:

Благодаря разработке генератора фемтосекундной гребенки, позволяющего осуществить прямую связь радиочастотного и оптического диапазона частот, в настоящее время возрос интерес к использованию высокодобротных оптических резонансов в качестве реперов частоты [1]. Высокая потенциальная добротность оптических резонансов (вплоть до 1018) делает их серьезными конкурентами радиочастотному стандарту частоты. Широко обсуждаются перспективы применения узких резонансов в трехуровневых системах в метрологии [2], магнитометрии и медицине [3,4].

Одним из перспективных узких резонансов в трехуровневой системе под воздействием бихроматического поля является резонанс когерентного пленения населенности (КПН). Резонанс проявляется как провал в контуре поглощения при соблюдении жестких условий на частоты световых полей: разница частот световых полей должна равняться частоте запрещенного перехода между нижними компонентами Л-системы. Резонанс КПН, таким образом, может быть использован для создания новых стандартов частоты, в которых стабилизируется разностная частота Дй> = сох-со2

Недавно, было предложено использование резонансов & когерентного пленения населенности в качестве ячейки памяти квантового компьютера [5,6]. Идея заключается в возможности перевести атомную систему (например, атомы рубидия) в когерентное состояние с плененной населенностью при помощи бихроматического поля, а затем считать "записанную" информацию с помощью одного из монохроматических полей. Время хранения информации в такой ячейке определяется временем жизни когерентного атомного состояния. Существенную роль при этом приобретает наличие в такой ячейке буферного газа, позволяющего за счет столкновений увеличить время жизни когерентности и заметно сузить резонансы КПН [3, 7].

В приложениях узких резонансов в трехуровневых системах в магнитометрии и метрологии также особую роль играют ячейки с парами Ш щелочных металлов, в которые добавлен буферный газ. Дело в том, что предельная ширина резонанса КПН определяется временем релаксации взаимной когерентности нижних уровней Л - системы и не зависит от ширины верхнего уровня, поскольку при выполнении условия резонанса падающее излучение перестает с ним взаимодействовать. Ширина резонанса, однако, лимитируется времяпролетным уширением, скоростью перевода системы в состояние с плененной населенностью, а также стабильностью разностной фазы лазерных полей. Вклад первых двух факторов существенно зависит от давления буферного газа. Увеличение, времени пребывания атомной системы в лазерных пучках за счет столкновений с буферным газом при выполнении условий, требуемых для создания КПН, может приводить к значительному сужению резонанса. Также к сужению резонанса с ростом давления буферного газа ведет изменение скорости перевода системы в состояние с плененной населенностью. Это явление было экспериментально исследовано в [3] для паров цезия в неоне, соударения с которым практически не нарушают когерентность нижних уровней системы.

Использование эффекта сужения резонанса за счет столкновений с атомами буферного газа позволяет получать узкие резонансы КПН в газонаполненных кюветах. При соответствующем выборе нижних долгоживущих уровней могут наблюдаться чрезвычайно узкие резонансы с добротностью //А/ вплоть до 1014. Такая возможность обсуждалась в работе [8]. Высокая добротность резонансов КПН позволяет рассматривать атомную систему с плененной населенностью в качестве вторичного стандарта частоты, в котором с высокой точностью стабилизирована разность оптических частот щ-о?2 [2]. Использование таких резонансов в газонаполненных кюветах в качестве реперов для стандартов частоты обладает рядом преимуществ: установки, использующие кюветы, могут быть значительно компактнее, чем пучковые установки, их легче изолировать от внешних полей, значительно легче создать мобильный вариант стандарта [3].

Магнитометрические приложения предполагают измерение расщепления резонансов в магнитном поле, поэтому узость резонанса во многом определяет чувствительность магнитометра. Так, например, магнитометр, предложенный в работе [3], использует расщепление резонансов КПН в магнитном поле в цезии с неоном в качестве буферного газа. Чувствительность такого компактного магнитометра составляет около 500 фТлу\/Гц. При этом размеры чувствительного элемента магнитометра не превышают спичечного коробка. Предельная теоретическая [9] чувствительность магнитометра на резонансах КПН сравнима с чувствительностью современных сверхпроводящих магнитометров СКВИД, что позволяет рассчитывать на их использование в медицине.

Для регистрации узких резонансов КПН должны выполняться определенные фазовые соотношения для лазерных полей E1(t) = Elcos(a)lt-<pl) и E2{t) = E2cos{cD2t-(p2) - "просветление" среды происходит при выполнении условия (рх-ф2= const. Для интервалов частот порядка 10 ТГц реализация этого условия требует применения специальных методов ввиду отсутствия достаточно простых и стабильных осцилляторов в этом частотном диапазоне. В настоящее время разработаны методы фазовой привязки лазеров с частотами, отличающимися на несколько десятков терагерц. В качестве примера можно привести метод деления пополам частотного интервала с сохранением когерентности [10], а также метод, использующий фазовую привязку световых полей [11] к частотной «гребенке», созданной синхронизованными модами в фемтосекундном лазере на сапфире, активированном титаном [12].

До настоящего времени большинство экспериментальных исследований резонансов КПН было выполнено со щелочными атомами, у которых в качестве нижних уровней Л - системы использовались сверхтонкие компоненты основного состояния с типичным расщеплением в несколько гигагерц. Возможность регистрации контрастных и высокодобротных резонансов КПН в щелочных атомах обусловлена следующими факторами: наличием прецизионных стабильных лазерных систем, перестраиваемых в области резонансного перехода и возможностью относительно простой фазовой привязки световых полей этих систем £",(t) и E2(t). Так, в атоме цезия зарегистрированы резонансы с шириной около 50 Гц [3].

Атомы редкоземельных элементов обладают рядом свойств, которые делают их перспективными с точки зрения метрологических приложений. В редкоземельных атомах характерное расстояние между компонентами тонкой структуры конфигурации 4fn6s2 существенно превышает сверхтонкое расщепление основного состояния щелочных атомов и составляет 10— 100 ТТц, в то время как характерное время спонтанного распада этих уровней за счет магнитодипольных переходов составляет несколько секунд. Кроме того, имеются указания о том, что уровни тонкой структуры 4/"6s2 в редкоземельных атомах слабочувствительны к атомным столкновениям, поскольку они хорошо заэкранированы внешней замкнутой б52 оболочкой [13]. Таким образом, высокая потенциальная добротность резонансов КПН в редкоземельных атомах открывает перспективу их использования в метрологических приложениях, например, для создания вторичного оптического стандарта частоты.

В данной работе в качестве исследуемого атома выбран атом самария, обладающий нулевым полным моментом электронной оболочки в основном состоянии 4/66s2(7F0). В качестве исследуемой системы выбрана А-система (см. рис. 1.11 в Главе 1, на стр. 28) 4/66s2(7F0)->4/6(7F)6s6p(3P0)9F1° 4/66s2(7Fj), нижними уровнями которой являются основное состояние и первая компонента тонкой структуры 4/66s2(7F,). Расщепление нижних уровней выбранной

Л - системы составляет аеп = 293 см"1. Исследуемая трехуровневая система отличается своей простотой (рис. 1.11), но благодаря присутствию уровня с J = 2 является открытой. Открытый характер системы, однако, не влияет на ширину резонанса КПН [14,15].

Интерпретация нелинейных резонансов требует знания структуры уровней в области исследуемых переходов. Данные об изотопических сдвигах и сверхтонкой структуре переходов могут быть также использованы для определения среднего зарядового радиуса ядра и модуля волновой функции электрона в ядре [16]. Вместе с тем, ввиду сложности электронной конфигурации и богатого изотопического состава большинства лантаноидов, идентификация их спектров и поиск линий соответствующих переходов являются достаточно трудоемкими задачами.

Целью данной работы является экспериментальное изучение высокодобротных нелинейных резонансов (резонансов когерентного пленения населенности, оптической накачки и насыщения) в открытой Л-системе атома самария 4/66s2(7F0) -> 4/6(7F)6s6p(3P0)9F,

-»4fe6s2(jFl}. Также предполагалось исследовать структуру уровней, образующих эту систему.

Имеющиеся спектроскопические данные, относящиеся к выбранным уровням, весьма ограничены. Так, например, в работе [17] проводилось измерение изотопического сдвига ряда изотопов Sm в области длин волн 570-580 нм по сигналу люминесценции, регистрируемому перпендикулярно атомному пучку. Авторы сообщают о зарегистрированной ширине линии 30 МГц, причины уширения линии не обсуждаются. Данные использовались для определения зарядового радиуса ядра.

Работа [18] посвящена систематизации и анализу спектров редкоземельных атомов. В работе представлены результаты измерений относительных сил осцилляторов для ряда преходов в Sm с нижнего терма 4/66s2 7F. Измерения проводились методом крюков рождественского.

Работы [19,20] посвящены изучению нелинейных поляризационных эффектов в Sm. В работе [20] в частности проведена идентификация спектра перехода 4/66s2(7Fj)-»4/66s6p(7F0) 570 нм в Sm. В работе наблюдалась резонансная флюоресценция. Пары самария создавались в полом катоде при температуре около 1000 К. Авторы сообщают о зарегистрированной ширине резонанса около 10 МГц при давлении буферного газа (Аг) 200 Па. В работе также исследовалось ударное уширение спектральных линий аргоном.

Работа [21] посвящена изучению нелинейных эффектов Фарадея и Фойхта замкнутого перехода 4/66s2(7Fj) —> 4/66s6p7F0° в атоме самария.

Для исследований был выбран 152 Sm изотоп самария. Пары самария создавались в керамической трубке при температуре около 1000 К. В качестве буферного газа использовался аргон. В работе впервые был зарегистрирован нелинейный эффект Фойхта, а также была приведена теоретическая модель, описывающая нелинейный эффект Фарадея для замкнутого перехода 4/66s2 (7F,) -> 4/66s6p7F0°B атоме самария.

В работах [22,23,24] исследовались столкновительное уширение и сдвиг спектральных линий Sm в Не, Ne, Аг. В работе исследуется уширение и сдвиг доплеровски уширенного контура. Авторы приводят величины уширений для исследуемых линий самария в аргоне порядка 0,4 CM'Vr.d., а также сдвига около 0,\2смл/гА. (1 r.d.=2.69*1019CM"3). Для гелия величины уширения и сдвига составляют около 0,8cM"l/r.d. и 0,12cM"!/r.d. соответственно. Этим исчерпываются опубликованные спектроскопические данные по самарию.

Научная новизна данной работы заключается в следующем. Впервые методом насыщенного поглощения зарегистрированы спектры переходов в атоме Sm 4/66s2(7F0) 4/6(7F)6s6p(3P0)9F,°,

4fe6s2{1Fl)-^4f6[1F)6s6p(:sP0YFlo на длинах волн 672 нм и 686 нм соответственно, образующих А-систему. Идентифицированы спектральные линии изотопов Sm. Определена структура верхнего

4f6 С F)6s6p(2 P0)9 F° уровня и нижнего метастабильного уровня 4/66s2(7Fj). Измерены относительные изотопические сдвиги и сверхтонкое расщепление уровней с точностью 1-2 МГц.

Осуществлена регистрация резонансов когерентного пленения населенности и резонансов оптической накачки в атомных парах изотопа самария 154Sm. Исследована зависимость спектров и контраста резонансов от поляризации лазерных пучков и от направления магнитного поля, приложенного к системе. Проведено изучение влияния столкновений на форму и контраст наблюдаемых узких резонансов.

В главе 1 рассматривается экспериментальное отождествление спектральных линий изотопов самария методом насыщенного поглощения в области переходов в атоме Sm, вовлеченных в исследуемую А -систему. Приведено описание используемого метода, экспериментальная установка, и полученные экспериментальные результаты. Найденные константы сверхтонкой структуры, изотопические сдвиги и сверхтонкое расщепление приведены в таблицах 5, 6.

В главе 2 описана экспериментальная установка для регистрации резонансов КПН, а также приведена простейшая теория резонанса КПН. Приведены основные экспериментальные результаты.

В главе 3 рассматривается зависимость от давления резонансов оптической накачки, сопровождающих резонансы КПН. Произведен расчет формы контура селективной по скоростям оптической накачки на базе модели твердых шариков. На базе приведенной теоретической модели интерпретирована зависимость ширины и контраста наблюдаемых провалов в поглощении.

В заключении диссертации формируются основные результаты работы.

3.3 Основные результаты главы 3

Экспериментально изучено поведение узких резонансов когерентного пленения населенности и оптической накачки в открытой трехуровневой системе атома самария в зависимости от давления буферного газа. На базе модели твердых шариков изучена зависимость спектров селективной по скоростям оптической накачки от давления буферного газа. Показано, что при определенном давлении резонанс оптической накачки меняет знак и его вклад в формирование "темного" резонанса становится значительным. Также изучено расщепление резонансов оптической накачки в магнитном поле.

Экспериментально исследована селективная по скоростям оптическая накачка в атоме самария. В рамках модели твердых шариков описано поведения селективной по скоростям оптической накачки от давления буферного газа. Получено значение сечения столкновений.

Результаты главы опубликованы в работе [40] и докладывались на конференциях:

• XXII съезд по спектроскопии, Звенигород, 8-12 октября 2001г [46]

• International Quantum Electronics Conference, (IQEC 2002), Москва, 2002 [47]

Заключение

В работе были получены следующие основные результаты:

1. Методом насыщенного поглощения зарегистрированы спектры переходов 4/66s2(7F0)->4/6(7F)6s6p(3P0)9F1° и 4/66s2(7F1) 4/6(7F)6s6p(3P°)9F1° на длинах волн 672 нм и 686 нм в о атоме Sm со спектральным разрешением ~10 . Идентифицированы линии, принадлежащие различным изотопам и компонентам сверхтонкой структуры. На основании экспериментальных данных определены константы сверхтонкой структуры верхнего уровня 4/6(7F)6s6p(3P0)9F1° и нижнего уровня 4/66s2(7F,). Измерен изотопический сдвиг спектральных линий, соответствующих переходам с низколежащих компонентов тонкой структуры. Значительно уточнена частота перехода в

4/66s2(7F0) -> 4/6(7F)6s6p(3P0)9F1° в 154Sm - 14863,7305 ± 0,0015 см'1

2. Зарегистрированы резонансы когерентного пленения населенности в открытой А - системе в атоме l54Sm, образованной следующими уровнями: основным состоянием 4/66s2(7F0), первой компонентой тонкой структуры основного состояния 4/66s2(7F,) и верхним уровнем 4/6(7F)6s6p(3P0)9F,°.

3. Экспериментально исследована форма резонансов когерентного пленения населенности в зависимости от направления внешнего постоянного магнитного поля. Проведен анализ зеемановского расщепления резонансов КПН в поперечном и продольном магнитных полях при линейных ортогональных поляризациях лазерных полей. Определено, что расщепление в поперечном магнитном поле примерно в 25 раз превышает расщепление в ^ продольном поле.

4. Экспериментально изучено поведение узких резонансов когерентного пленения населенности и оптической накачки в открытой трехуровневой системе атома самария в зависимости от давления буферного газа. На базе модели твердых сфер теоретически объяснено поведение экспериментальных спектров селективной по скоростям оптической накачки в зависимости от давления буферного газа. Показано, что при определенном давлении резонанс оптической накачки меняет знак и его вклад в формирование "темного" резонанса становится значительным.

Все полученные результаты являются новыми и оригинальными.

Благодарности

Приношу глубокую благодарность В.Н. Сорокину за научное руководство, И.И. Собельману за постоянную поддержку проводимых исследований, С.И. Канорскому, Н.Н. Колачевскому, А.А. Папченко за оказанную помощь и советы.

Работа выполнена при поддержке фондов РФФИ и Volkswagen Stifitung, а также Федеральной программы "Интеграция" и Программы Поддержки Ведущих Научных Школ

1. R.Holzwarth, Th.Udem, T.W.Hansch, J.C.Knight, W.J.Wadsworth, P.St.J.Russell, Phys. Rev. Lett., 85(11), 2264, (2000)

2. E. Arimondo, Prog. Opt. 35, 257 (1996)

3. R. Wynads and A. Nagel, Appl. Phys. В 68, 1 (1999)

4. A.Weis, Book of Technical Digest IQEC 2002, "High resolution experiments with spin-polarized atoms", YSuAl ,(Moscow, Russia, 2002)

5. D. F. Phillips, A. Fleischhauer, A. Mair, and R. L. Walsworth, M. D. Lukin, Phys. Rev. Lett, 86(5), 783, (2001),

6. A. Mair, J. Hager, D. F. Phillips, R. L. Walsworth, and M. D. Lukin, Phys. Rev. A, 65, 031802(R), (2002)

7. E. Arimondo, Phys. Rev. A, 54(3), 2216, (1996)

8. H.H. Колачевский, A.B. Акимов, H.A. Киселев, A.A. Папченко, B.H. Сорокин, С.И. Канорский, Квантовая электроника 31(1), 61, (2001)ч

9. Marian О'Scully and Mihael Fleischhaner, Phys. Rev. Lett., 69(9), 1360, (1992)

10. Th. Udem, A. Huber, B. Gross et al. Phys. Rev. Lett. 79(14), 2646, (1997)

11. M. Prevedelli, T. Freegarde, T.W. Haensch, Appl. Phys. B, 60, S241, (1995)

12. J. Reichert, M. Niering, R. Hozwarth et al., Phys.Rev.Lett., 84(15), 3232, (2000)

13. Е.Б. Александров, B.H. Котылев, B.H. Кулясов, К.П. Василевский V К.П, Оптика и спектроскопия, 54(1), 3, (1983)

14. Vladimirova J V, Grishanin В A; Zadkov V N, Kolachevsky N N, ^ Akimov A V, Kiselev N A, Sorokin V N, Kanorski S I, Proc. SPIE4749, 147, (2002)

15. Ю.В. Владимирова, Б.А. Гришанин, B.H. Задков, Н.Н. Колачевский, А.В. Акимов, Н.А. Киселев и С.И. Канорский, ЖЭТФ, 96(4), 629, (2003)

16. E.W. Otten, Treatise on hevy-ion science, 8, (1989)

17. S.K. Borisov, Yu.P. Gangrskii, S.G. Zemlyanoj et al., Sov.Phys.JETP, 66(5), 882,(1987)

18. H. П. Пенкин, В. А. Комаров, J. Quant. Spectrosc. Radiant. Transfer. 16,217,(1976)

19. C. Paper et. all., Phys. Rev. A, 31(6) 4043, (1985) #

20. C. Paper et. all., Phys. Rev. A, 34(3) 2058, (1986)

21. K.H. Drake et all., Opt. Comm., 66(5,6), 317 (1988)

22. V.D. Vedenin, Opt. Spectrosk. 70, 956, (1991)

23. V.D-. Vedenin and V.N. Kulyasov Opt. Spectrosk. 59, 1004, (1985)

24. V.D. Vedenin at all, Opt. Spectrosk., 62, 737, (1987)

25. Carl E. Wieman, Leo Hollberg, Rev. Sci. Instrum., 62(1) (1991)

26. Таблицы физических величин (под ред. Кикоина). Москва, Атомиздат, (1976).

27. К.С. Harvey, C.J. Myatt, Opt. Lett., 16(12) (1991)

28. B.C. Летохов, В.П. Чеботаев. Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения, Москва, "Наука", (1990).

29. Atomic Energy Levels: The Rare-Earth Elements, Ed. by W. C. Martin, R. Zalubas, and L. Hagan (Inst. For Basic Standard NBS, Washington, DC, 1978), p. 162.

30. И.И. Собельман "Введение в теорию атомных спектров", Москва, "Наука", (1977)

31. Н.Н. Колачевский, А.В. Акимов, Н.А. Киселев, А.А. Папченко, В.Н. У-у Сорокин, С.И. Канорский, Оптика и спектроскопия, 90(2), 164,2001)

32. G. Shimkaveg, W.W. Quivers. Jr., R. R. Dasari and M.S. Feld, Phys. Rev. A, 48(2), 1409, (1993)

33. C.G. Aminoff, J.Javanainch, M. Kaivola, Phys. Rev. A, 28(2), 722, (1983)

34. K.E. Gibble and A. Gallagher, Phys. Rev. A, 43(3), 1366, (1991)

35. J.E.M. Haverkort, J/Р/ Woerdman and P.R. Berman, Phys. Rev. A, 36(11), 5251,(1987)

36. В.И. Малышев "Введение в экспериментальную спектроскопию", Москва, Наука, 1979

37. G. Alzetta, A. Gozzini, L. Moi, G. Orrios, II Nouvo Cim., 36B, 5 (1976)

38. R. Wynands, A. Nagel, S. Brandt, D. Meschede, and A. Weis, Phys. Rev. A, 58(1), 196,(1998)

39. P. F. Liao, J.E. Bjorkholm and P.R. Berman, Phys. Rev. A, 21(6), 1927, (1980)

40. A.V. Akimov, A.V. Sokolov, N.N. Kolachevsky, A.N. Matveev, V.N. Sorokin and S.I. Kanorsky, Journal of Russian Laser Research, 24(2), 129, (2003)

41. N.N. Kolachevsky, A.V. Akimov, A.A. Papchenko, V.N. Sorokin, S.I. Kanorsky, "Bichromatic spectroscopy and coherent population trapping in samarium vapour", XVII International Conference on Atomic Physics (ICAP 2000), Florence, B8, June 4-9,2000r.

42. A.V. Akimov, N.N. Kolachevsky, V.N. Sorokin, S.I. Kanorsky, "A-resonance in the presence of velocity changing collisions", IQEC 2002 Book of Technical Digest, QSuQ7, Москва, 22 27 июня 2002 г.