Магнитный резонанс в неразрешенной зеемановской структуре основного состояния оптически ориентированных атомов щелочных металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

САНКТ-ПКТКРЬУИ'СКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

,;з сд

2 6 ДПР 1293' • '

На правах рукописи

ЕРМАК Сергей Викторович

I

МАГНШ'ШЙ РЕЗОНАНС В {{¿РАЗРЕШЕННОЙ ЗЕЕМАН0ВСК0Й СТРУКТУРЕ ОСКОБКОГО СОСТОЯНИЯ ОПТИЧЕСКИ ОРИЕНТИРОВАННЫХ АТОМОВ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ

Спешальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ-

гз^ссортащш на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

С'.!!пп'- П(?пч*гург - ют

Работа выполнена а Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Нау.чный руководитель: Д', ктор физико-математических каук, профессор Дудкин 3.11. '

Официальные оппоненты:доктор технических наук, профессор, начальник-отдела Пихтелев А.И., кандидат физико-ма?емат::ческих каук, старший научный сотрудник Кравцов il.A.

Ведущая организация: Российский институт радионавигации и времени (г. Санкт-Петербург).

Защита состоится "18" 1993 г. в JQ часов

на заседании специализированного совета К 063.38.11 в Санкт-Петербургском государственном техническом университета по адресу: I9525I, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, Z учебный корпус, ауд. jZG5

С,диссертацией можно ознакомиться а фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан "/3 " ОМрЯ-оУ^3 г>

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат физико-математических наук Загрядский С.В.

' г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Метод магнитного, резонзнсэ широко практикуется в современней радиоспектроскопии для измерения различных физических параметров атомной сроды, э таете при разработке целого ряда квантовых устройств, основанных на сопоставлении отклика атомов рабочего вещества из воздействие резонансного электромагнитного поля. К устройствам такого рода относятся различные типы квантовых магнитометров и образцовых мер частоты с оптической накачкой.

Традиционными рабочими веществами квэнтовых магнитометров с оптической накачкой являются изотопы гелия (Не' и Не4) и пары щелочных металлов (а также их комбинат™, применяемые в так называемых далочно-гелиевых магнитометрах). В технике стандартов частоты используются, в основном, атомы изотопов рубидия, где достаточно просто роэлизуется поляризация рабочего вещества путем изотопической фильтрации света накачки. Принципиальнее значение при разработке названных устройств имеет оптимальный режим оптической накачки, при котором сведено к минимуму возмущакшро воздействие светового излучения, являющегося одним из основных достаои'.зируи'дкх факторов в квантовых дискриминаторах частоты с оптической накачкой.

Одним из способов решения проблемы оптимизации режима оптической накачки прецизионных квантовых устройств язляется использование предельно малых енотовых ннтенсквностея, причем значительно меньших оптимального уровня, соответствующего максимуму дискриминирующей способности устройства (отношение сигнал-шум к сирине резонансной линии). Последнее объясняется значительным расхождением предельных значений кратковременной и долговременной стабильности резонансной частоты квантового дискриминатора с оцгической накачкой, что создает резерв улучшения точностных характеристик устройства за счет сознательного умеяьсэ-ния ехо кратковременной стабильности.

Следует однако, отметить, что указзнные вьет рекомендации для варианта оптической накачки щелочных атсмов справедливы .ишь з случав разрешение,! структуры радиочастотного спектра основного состояния, когда в ¿'ормир'-вант резонансного с:пнала принимают участие лишь двэ эаор-гетичеекгл ледурс-вня сверхтонкой структуры. Все остальные мэгпитньго годурогя»! иезешею состояния яазяктся своеобразным резервуэром оттека рабочих пГ'-М'.-п, что является хгзпелшггельнкм аргументом в пол-зу пени-«:5>:и*н р.'-уе.; ;«лсйсшюстй езетч накачки. Сятуэда:! однако жоназтея»

1

если иарощелочной квантовый дискриминатор используется в условиях, когда имеет место взаимное перекрытие соседних веемзнопских компонент, при котором сигнал магнитного резонанса образован совокупностью близких по частоте резонансных контуров. Подобное перекрытие наблюдается в слабом малштном поло как в области СВЧ, например, при индуцировании сигнал;: ;<яогофотонного резонанса мэзду подуровнями сверхтонкой структуры, так у. в области низкочастотного резонанса при ивдугефовзтгл переходов можду соседними аеомановскиуи подуровнями основного состояния. Удельный бос составляющих рэзультируюшу.й контур резонансных линий зависит как от параметров источника нзкачки (интенсивности, поляризации, спектрального состава), так и соотношения констант тепловой и оптической релаксации, которые для различных пар энергетических подуровней основного состояния не являкяся однозначными. Сложность подобной ситуапда усуг.убляо ю.ч также и фактом различия воздействия свота нзкачки на шлачину иродашю» и поперечной релаксации всетора камагкичонности ансамбля оптически ориентированных атомов.

Указанные особенности магнитного резонанса в условиях нор'^зрожн -иого радиоспектра послужили причиной явно недостаточного осычгния в научно-технических гцбликациях некоторых вопросов но данной *ггошт>. Так, например, в литературе практически отсутстьу.эт ко.гл'к-.тце-нкке оценки вклада света накачки в скорости продольной и поперечной рол.акса цин оптически ориентированных щплочкых паров со алойным кештурем ' линии магнитного резонанса, а такие,не исслэдовэш вопросы ишмюда. оо ьа риационной чувствительности в условиях повышенного мипштною грпдакти в области камеры поглощения.

■ Вместе с тем, рошонио отоя задачи преду тавль-ется юяк") умь ■ ним, поскольку случай неразрешенной структура основного состояния молочных атомов перекрываот значительный диапазон рабочего мэшитто поля (примерно от 10"' до 10"' Э). Ворхняя граница указлииго лкишопэ может быть увеличена при работе в неоднородном машинем 1:0.1.'', ц.ядл опт которого по разному влияет на скорость прадшлюл и п;ч;оречн./.< рхг-лаксации атомов рабочего ведоетва и неизбежно долкен модл^ча'.р-Л'-пг критерии оптимального режима накачки, принять» /:ри ¡«екпе кн'-нпомн-о дискриминатора в однородном магнитном шло. Оз^ссопйризк^сть к:-ний и отом направлении вытекает из необходимости оптимизации парчм-прон устройств, работающих р экстремальных условиях, например, и л-ч;« бортовой магнитной аппаратуры носителей, поскольку известные • .«с .борьбы с влиянием магнитного градиента н-) ширину резинч.чеж .кыт (применение ячеек с покрытием, миниатюризация ячеек) позволяй!' лж.ь

уменьшить, но не исключить ото влияние.

Сложность резонансного контура в условиях неразрешенной структуры основного состояния щелочных атомов обуславливает значительные погрешности определения резонансной частоты, поэтому этот случая магнитного резонанса, естественно, не претендует на использование в прецизионных устройствах с оптической накачкой. Последнее, однако', но снижает актуальности исследований, направленных на поиск путей повышения чувствительности результирующего контура к приращению частоты радиополя. Решение подобной задачи составляет практический интерес для квантовых вариометров, работающих в отмеченном выше интервале магнитных полей. Вместо с тем в существующей литературе этот вопрос исследован явно недостаточно. Действительно, для двухуровневой атомной системы максимум вариационной чувствительности дискриминатора достигается, как известно, при скорости оптической накачки г"1, равной скорости тепловой релаксации г *1, либо ео утроенному знзчэниа в зависимости от соотношения времен продольной тх и поперечной тг релаксации (г"* = 3гг~' для г, = тг и т~' = г,'1 для г » г2>. При этом, для получения высокой долговременной стабильности чэстоты рабочего перехода практикуется значительно меньшая указанных значения интенсивность света накачки. Однако, как это отмечалось выше, реальные щелочные атомы представляют собой многоуровневую энергетическую систему, г^це в случае ее эквидистантности индуцируется сигнал магнитного резонанса, затрагивающий все энергетический состояния. Такая ситуация неизбежно приводит к необходимости пересмотра традиционного подхода к проблеме оптимизации режима накачки щелочных паров.

_Цель работы. Задачей работы являлось исследование и оптимизация

сигнала магнитного резонанса в оптически ориентированных парах щелочных металлов в условиях неразрешенной зеемансвскоа энергетической структуры атомов в основном состоянии.'

Научная новизна и практическая ценность. в работе впервые проведены исследования по количественной оценке относительного светового воздействия в скорости'продольной и поперечной релаксации оптически ориентированных що.л'.-чкых атомов в условиях полного порекрытия рздиочзститно-го спектра в осиошгом состоянии. в варианте оптически оривктаровэякых атомов рубидия и цезия действие оптической релаксации выяснено д.1гк различных режимов чакачки в тонком оптическом слсо п зависимости от интенсивности и спектрального состава источника, и отнесения Тг-- Гх.

Прс1ч\г,°.!! расчет оптимальной интенсивности света пэ.чачки, о.'осглчи-пзга^я м.н-л'.чуч »эртют.чной чувствительности сипплэ магнитною рвэо-

нанса атомов рубидия и цезия к приращениям магнитного поля и условиях неразрешенноя зеамановскоя структуры основного состояния. Установлено, что 'известные рекомендации по выбору оптимального режима оптической накачки, для случая неразрешенной эеемансвског структуры атомов справедливы лишь в области существенного превышения времени продольной релаксации Г над временем попорочной релаксации Г,, в то время как баланс их значений заста&яяот использовать гораздо более интенсивный свет накачки, чем считалось до сих пор.

Практическое использование результатов р<й'сш мэйют иметь знл-юшло при разработке малогабаритных вариометров с оет/лоскии «¿качке», где различие каналов релаксации пренебренаио. мало по сравсевкд с взрастем парошелочных ячеек большого объема.

Автором выносится на защиту.

1. В условиях неразрешенной зееханоьокой сгру:сгур.л основного состояния оптически'ориентированных атомов и;олочш.:х моталчов .мпш ахыгг-ного резонанса аппроксимируется лоронцевим контурен, хзрзетераууошм усредненными значения*« времен продольной и поперечно;) ¡.елакгацни г и т являющимися фукцияки скорости остппсскои вз:с.ши слепого вида:

] - 1 + ° и * - 1 '' -- - -у + -т И — - -у -у.

I I р 2 г

гдо т и г - средние значения "темповых" времен ирод&диюл и пыхц."!-ноя релаксации, а и ч - коэффициента, пряккхздкке значения в «шая-ку от .нуля до единицы.

2. Для случая оптической ориентации иордердошжд от]. укту; оси энного состояния тонкого слоя паров рубидия и щзия резон энешм сього.ч

- линии, ширина которой много больше дотълороьекои иарили вн поглощения, относительный вклад огггичоской релаксации б ни .а чей и я * и г определяемый отношением сср, носит различный характер гая ¡сжимов опги-ческой накачки в условиях отсутствия столкновиаслыюй переориентации /' состояния (режим >4) и при наличии эффекта гаромуЕквэнкл в р состошии (режим в), для режима л в диапазоне изменения пт,'Г (0.-1--Й2) при ра-вонство т = т имеет место тенденция увеличения отношения <« ■/> при рос-то темпа накачки РТг'Т , для {«жима в зависимость .•« •> от /<г,- г в .указанном диапазоне имеет максимум: для рубидия м» О.ич при ¡<тг т У, для цезия а/р = 0.26 при РТг'Т = 2. При постоянной интенсивности очгги-ческоа накачки для режимов а и в имеется область значений /'^-г > 1,. соответствующая минимальной зависимости ошошокин а'о от

3. Селективная оптическая накачка циркулярнополяризовашшм свотсм V - линии атомов цезия ка оптическом переходе - -1) - р = 4*

5) в условиях рэзрчямшоа сверхтонкой структуры возбуздгзкогс состояния при Г, = Гг в диапазоне увеличения РТ^'Т (0.1-50) определяет тенденцию уменьшения отношения а./р для рекима оптической накачки А, учот допплеровского ущкреиия липа поглощзния зтомоз цезия в условиях селективной нзкзчки на указанном переходе вносит поправку в результаты, нэ превышающую 5%. *

4. Максимум вариационной чувств:ггелыюсти сигнала магнитного резонанса в неразрешенной структуре основного состояния щелочных атомов имеет место при значениях 1*тг/т , приведенных в следующей таблице:

Роки» накачки Г 'Т 2 1 \ Рубидия-87 линия I) Иезка-133 линия 0 1 Пззий-133 линия 1> переход -

А В А В

1 4 5.3 5 6.2 •15

0.1 1.0 1.8 2.3 6.6

0.001 1 1 1 1 2.2

Апробагая работы у. гг/йлусса:^',.

■Материалы диссертации долсжпы па слодусщнх конференциях:

1. Второй Всесоие!;ыл семгар ш оптической ориентации атсмоз и молекул (ВСОО/Л! - 2). Ленинград, 'МП ::у. А.С>.7.сЦо, апрель, 1£Ш г.

2. уп Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы магнит-ных измерений и у.аглигго;да.срйтсльйг>г аппаратуры", НПО БШ1/М им. Д.И.Менделеева, Лшннгрзд, 108.9 г.

По материалам 'диссертзх':.! опубликовано 11 работ, из них 4 авторских свидетельства.

Структурами ебюм работы.

Диссертаций состоит из шюдекия, пята раздала», заключения, ггрило-•дсший и списка используемых источников < 119 наименований). Обьея дос-сертации Ш с., в тем числе 37 р/.с., 18 таблил.

Содержание работы.

Во введении показана актуальность темы диссертации, форму лируится основные цели и задачи. Кратко изложен;.: основные результаты работа, их новизна и практическая ценность, призе доны основные положения, выносимые на защиту.

В первом раздо.ле рассмотрен эффэкт оптической ориентации атомов и его приложения в квантовых магнитометрах и стандартах частоты с оптической накачкой. Принципиальное значение при разработке этих устройств имеет обеспечение отгпжалышй интенсивности света накачки, при которой реализуется наибольшая дискриминирующая способность резонансной линии, хараи-еризуемая фактором кэчества отнощение сигнал^щ.ум к ширине резонансной линии. Для случая двухуровневой атомной модели этот оптимум достигается, как известно, при скоростях оптической накачки г равных скорости тепловой релаксации г"', либо ее утроенному значении ь зависимости от соотношения времон продольной г и поперечной тг релаксации. Эти рекомендации справедливы как для рубидиевых стандартов частоты, так и для квантовых парощелочных магнитометров, работающих на отщепленной компоненте радиочастотного ЭПР спектра. В названных устройствах "практикуются даже болео низкие интенсивности света накачки в сравнении с его оптимальным значением, что позволяет получить белое высокую долговременную стабильность частоты рабочего перехода.

Некоторое различие с общепринятыми рекомендациями дает- анализ эффекта многофотонного резонанса в оптически ориентированных атомах щелочных паров: здесь оптимальный ре:ким оптической накачки реализуется в области пятикратного превышения тг~1 над величиной т'1. Последнее объясняется тем обстоятельством, что в хногофоточном резонансе принимает участие не один, а несколько близких по частоте СВЧ перехода между подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния. Сказанное в полной моро остается справедливым при оптической ориентации щелочных атомов в условиях полного перекрытия низкочастотных зоемановских компонент основного состояния. При этом, в отличие от многофотонного СВЧ резонанса, в формировании сигнала поглощения участвуют, все атомы основной: состояния вне зависимости от их энергетического распределения, создаваемого светом накачки. Резонансный контур такого сигнала сформирован совокупностью линия, поглощения, образованных при индуцировании радиочастотных переходов между соседними зеемановскими подуровнями, приче! удельный вес этих линий в результируюшэм сигнале зависит от соотнешенш констант тепловой и оптической релаксации, имеющих различные значеии для разных магнитных подуровней основного состояния. С другой стороны 6

условна полного перекрытия соседних зеемановских компонент позволяет рассматривать ансамбль оптически ориентированных щелочных атомов в виде простоя двухуровневой модели, которая характеризуется усредненными временами релаксации, зависящими от интенсивности, поляризации и спектрального состава света накачки. Установление этой зависимости позволяет выяснить соотноиение между различными релаксационными процессами, наблюдаемыми в оптически ориентированных щелочных атомах при неразрешенном радиочастотном спектре основного состояния, и кромо того дзот возможность установить условия оптимального режима оптической накачки пэроце-лочного квантового дискриминатора, работающего в слабых магнитных полях

- (0.01-0.1) э.

Первый раздел заканчивается постановкой задачи диссертационной работы .

Во втором разделе изложены основы, метода оптической накачки паров щелочных металлов и дано обоснование выбора двухуровневой модели щелочных атомов в условиях полного перекрытия радиочастотного спектра основного состояния.

Специфической особенностью зеемановского резонанса в парах щелочных металлов является существование двух подсистем в матрице плотности основного состояния размерностью 2(27+1 )*2(2.г+1), где I - ядерный момент атома, при этом каждая из подсистем характеризуется своим значением проекции полного момента г, среднее значение которого Яр(Гр) будэт определять форму резонансного сигнала. Очевидно также, что сроднее значение наблюдаемой величины F будот складываться из среднего значения полного момента в каждом из двух сверхтонких состояний, отличающихся друг от др>угэ числом магнитных подуровней и знаками прецессии по перечной компоненты полного момента. Учет ядерного спина, естественно, усложняет расчет наблюдаемого сигнала, так как при подстановке Зр(Гр) в уравнение Лиувилля часть членов, описывающих эволюцию матричных элементов под действием оптической накачки, должны содержать различные комбинации диагональных -и недиагонэльных элементов р со своими весовыми множителями, которые зависят от номера магнитного подуровня, э тагскз от интенсивности и поляризации света накачки. Другими словами, такую многоуровневую сроду ужо некорректно описывать, как в варианте СВЧ резонанса, единственными временами продольной и поперочноа релаксации, свойственными двухуровневым системам. Тем не менее, подобная агаяюкси-мация щелочных атомов с Оольаой дзлэл вероятности возможна, если оптировать некоторыми усредненными значениями сксростея оптической ролг-кса-ции в каждой из подсистем с разными значениями г. Учет всех этих сооО-

7

ражений ггрозволяот а.тпрокснмировать линию поглощения щелочных паров ло-ронцешк контуром, характеризуемым усредненными временами релаксации т и т2 следующего вида:

1 - 1 4- а и 1 - 1 +

----Г + Т и V - + т •

1 I р г 2 с

где а и р - коэффициенты, зависящие от отнощопня Т./Т . Суммарный контур поглощения формируется путем сложении отдельных контуров поглощо-яия всех пар соседим магнитных подуровней основного состояния. Каждый а-ь;й контур имеет лоронцеву форму с полушириной, разной (*„ )*' и амплитуде?., кропорккэнзльпоа разности кэселонвостой уожцу соответствующими «згниткымн г.одуровднми. Для кэадой пары соседних магнитных подуровней припишется одинаковы:? вклад оптичеекои ралаксапии в т и т пропорциональный суммарной вероятности погло«кжк света а томами, населяющими соотБэтетвумф» мзгнигныо подуровни.

3 соотеэтетши с виЗрагсюй апврокешэцнэд, рассматривалась зависимость т/1 от г "*, по которой определялся коо^^изент !<■ Дэлоо вычислялась зависимость суммарной намагниченное!/. огпически ориентированных щелочных атомов от величины р'Г , спродоляэмая в терминах двухуровневой модели слздудазл образом:

? >

По зависимости я от р-' г определялся кояффицдант Как ело дует из при-ведоннпх выражений, знание ьозф$ицио;ггсщ « и р позволяет оценить относительный вклад опготеской накачки в средние скорости продольной и попорочной гелаксапки, что составило одну из задач настоящей диссертационной работы. Такие оценки били шпаялгод для ом и-юета* ориентированных атомов цезия и рубидия при различных режимах накачки в зависимости от параметров источника с широким спектром излучения, а так:.'» отношения Т./Т1. Для указанных щелочных элементов исследовались два продольных ремаиа оггги"&сксй накачки:

решим Л - в отсутствии перемешивания ь р - ссстолчии; рехим В - при наличии столкнэвигельнох шребрк тгзции возбужденных р - состояния.

При этом рассматривался наиболее простой вариант иобчратольнои огггичоской накачки циркулнрнополяризоаанным сватом р - линии естественного спектрального источника (ламповый варила). Как показали расчеты, относительный вклад оптической релаксации в величину т^ значительно про вы -тот отот вклад в I вне зависимости от типа молочного металла, режима огггичоской накачки и отношения т./т (см.защитаекыэ положения). Укэзаи-8

пая особенность однозначно молят сыть обхяскена спецификой оптнчеснп.! ориентации-щелочных атомов л резонансной линией свотэ накачки, деиот-зко которого но рзспрострэняотся на магнитный подуровень с экстремальным значением магнитного квантового числа т , где в результате накачки сосредоточено большинство атомного ансамбля. С др.уго.1 стороны, характер поведения зависимости от Р'Т для режимов а и в как доя атсмоз цэ-зия, так и для рубидия, принципиально различен: в одном случае (режм А) рост темпа накэчки приводят к монотонному уселичонпа отношения <-> [<, что со'ьясняотся увеличения числа атомов но нспоглопадр« магкигиои шдуроьио; в другом (режим в) - набл»цзотся явно выражеяшка максимум зависимости от И'Т , свидетельствующий о конкуренции провесов тепловой и опткческой релаксации, а также эффекта спонтанной эмиссии рав-ноБороятно ззеоляздзй магнитные подуровни основного состояния. Еолдаш а, р и и определялись в диапазоне скоростей нэкачки ¡ч--'Г . равном (0.4-3?,) - г, 1. .Диапазон изкоиеьиа отношения т,"г составил (0.СКЛ-]).

Приведенные даштые кэоффязюнтов * и р для принятой двухуровневой модзли позволяет предсказать величину оптимальной интенсивности се.ота накачки >( при аппроксимации сигнала поглощения л^решрвьм кок -туром фермы линии. Если за критерий этого оптимума приняз ь максимум отношения сигнал-шум к величию г "* (при учото только дребошх шумов Фототока), элементарный расчет приводит к следующему ьь'р:г:кешиа:

< 4" >опг = Т^Г V 1 "Г? + -Г- + ' < 7Г >г'14 7Г "Г 1 < 'г >г 1

р лУ^ » 11

Как нетрудно убэдсться. при у словил /> -- 1 это гира^шм диег известные значения оптимального света накачм д:я ипухур-\-ш:евой сисг^мы. Однако для реального случая атомов полочных потэлдов когф&одюггы « и не рангаI единице, поэтому, ьеличина О-"?' ).. ,г иьредилвтея по закиси-мости а от % исходя из пропорциональности мэзду сигналом одлкпздшя в резонансе и происведонием м на "корость лшачки Р'Т • Пилу-шиш таким образом зависимости к,утр)оит от отношения для режимов и и Р оптической -накачки щелочных атомов суеуиптлгсга лличзотся от инчлтп-.ой зависимости для двухуровневой сис^мы (см.згчгяцчекыэ полглсаич).

В разделе приведены результаты экспериментального исследования малогабаритных камер поглощения (10-30) мч при "комнатной" теи<п?рзтуро содержащих атомы Сз"' и кь"7 при нчкччко щфг-улярнополяризованным сво-том ¿>5 и о + Д. - линий спектра. Исследования показали сходстро с ре зультатами расчетов в значения* отне-шн/.й вкладов света накачки во промена релаксации т{ и т . Значительное снижение ичтенсииюсти света из-, качки интерференционным фильтром не позволило достичь, оптимального фак-

' О

тора кзчоства в варианте в - линии. Однако, по"приведенной выше моторике, используя средние значения отношения величин asp, сделаны оценки оптимальных скоростей накачки. В случае накачки светом Pt + Рг - линий в отсутствии эффекта перемешивания экспериментально определенный оптимум удовлетворительно совпал с соответствуюшрй оценкой по средним значениям отношений a'ft (4.5 и 6 "темновых" ширин линии соответственно). Измерения времен релаксации Г и Тг проводились по ширине линии стационарного сигнала магнитного резонанса, экстраполированной к нулевым интенсивности« радиополя и света накачки. Проводилось также дублирование измерения величины т по длительности переходных процессов при периодическом включении насыщавдаго радиочастотного поля. Измерения проводились в однородном магнитном поло напряженностью ~ 0.01 Э.

В условиях оптической накачки циркулярнополяризовэнным светом Dt + + и - линия атомов Сз'" при наличии Покрытия стенок ячейки определено изменение оптимального света накачки в зависимости от отношения ,

гдэ знак означает неоднородное уширониэ линии. Порченная зависимость аналогична расчетной зависимости оптимального света накачки от отношения т^т . Измерения проводились в диапазоне магнитных градиентов ~ (0~10"s) Э^см. Анализ экспериментальных результатов позволяет сделать следующие вывода:

1. Вклад света накачки в поперечное время релаксации в <3- 10) раз превышает аналогичный вклад в продольное время релаксации, что согласуется с расчетом;

2. В случае магнитных градиентов при изменении отношения в диапазоне (0.5-0.ГО) оптимальная скорость накачки стремится к десятым долям величины г*"1.

' Третий раздел посвящен исследованию режима оптической накачки а для атомов цезия в условиях селективной оптической ориентации неразрешенной сверхтонкой структуры основного состояния лазерным источником, настроенным на одну из компонент линии поглощения vt , либо Рг . Исследования проводились па основе расчета следующих данных:

1. Средние значения относительных населэнностей основного состоя-цу.п в зависимости ст тсмги ызкачки при полном разрешении сьерхтонкой структуры всзбундошюго состояния (накачка компонентами r>t, либо пг -линии) и era частичным перекрытием вследствие допплеровского уширэния

d - линии поглощг-ш'.я.

ii. Средам значении Есрюк'плзстой порсходев между магнитными подуровней cvncniu-na состоим»?, рассчитанные по вероятностям поглощения и стоггчисм .¡ми:'с.:и. v ■ <0

В варианте селективной накачки компонентой циркулярнополярийсвап-ного света В1 - линии перекрытие линия поглощения практически отсутствует, при этом атомы в процессе накачки переходят с поглощающего свет подуровня на непоглощающий подуровень основного состояния. Данный режим накачки рассмотрен на примере перехода между сверхтонкими подуровнями основного и возбужденного состояний с полными моментами к = 3. Но методике, описанной во втором разделе, получены зависимости величин о, а и м от скорости накачки при значении отношения т/ т = 1. Оптимальный свет накачки (гз/тр)от составил величину 2.5хГ2-1. В отличие от 01гп1-ческой накачки ламповым источником 1> - линией, рассмотренной н предыдущем разделе, лазерная оптическая ориентация одной из компонент в -линии дает отношение а/р большее единицы для магнитных подуровней одного из сверхтонких состояний, подверженных воздействию накачки. Последнее объясняется обеднением атомных засоленностей, формирующих продольную компоненту Еектора намагниченности, изменение которого адекватно отражает результирующий сигнал поглощения в условиях магнитного резонанса .

В случав селективной накачки компонентой циркулярнспаляриэовзшюго света в - линии присутствует частичное перекрытие линий поглощения. В качество рабочего в данном случае выбран переход можду подуровнем а Г -= 4 основного состояния и подуровнем с Р = 5 возбужденного состояния. Такой вариант оптической накачки выбран исходя из следующих соображений :

1. Данный переход является наиболее интенсивным в спектре V -

- линии.

2. Обеспечивается минимальное герекрьппе контуров <:оглг:^.чил соседних сверхтонких компонент, что препятствует перэк:;чко зтемев с подуровня с Р = 4 на подуровень с Р = 3 основного состояния.

По данным расчета, учат дспилоровского ушире.чия сверхтонких ксюю-нент л - линии поглощения (' 380 МГц при "комнатной" температуре), отстояли друг от друга на частотный интервал 253, 203, и 152 МГц приводит в условиях селективной лазерной накачки на переходе Яг,г(Р = 1)

- (^ = 5) к некоторому обеднении атомных заселепнсспеа нз кзаимо-действующие со светом магнитных подуровнях основного состояния с * = 4. Однако это обеднение, вызванное частичными переходами из г - состоянии на подуровни основного состояния с Р = 3 не превышает для рассмотрении? условий величину ~ 5%, что практически не сказывается на выводах р»-?ультатсв рассмотрения процесса селективной накачки - линией с'аз /чета диамл-еропского _ушир<?нил компонент линии поглощения. Осяоешдм . («-

зультаюм этого рассмотрения следует считать тенденции уиенсвкмши шьи-кения с ростом темпа накачки (в отличие от режима оптической накачки А для Р1 - линии), поскольку в данном случае наибольший весовой вклад в формируемый сиг-нал поглощения вносят мэгнитныо подуровни, имеющие наибольшую вероятность поглощения света. Максимум вариационной чувствительности сигнала магнитного резонанса при этом достигается при 45-кратном провьшмнии интенсивности света накачки над скоростью тепловой релаксации для случая г = т . Зги данные позволяют сделать вывод о целесообразности использования лагерных источников накачки в малогабаритных квантовых дискриминаторах, предназначенных для исследования вариаций магнитного поля.

В четвергом разделе описывается методика эксперимента и основные узлы зкспэртентальноа установки.

Основноо внимание в экспериментальной части работы уделено изготовлению и исследованию малогабаритных порощс-лочных ячеек с покрытием, поскольку именно эти элементы определяют в конечном счете характеристики наблюдаемого сигнала и воспроизводимость результатов. Б отечеетвэн-ной практике изготовления ячеек с покрытием процесс нанесения покрытий детально изучен в систоме НПО "Рудгесфизжа", разрабатывающой квантовые мзгнитомотры с олгическоя накачкой. Основой технологии здесь явля:отся два этапа: первый этап - формирование? анткрелзкеацноино!о покрытия на поверхности стенок ячеек, помещенных в термостат, с пошэдю "газовоздушного" пламени горел;«; на втором этапе - восстановление щелочного металла из соли. Зарубежный опыт изготовления ячеек с покрытием основан на реакции полимеризации, с помощью которой химическим способом (без термической обработки) удается создать высококачественное покрытие стенок ячеек. Необходимо сказать, что оба стесненных способа нанесения покрытий соверЕонно неприамлимы для изготовления минизтярных ячеек, рабочий даауотр которых га'превышает величину 10 мм, при диа-.-.отре технологического отростка менее 1 им. Поскольку в работе исследовались именно такие ячейки, была разработана специальная методика нанесения покрытий в условиях малогабаритных иарещелочных пчеок,'основанная на выполнении следующих трозевзниа:

1. Предельное пшаетше размеров отростка резонансной пчог.ки, а чгстн.к'ти его дизмотра. ■

2. Обосгкпонго с?*{пкиости материала шкрнткя и его ссозганг/допка в луашеот вакуу^ног 01кячки и отпайки ячеек..

3. Погл.\Г;оа-}ТМКК;С! сг.ущоп г-ленуе процессов изкоооаия покрытия и Г.ПОД1 ГарОВ ¡ГСЛГ'гЗ'ЫО »опл;.? н .условиях имз<>гллиюа ЬЗ»;УУМ!:СЙ и дочки

' <

(в одни этап).

¡полтонне этих требований обеспечивалось применением следующих элементов в технологическом процессе изготовления ячеек:

1. ЗСгацопровода, охватывающего парощелочную ячейку в момент отладки.

Гу Горного таза, вводимого в ячейку при малых давлениях (кос-кол1ко десятых тор).

3. Конденсатора щелочных пароз, вводимого в ячейку механически! способом.

Для кон фоля качества покрытий малогабаритных ячеек использовался исштэтолишл стенд, реализованный по структурной схеме парощелочногп СВЧ д'ЛС'К'.'лм'.шаторп. Минимальное расхождение рабочей частоты на сверхтонком 0-0 1.и ре ходе, которое удалось реализовать для двух идентичных ячеек с покрытием, ссстэиало несколько десятков герц при коэ4д{.:щиэггго токгк-р-и урною сдап-э часаоач: шрядкэ 1 Гц тр.

Ь раздело приг.одено тлюда списашу» экспериментальной установки, осгаоь яиюа на -гр-углг.'Л'цол методике синхронного ' дотектировапин розо-нансашю сигнала.

..¡1 >;я£1'М рин©». прш\яои сопоставительный анализ некоторых способов иадкироышия сигнала мтштпото резонанса в оптически ориентированных атомах.

амрзтипеекп;! анализ стационарного отклика спиновой сист. мы па ноняч'^гь/о радиоимцулн'ной шсл^допэтвльяссти ПАмет из-

вестных решений дли кемна-яент вектора намагниченности в момент оконча-н:м р 1пи'":-имг;ульса г и тхе^дгния амплитуд порьой гармоника частота сл.;дч,ичл;«1 радиоимпульсе» х, пупам иптехр/р-'Э'жя (илукитыт период г. Многорюзонаилгн,") харакаг-р отклик! гл^мно'1.!. системы ?.; воз-ЯР&спии радисполя полуае.ч в гиде сорил р^з-имяста мпигл - са;оллигов, отсг^.яадх друг от ;гру1':ч на величину, ¡фап:уп час.ото следования радиоАнализ расчеыих и аа.спа;'Л'.'с.аа'а.'.'а'а.'Х дандых позволяет с,:олать с.-/;-аус.«» юсла:

1. К^-ет место опг/лум для параметра:; радиоим!¡ульсов, при чутороч ¡а^ь-р ктюстьа (сзсиэясяод .жми достигает максимума. 0;ггнмал:.-'ч:? ье-личквэ амплитуду рэдгюкчиуди'св <7 связана с гиргкатр-Е«! * , /

образом:

■-- ;:.7<.- г/,) '.

хдо , - гаричзгат:;*? эглгхятп.

.1. Отсутствие а -'л ГЛЛ'л-.'м •. нсме-

13

I 1

рз сателлита. Увеличение интенсивности радаополя приводит лишь к изменению формы и ширины огибающей спектра наблюдаемого сигнала.

3. Изменение параметров радиоимпульсов приводит к частотному сдви-1-у резонансных линий - сателлитов, обшей тенденцией которого является уменьшение частотного интервала между линиями - сателлитами с увеличением интенсивности радаополя.

Экспериментальная проверка результатов 'анализа показала качественное соответствие расчетных и экспериментальных данных.

В качестве иллюстрации взаимодействия атомной системы с импульсным радиополем представлены спектры поглощения, характеризующие отклик системы атомов на воздействие ЛЧМ - имдульсов.

Проведено сравнение полученных резонансных сигналов с соответствующими расчетными энергетическими спектрами воздействующих радиоимпульсов различной конфигурации (прямоугольные и ЛЧМ радиоимпульсы).

Б разделе расчетным способом проведена оценка дискриминирующей способности резонансного сигнала в оптически ориентированных атомах изотопа Не* в условиях импульсного разряда при воздействии стационарного или импульсного радиочастотного поля. Предварительные эксперименты на атомах Не' показали увеличение сигнала магнитного резонанса при по-рехода от стационарного к импульсному разряду в каморе поглощения. Исследования проводились в диапазоне давлений (1-3)тора.

В заключении сформулированы основные положения и вывода диссертационной работы.

Основные результаты проведенных исследований:

1. Проведен обзор существующих методов оптической накачки, вопросов оптимизации режимов работы квантовых устройств. Отмечены особенности оптической накачки и технологии изготовления рабочих образцов в условиях миниатюризации квантовых устройств, предназначенных для работа в .■экстремальных условиях.

?,. На основе двухуровневой медали в приближении оптически тонкого слоя исследованы расчетным путем и экспериментально особенности оптической накачки щелочных атомов ь, условиях неразрешенной зоемэновскуи структуры осял'ного пчпчяьия. Получены с-сочксгсякя и пиелмшки значения для 0!гп!мл.ш«!х сксрчсг.'Я лжачг.н i' случае, агг-жч» со спинок ядра j, рлииыи <1?, и 7 Г; ¡'! уславиях лауЦ'Чюй п лазерной на сачки цилкуллрнопелн-риао'ла.чным cl-oj;"-! и i\t- при наличии и отсутствии э-ЭДокхп поро-

«ожиания ь >чо/с :ни, .г,"л. ix знччгннк o'üiouií'Hnn

rev.H-'.^i-'л i^tvcH ¡v'.'.-i'cc ¡.ц-и 7| и. v,.

3. Л-зг. !•: i ::liar::''V«:';.:!T'i. r'Tiyvy.-.ar y-¡ ач. !-ка, ;]ara¡.v!i.!,:;rm из-

готавливчть спектральные лампы и каморы поглощения различных конфигурация. Разработана и испытана методика нанесения покрытий на малогабаритные каморы поглощения, а также изготсалены и исследованы по сигналу СВЧ резонанса опытные партии образцов с различным заполнением.

4. Созданы экспериментальные установки, позволяющие осуществить процесс оптической накачки щелочных металлов и изотопа н«з* в диапазоне магнитных полол (0 - 0.5) 3 и магнитных градиентов (0 — ]СГ2) Э--см.

6. Расчетным путем и экспериментально исследованы особенности сиг -нала магнитного резонанса, индуцируемого последовательностью радиоимпульсов. Определены оптимальные параметры радаополя, проводепо сопоставление наблюдаемых спектров поглощения с энергетическими спектрами исходаых радиоимпульсов.

в. Расчетным путем на основе двухуровневой модели атомов исследован гхирсе г.шичоскси накачки Не* в условиях импульсного высокочастотного разряда в каморе поглощения при воздействии стзциочарши о или импульсного рэддополя. Угшювлсио преимущество импулюлого я ерэьиении со стациошршя в условиях больших давлений Не4 в камор« ксг-лгацония.

7. Изт о топлены мало; тЗаритизо ячейки, заполненные Не* да дчвтонна (1 - 3) тора. Проведены предварительные эксперименты по определению зм • плнгуд сигнала магнитного раионзноа. Отмочено увеличении резонансного сигнала в условиях импульсного разряда в камере» поглощении в сравнении со с.:у глея етзиюялраого разряда.

Работы, опубликованные! по матррилд-м диссертации:

1. ¿.у,;;к1п; В.К., К[м.чк С.В., Никифоров >1.1-.« поч; унькин I!.!!)., Соме-нов В.В. Способ формирования сигнала мэпиггвога резонанса ••• Ашг.рск-.'О свидетельство н148ЬСК2, 1ШЯ.

8. Дудаин Ь.И., Грмак С.о., Никифоров Н.Ф., Гютруныиш В.В., Семо-нов В.В. Сравнение сигналов ошгической накачки, индуцируемых розспанс-Н!1м радиочастотным полем в стационарном и импульсном режимах ■• Радиотехника и электроника. - ¡969. - Т.31. - С. !313~13'3и.

3. Ермак С.В., Никифоров Н.Ф., Семенов И.В. Пьаможпосги икнулюнои

метчдаки индуцирования стзгапи 1р1шх сигналов маппггнгл о {«чонзнеч при разработке квантовых вариометре й - ■ Тезисы докладов уп Воесоизной : с с ч - -феропции "Проблемы напничых измерении и м'л ннто/зуориюл! пел трат у ■ ри". - Л. - I'«!. - с.;,з- о}.

4. Ермак C.B., Никифоров H.Ф., Семенов В.В. Импульсная методика индуцирования стационарного сигнала магнитного резонанса в оптически ориентированных атомах^ 1езисы докладов' Второго Всесоюзного, семинара ш оптической ориентации атомов и молекул. - Л. - 1989. - С.50--5;-;.

5. Семенов Б.В., Никифоров Н.Ф., Ермак'C.B., Дэвидов В.В. Расчет сигнала магнитного резонанса, индуцируемого .после доьэтелыюстью радио-импульсов-*' Радиотехника и электроника. - 1УУ0. - 1.35. - С.2179-21Ш.

С. Дудкин В.И., Ермак C.B., Никифоров Н.Ф.. Семенов Ь.В. Формирование даскриминаторной характеристики квантового магнитометра путем сравнения периодов следования резонансного сигнала" Тезисы докладов VI3 Всесоюзной конференции "Проблемы магнитных измерений и магнитоизмо-ритальной аппаратуры". - Л. - 1У8Э. - С.24-25.

7. Ермак C.B., Никифоров Н.Ф., Семенов В.В. Квантовый магнитометра Авторское свидетельство ы 1655212, 1901.

8. Ермак С.Б., Никифоров Н.Ф., Cokoiiob В.В. Способ настройки на центр линии-*' Авторское свидетельство N 1824291!, 1993.

S. Ермак C.B., Никифоров Н.Ф., Семенов В.В. Информационные возможности орионтационной зависимости сигнала оптической панамки*' Тезисы докладов Второго Всесоюзного .семшшра по оптической ориентации атомов и молекул. - Л. - 1089. - С.52-54.

10. Ермак C.B., Никифоров Н.Ф., Семенов В.В. Использование орионтационной зависимости сигнала огггической накачки для определения компонент магнитного поля-*-* Тезисы докладов y i i Всесоюзной конференции "Проблемы магнитных измерений и :,'.эпжгаизморитольн:я аппаратуры". - Л. - 1989. - C.G-7.

'11. Дудкин В.И., Ермак С.В., Никифоров И.О., Иетрунькин В.Ю., Ро-аов C.B., Семенов В.В. Квантовый магнитометр <■ ** Ааторсксо свидотольство H 1GU931Ü, 199U.