Нелинейная спектроскопия лазерно охлажденных атомов рубидия-87 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи.

ТЕРЕЩЕНКО ЕВГЕНИЙ ОЛЕГОВИЧ

НЕЛИНЕЙНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ЛАЗЕРНО ОХЛАЖДЕННЫХ АТОМОВ РУБИДИЯ-87

Специальность: 01.04.21 Лазерная физика

4855786

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 2010 г.

4855786

Работа выполнена на кафодро квантовой радиофизики (Физический институт им.П.Н. Лебедева РАН) Московского физико-тсхничсского института (Государственного университета).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Колачевский Николай Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Пальчиков Виталий Геннадьевич

кандидат физико-математических наук Величанекий Владимир Леонидович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт спектроскопии РАН

Защита состоится «г. в ¡0_ часов на заседании диссертационного совета Д 212.156.07 при Московском физико-техническом институте (ГУ) по адресу:

141700, МО. г.Долгопрудный, Институтский пер., д.9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института (ГУ).

Автореферат разослан « » ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.156.07 .

Коршунов С.М.

I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время магнитооптическая ловушка (МОЛ) обеспечивает один из самых простых и надежных способов охлаждения и удержания атомов. Преимуществами при работе с магнитооптической ловушкой являются низкие температуры и скорости атомов, возможность управления их движением, высокая локализация в пространстве, практически полное подавление эффекта Доплера, а также уверенный контроль за абсолютным количеством атомов и их концентрацией. Захват и охлаждение атомов в МОЛ используется как первая стадия охлаждения и накопления атомов в задачах прецизионной спектроскопии, метрологии (стандарты частоты, определение фундаментальных констант), при создании конденсированных состояний, в задачах квантовой информации и атомной интерферометрии. Холодные атомы, приготовленные в МОЛ также используются при создании ридберговских атомов, холодных молекул (в том числе экзотических), а также при создании высококолли-мированных монохроматических атомных пучков.

Спектроскопические исследования атомов в МОЛ позволяют в ряде случаев значительно повысить точность измерений положения уровней и сечений, получить информацию о виде потенциалов взаимодействий между ультрахолодными атомами, а также выполнить уникальные исследования в экзотических атомах, например, в атоме франция, не имеющего стабильных изотопов [1]. Спектроскопия атомов в работающей МОЛ обладает определенной спецификой, поскольку атомы находятся в сильном охлаждающем лазерном поле, влияющем на структуру атомных уровней.

На сегодняшний день фемтосекундные лазеры находят все более широкие области применения, в том числе в спектроскопических исследованиях. Основными достоинствами использования импульсно-периодического фемтосекундного излучения (ФИ) для задач спектроскопии являются их широкий спектр излучения, фазовая когерентность и малая спектральная ширина мод излучения, а также большая пространственная яркость. Эти особенности оказываются уникальными при решении задач спектроскопии высокого разрешения в широком спектраль-

ном диапазоне. Так, например, авторы работы [2] использовали излучение фемтосекундного лазера при спектроскопии молекулярных образцов методом Фурье-анализа, что увеличило чувствительность, повысило точность и на порядки сократило время измерения. В свою очередь, в работе [3] излучение импульсно-периодического фемтосекундного лазера было разложено в спектр с использованием метода скрещенных дисперсий, причем удалось разрешить отдельные частотные моды лазера. Помещая молекулярные поглотители, авторы регистрировали спектры молекул в широком спектральном интервале, по которым молекулы можно за малое время однозначно идентифицировать.

Одной из актуальных научных задач является исследование взаимодействия атомов в магнитооптической ловушке с излучением фемтосекундного лазера. В ряде крупных лазерных центров были выполнены работы по исследованию двухфотонных переходов в МОЛ [4,5], представляющие интерес для задач метрологии. В настоящей диссертационной работе выполнена спектроскопия однофотонных переходов между уровнями 5Р и 5Б в магнитооптической ловушке для атомов рубидия-87.

Цель диссертационной работы. Основной целью диссертационной работы является исследование взаимодействия атомов, захваченных в магнитооптическую ловушку, с импульсно-периодическим излучением фемтосекундного лазера.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• Создать магнитооптическую ловушку для атомов рубидия-87.

• Исследовать структуру уровней 581/2, 5Рз/2, 5Б3/2,5/2 в атоме рубидия и расщепление Раби 5Р3/2 уровня, возникающего при взаимодействии с охлаждающим излучением.

• Исследовать взаимодействие атомов в ловушке с импульсно-периодическим излучением фемтосекундного лазера.

Научная новизна работы

• Разработана новая методика исследования структуры уровней атомов с высоким разрешением в лазерном поле магнитооптической ловушки. С ее помощью исследовано расщепление Раби уровня 5Р3/2.

Продемонстрировано соответствие с теоретическими предсказаниями.

• Впервые исследовано взаимодействие холодных атомов рубидия с излучением фемтосекундного лазера в магнитооптической ловушке в спектральном диапазоне 770 - 820 нм. Показано, что излучение фемтосекундного лазера взаимодействует с атомами в магнитооптической ловушке и как набор спектральных компонентов, и как мощное широкополосное излучение, влияющее на вид регистрируемых спектров.

• Разработана новая модель резонансного заселения подуровней сверхтонкой структуры уровня 505/2 отдельными модами фемто-секундной гребенки с учетом ионизации всеми модами.

• Реализована новая методика абсолютного измерения населенности уровня 5В5//2(-^" = 4) по зависимости скорости потерь холодных атомов от мощности фемтосекундного излучения. Методика может быть использована в тех случаях, когда прямое измерение по сигналу флюоресценции затруднено или невозможно.

Основные положения, представленные к защите

1. Создана магнитооптическая ловушка для атомов рубидия-87 со следующими параметрами: число атомов - 106, максимальная концентрация — 10исм~3, температура - 300 мкК.

2. В магнитооптической ловушке расщепление 5Р3/2 уровня рубидия линейно зависит от отстройки частоты охлаждающего поля в диапазоне от —20 МГц до —6 МГц от частоты резонансного перехода.

3. Зависимость потерь холодных атомов за счет ионизации излучением фемтосекундного лазера позволяет определить абсолютное значение населенности уровня 5В5/2. Чувствительность метода составляет Ю-4 для абсолютной населенности атомов в состоянии 505/2, что соответствует 100 атомам в условиях эксперимента.

4. Фемтосекундное излучение взаимодействует с облаком холодных атомов одновременно как отдельными резонансными узкими спектральными модами, так и всем спектром в целом.

Научная ценность работы состоит в разработке новых спектроскопических методик, применимых к облаку атомов в магнитооптической ловушке. Получены и проанализированы спектры взаимодействия фем-тосекундного излучения с холодными атомами.

Достоверность и обоснованность полученных результатов базируется на использовании апробированных методик, развитых ведущими лабораториями мира, и подтверждается публикациями в рецензируемых научных журналах и обсуждениями на международных конференциях.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на конференциях:

• International Conference on Coherent and Nonlinear Optics/on Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT), May 28 - June 1 2007, Minsk, Belarus.

• XVIII Конференция по Фундаментальной Атомной Спектроскопии, 22 - 26 октября 2007, Звенигород.

• The 40-th European Group for Atomic Physics conference (EGAS), 2 -5 July 2008, Graz, Austria.

• XIX конференция по Фундаментальной Атомной Спектроскопии, 22 - 29 июня 2009, Архангельск-Соловки.

• XXIV Съезд по спектроскопии, 28 февраля - 5 марта 2010, ФИАН-ИСАН, Москва.

Личный вклад автора

Автор внес решающий вклад в результативную часть диссертационной работы. Им разработан и собран экспериментальный комплекс для лазерного охлаждения атомов рубидия-87, а также выполнены исследования расщепления Раби и исследования взаимодействия атомов с фем-тосекундным излучением.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 85 страниц. Диссертация содержит 34 рисунка. Список цитируемой литературы состоит из 78 наименований.

II КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы.

В первой главе диссертации описывается устройство и характеристики магнитооптической ловушки для атомов рубидия-87.

В первом параграфе излагаются основные принципы лазерного охлаждения атомов. Приводится формула для силы, действующей на двухуровневый атом в стоячей электромагнитной волне, частота которой несколько меньше резонансной частоты атома. Показывается, что эта сила для медленных атомов пропорциональна скорости атома (Р = — |а|и). Такая среда называется «оптической патокой». Приводится формула для доплеровского предела температуры атомов в «оптической патоке» (Тдоп = ЙГ/(2 кв)).

Во втором параграфе объясняется принцип работы магнитооптической ловушки (МОЛ). Для захвата атомов в МОЛ кроме лазерных полей используется стационарное сильно градиентное магнитное поле. При этом поляризация охлаждающих полей должна быть правильно выставлена. Показывается, что для медленных атомов и небольших отклонений от центра ловушки на атомы действует сила F = —аь — ¡Зг. В МОЛ атомы охлаждаются и локализовываются в области нуля магнитного поля.

Третий параграф посвящен описанию магнитооптической ловушки, собранной для выполнения задач данной работы.

Изотоп 87ИЬ является стабильным изотопом рубидия с одним электроном на внешней оболочке, поэтому структура уровней такого атома является достаточно простой, а сильные резонансные переходы, использующиеся для охлаждения, можно возбуждать излучением мощных полупроводниковых лазеров Л = 780 нм. Поэтому атом 87Ш) является хорошим кандидатом для лазерного охлаждения. Для охлаждения использовался циклический переход 531/2 {Р = 2) —^5Рз/2 (.Р1' = 3) в атоме рубидия-87 (см.рис. 3).

Для формирования охлаждающего поля используется три лазера (см. рис. 1). Частоты задающего и перекачивающего лазера стабилизируются по схемам насыщенного поглощения во встречных пучках. Ведомый лазер работает как усилитель мощности для излучения задающего лазера.

Лазерное охлаждение и пленение атомов происходит внутри стеклян-

Рис. 1: Лазерная система. Обозначения: ФД - фотодиод, ПК - поляризационный кубик, ООВ - одномодовое оптоволокно, АОМ - акусто-оптический модулятор.

ной кюветы. Вакуум в кювете поддерживается гетеро-ионным насосом на уровне 1 х 1СГ9 миллибар. Источниками атомов рубидия служат диспен-серы, что позволяет регулировать концентрацию атомного газа рубидия.

Собранная в данной работе магнитооптическая ловушка обладает следующими характеристиками:

• число атомов, оцененное по сигналу люминесценции, составляет 106

• характерный размер облака, оцененный по фотографии, сделанной CCD камерой, составляет 140 мкм

• температура атомов, измеренная методом разлета и перезахвата, составляет 300 мкК

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию структуры уровней атома 87Rb в магнитооптической ловушке.

В первом параграфе приводится теоретическое рассмотрение взаимодействия двухуровневого атома с монохроматическим полем.

Во втором параграфе описывается экспериментальная установка по изучению расщепления Раби.

Расщепление уровней изучалось по сигналу люминесценции от облака холодных атомов при спонтанном распаде с 6Р уровня (А = 420 нм, см. рис. 3) при сканировании частоты пробного лазера на 776 нм (см.рис. 2).

Рис. 2: Схема эксперимента по исследованию расщепления уровней атома рубидия в МОЛ. Возбуждение холодных атомов осуществляется короткими импульсами. ФЭУ и счетчик регистрируют люминесценцию атомов на длине волны 420 пм.

Рис. 3: Схема уровней рубидия-87, задействованных в данной работе.

Пробное излучение подавалось на атомы импульсами для устранения влияния этого излучения на равновесное число атомов в ловушке. В третьем параграфе приводятся экспериментальные результаты. Спектры люминесценции при возбуждении переходов 5Р3//2(^' = 3) ->5В5/2(Г' = 4,3,2) и 5Р3/2= 3) -*5Б3/2(Г' = 3,2) приведены на рисунке 4 (а) и 4(6). По этим спектрам изучалась зависимость рас-

-50 0 50

Лазерная отстройка 8Ш, МГц

100 -50 0 50

Лазерная отстройка <5776, МГц

Рис. 4: Экспериментальная зависимость населенности уровня 5Бв/2 (а) и 50з/2 (6) от отстройки частоты пробного лазера (¿77в).

-20 -15 -ю -5

Лазерная отстройка Д780, МГц

-18 -14 -10 -6

Лазерная отстройка <?780, МГц

Рис. 5: Зависимость расщепления Раби (Ли) от отстройки частоты охлаждающего поля (¿780) для перехода бРэ/гС-Р1' = 3) ->505/2(^1" = 4) (а) и для перехода 5Р3/2(^' = 3) = 3) (б). Точки - экспериментальные данные, сплошная и пунктирная

кривая - аппроксимация различными теоретическими зависимостями.

щепления Аи> от параметров магнитооптической ловушки (см. рис. 5). Из рисунков 5 (а) и 5 (б) можно сделать вывод, что зависимость расщепления Раби (До;) является линейной во всем рабочем диапазоне отстроек частоты охлаждающего излучения (¿78о)-

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию взаимодействия атомов в магнитооптической ловушке с излучением фемто-секундного лазера.

В первом параграфе описывается схема экспериментальной установки для исследования взаимодействия атомов в магнитооптической ловушке с излучением фемтосекундного лазера (рис. 6). Акустооптический модулятор на рисунке б используется для включения и выключения излучения фемтосекундного лазера в магнитооптической ловушке. В эксперименте регистрировался сигнал люминесценции холодных атомов при спонтанном распаде с уровня 5Рз/г- Для детального исследования ме-

ханизмов взаимодействия с лазерным полем также была предусмотрена возможность облучать охлажденные атомы излучением непрерывного лазера, которое резонансно с переходом öS^ —>5Pi/2 (А = 795 нм) или 5Р3/2 ->5D5/2 (А = 776 нм) в атоме рубидия.

Рис. 6: Схема эксперимента. 1 - непрерывный диодный лазер с длиной волны 776нм или 795 нм; 2 - облако холодных атомов; ФД - калиброванный фотодиод, АОМ -акустооптический модулятор.

Во втором параграфе приводятся основные экспериментальные данные. В эксперименте снималась зависимость люминесценции холодных атомов от частоты повторения фемтосекундных импульсов (рис. 7). Анализ частот расщеплений линий 1, 2 и 3 позволяет сопоставить их сверхтонким переходам 5Р3у2(^?' = 3) = 4,3 и 2) соответственно. При этом центральная частота спектра фемтосекундного излучения близка к резонансной частоте перехода 5Р3/2 —>5В3д5/2. Ожидалось, что основным механизмом взаимодействия будет резонансное возбуждение сверхтонких переходов между подуровнем 5Р3у2(^' = 3) и сверхтонкими компонентами = 2,3,4) холодных атомов одиночными модами фемтосекундной гребенки. Эффект, обусловленный перераспределением населенности в атоме, должен быть незначительным, поскольку мощность, приходящаяся на одну частотную моду гребенки мала (менее 10 мВт). Однако, из рисунка 7 видно, что при взаимодействии атомов с ФИ люминесценция уменьшается в несколько раз, что нельзя объяснить только взаимодействием с одной или несколькими резонансными модами. Был сделан вывод, что в процессе взаимодействия участвуют и другие механизмы, такие как: световое давление ФИ на атомы, двухфотонное возбуждение, ионизация, нелинейные процессы с участи-

1 яйН*.

ем нескольких гармоник и т.д. После проведения серии дополнительных экспериментов с непрерывными лазерами, настроенными на резонансные переходы 776 и 795 нм, было доказано, что основные потери атомов в случае возбуждения ФИ обусловлены ионизацией с уровня 5Б, которая осуществляется всеми модами спектра фемтосекундного излучения.

5 з.о

| 2.0 я

5 1.5

я

о £ 1.0

¡0.5 ч

ч 0.0 я

| 20 40 60 80

и Отстройка частоты повторения Гн

Рис. 7: Зависимость сигнала люминесценции атомов в магнитооптической ловушке от частоты повторения фемтосекундных импульсов (пунктирной линией показан уровень люминесценции без фемтосекундного излучения).

Также экспериментально была получена зависимость скорости загрузки ловушки от мощности фемтосекундного излучения (рис. 8). Центральная длина волны ФИ равнялась 820 нм, что далеко от любых резонансных частот в рубидии. При этом в ловушку также заводилось излучение непрерывного лазера, резонансное с переходом 5Р3/2 —> 5Б5/2- Коэффициент наклона экспериментальной кривой на рис. 8 можно пересчитать в абсолютную населенность атомов на уровне 5Е>5/2-

В третьем параграфе выполняется теоретическое моделирование взаимодействия атомов в МОЛ с фемтосекундным излучением. В модели рассматривается 5 сверхтонких подуровней атома рубидия в резонансных лазерных полях. Для данной системы уровней были решены балансные уравнения и вычислены населенности на сверхтонких подуровнях уровня 50б/2 от мощности одной моды ФИ. Вычисленные населенности используются для определения коэффициента потерь атомов в ловушке Гюп(/гср), вызванных ионизацией, как функции от частоты повторения

О 25 50 75 Мощность ФИ, мВт

Рис. 8: Зависимость скорости загрузки ловушки от мощности ФИ с центральной длиной волны Л = 820 нм.

Отстройка частоты повторения, Ги

Рис. 9: Результат моделирования взаимодействия холодных атомов с ФИ. Сплошная кривая - экспериментальный спектр, пунктирная - результат теоретического моделирования.

фемтосекундных импульсов /гер. Затем определяется равновесное число атомов по формуле:

Щ.гер) =

Я

(1)

Поп (/гер) + Го

где Я - количество захватываемых в ловушку атомов в единицу времени, Го -потери атомов из ловушки в отсутствие фемтосекундного излучения. Результат теоретического моделирования приведен на рисунке 9. Как видно из этого рисунка, наблюдается хорошее соответствие экспериментального и расчетного спектров, что свидетельствует о корректности описания основных процессов, принимающих участие при взаимодействии ФИ с холодными атомами.

В заключении обобщены основные результаты и выводы диссертационной работы.

Основные результаты

• Создана магнитооптическая ловушка для атомов рубидия-87.

• Выполнено экспериментальное исследование расщепления Раби уровня 5Рз/2 атомов в магнитооптической ловушке.

• Проведено экспериментальное исследование и теоретическое моделирование взаимодействия атомов в магнитооптической ловушке с импульсно-периодическим излучением фемтосекундного лазера.

• Предложен метод определения абсолютной населенности уровня 5D5/2 по зависимости коэффициента потерь атомов от мощности фемтосекундного излучения.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. А.В.Акимов, Е.О.Терещенко, С.А.Снигирев, А.Ю.Самокотин, A.B. Соколов, H.H. Колачевский и В.Н. Сорокин, «Резонансное взаимодействие фемтосекундного излучения с облаком холодных атомов 87Rb», ЖЭТФ, 136, 419 (2009).

2. А.В.Акимов, Е.О.Терещенко, С.А.Снигирев, А.Ю.Самокотин, A.B. Соколов, и В.Н. Сорокин, «Исследование расщепления Раби переходов 5Р3/2~>5D5/2,3/2 атома 87Rb при каскадном возбуждении в магнитооптической ловушке», Квантовая Электроника, 40, 139, (2010).

3. А.В.Акимов, Е.О.Терещенко, А.Ю.Самокотин, К.А.Чебаков, А.Н. Матвеев, H.H. Колачевский, С.И. Канорский,. П.Б. Родионов, С.А. Снигирев, A.B. Соколов и В.Н. Сорокин, «Измерение частотных интервалов в оптическом диапазоне и спектроскопия резонансов когерентного пленения населенности с помощью гребенки частот фемтосекундного лазера», коллективная монография «Оптическая спектроскопия и стандарты частоты», Томск: Издательство Института оптики атмосферы СО РАН, стр.415 (2009).

4. А.В.Акимов, Е.О.Терещенко, С.А.Снигирёв, А.Ю.Самокотин, A.B. Соколов, H.H. Колачевский, В.Н. Сорокин, «Нелинейная спектроскопия рубидия в магнитооптической ловушке», Вестник Поморского университета. Серия: Естественные науки, № 2, сс. 59-67, (2010).

5. Е.О. Tereshchenko, D.A. Kondratjev, A.V. Akimov, V.N.Sorokin, and N.N.Kolachevsky, „Compact Magneto-Optical Trap for Rubidium-87 Atoms", ICONO/LAT 2007, Book of Abstracts, May 28 - June 1, National Cultural Center, Minsk, Belarus, cp749.

6. E. Tereschenko, М. Egorov, A. Sokolov, A. Akimov, V. Sorokin, N.Kolachevky „Resonance Interaction between Cold Rb Atoms and a Frequency Comb", 40th EGAS Conference, Book of Abstracts, 2-5 July 2008, Technische Universität Graz, Institut für Experimentalphysik, cp63.

Список цитируемой литературы:

[1] J.E.Simsarian, A.Ghosh, G.Gwinner, L.A.Orozco, G.D.Sprouse, and P.A. Voytas „Magneto-Optic Trapping of 210Fr" Phys. Rev. Lett. 76, 3522, (1996).

[2] В. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet, M. Jacquey, Y. Kobayashi, T. Udem, R. Holzwarth, G. Guelachvili, T.W. Hänsch, and Nathalie Picque „Cavity-enhanced dual-comb spectroscopy" Nature Photonics, 4, 55-57 (2010).

[3] S.A. Diddams, L.Hollberg, and V. Mbele, „Molecular fingerprinting with the resolved modes of a femtosecond laser frequency comb" Nature, 445, 627-630 (2007).

[4] M.J.Snadden, A.S.Bell, E.Riis and A.I.Ferguson „Two-photon spectroscopy of laser-cooled Rb using a mode-locked laser" Opt. Commun. 125, 70 (1996).

[5] A. Marian, M.C. Stowe, D. Felinto, and Jun Ye „Direct Frequency Comb Measurements of Absolute Optical Frequencies and Population Transfer Dynamics" Phys. Rev. Lett. 95, 023001 (2005).

Терещенко Евгений Олегович

НЕЛИНЕЙНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ЛАЗЕРНО ОХЛАЖДЕННЫХ АТОМОВ РУБИДИЯ-87

Подписано в печать 10.11.2010. Формат 60x84'/16- Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Уч.- изд. Л. 1,0. Тираж 60 экз. Заказ № ф -176

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский физико-технический институт (государственный университет) Отдел автоматизированных издательских систем. "ФИЗТЕХ-ПОЛИГРАФ" 141700, Моск. обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., 9.

Введение

1 Магнитооптическая ловушка

1.1 Принцип лазерного охлаждения

1.2 Охлаждение и локализация атомов в магнитооптической ловушке.

1.3 Магнитооптическая ловушка для атомов рубидия

1.3.1 Лазерная система.

1.3.2 Вакуумная часть.

1.3.3 Характеристики магнитооптической ловушки

1.4 Основные результаты главы 1.

2 Исследование расщепления Раби

2.1 Теория расщепления Раби.

2.1.1 Теория для двухуровневого атома.

2.2 Схема эксперимента.

2.3 Результаты.

2.4 Основные результаты главы 2.

3 Взаимодействие атомов рубидия с фемтосекундным излучением

3.1 Взаимодействие излучения фемтосекундного лазера с облаком холодных атомов.

3.2 Экспериментальные результаты

3.3 Резонансное взаимодействие на переходе 5Р3/2 —> 5Б5//

3.4 Основные результаты главы 3.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию структуры уровней рубидия-87 в магнитооптической ловушке, а также исследованию резонансного взаимодействия лазерно охлажденных атомов с излучением импульсио-периодического фемтосекундного лазера.

Впервые идея охлаждения нейтральных частиц радиационным давлением была высказана в работе ХэшпаТ.В., Шаилова А.Л. [1]; одновременно с ними Д. Вайнлэнд и Х.Демельт в работе [2] предложили аналогичную идею для охлаждения заряженных ионов. Затем В.И. Валыкин, В.С.Летохов и В.И.Мишин в 1979 году впервые продемонстрировали лазерное охлаждение атомов [3]. После этого в 1985 году С. Чу с коллегами охладили атомы натрия до температуры ~ 240 мкК в поле трех взаимиоортогональных пар встречных лазерных пучков [4] и, спустя два года, в 1987 году, Е. Рааб с коллегами создали магнитооптическую ловушку для атомов натрия [5]. Обзор пионерских работ по лазерному охлаждению можно найти, например, в статьях В. Филлипса, К. Коэна-Таниуджи, С. Чу и B.C. Летохова [6-9].

В настоящее время магнитооптическая ловушка обеспечивает один из самых простых и надежных способов охлаждения и удержания атомов. Преимуществами при работе с магнитооптической ловушкой являются (1) низкие температуры и скорости атомов, что означает практически полное отсутствие доплеровского уширения, (2) возможность манипулировать атомами, (3) большие времена взаимодействия излучсния с холодными атомами, (4) высокая локализация атомов в пространстве, (5) а также возможность контроля абсолютного количества атомов и их концентрации. Магнитооптическая ловушка используется в задачах прецизионной спектроскопии [10-13], метрологии (стандарты частоты [14-17], определения фундаментальных констант [18]), в экспериментах с Бозс-Эйнштейновским конденсатом [19.20] и вырожденным Ферми-газом [21-23], в задачах квантовой информации [24,25], атомной интерферометрии [26. 27], в экспериментах с ридберговски-ми атомами [28.29], с одиночными атомами [30-34], для создания холодных молекул ¡35—38], высококоллимировапных монохроматических атомных пучков [39] и т.д.

Спектроскопические исследования атомов в МОЛ позволяют в ряде случаев значительно повысить точность измерений энергий уровней и сечений, получить информацию о виде потенциалов взаимодействий между ультрахолодными атомами, а также выполнить уникальные исследования в экзотических атомах, например, в атоме франция, не имеющего стабильных изотопов [40]. Спектроскопия атомов в работающей МОЛ обладает определенной спецификой, поскольку атомы находятся в сильном охлаждающем лазерном поле, влияющем па структуру атомных уровней. Это влияние играет роль при каскадном возбуждении ридберговских атомов [41-44].

В то же время все более широкие области применения находят фемтосекупдпые лазеры, в том числе и в спектроскопических исследованиях. Основными достоинствами использования импульспо-периодичеекого фемтосекундпого излучения для задач спектроскопии являются их широкий спектр излучения, фазовая когерентность и малая спектральная ширина мод излучения, а также большая пространственная яркость. Эти особенности оказываются уникальными при решении задач спектроскопии высокого разрешения в широком спектральном диапазоне. Так, например, в работах [45,46] авторы использовали излучение фемтосекундного лазера при спектроскопии молекулярных образцов методом Фурье-анализа, что увеличило чувствительность, повысило точность и на несколько порядков сократило время измерения. В свою очередь, в работе [47] излучение импульсно-периодического фемтосекундного лазера было разложено в спектр с использованием метода скрещенных дисперсий, причем удалось разрешить отдельные частотные моды лазера. Помещая молекулярные поглотители в пучок излучения лазера, авторы регистрировали спектры молекул в широком спектральном интервале, по которым молекулы можно однозначно идентифицировать за короткое время.

Одной из актуальных научных задач является исследование взаимодействия атомов в магнитооптической ловушке с излучением фемтосекундного лазера. В ряде крупных лазерных центров были выполнены работы по исследованию двухфотонных переходов в МОЛ [48,49], представляющие интерес для задач метрологии. В настоящей диссертационной работе выполнена спектроскопия одиофотонных переходов между уровнями 5Р и 5Б в магнитооптической ловушке для атомов рубидия-87.

Первая глава диссертации посвящена созданию магнитооптической ловушки. В ней описан общий принцип лазерного охлаждения и принцип работы магнитооптической ловушки. Также в этой главе описывается экспериментальная установка, созданная в рамках данной работы, и приводятся основные характеристики полученного облака холодных атомов.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию структуры уровней атома 87ЯЬ в магнитооптической ловушке. Экснериментально полученные результаты хорошо аппроксимируются теоретическими моделями.

Третья глава посвящена исследованию взаимодействия лазерно охлажденных атомов рубидия-87 с излучением фемтосекундного лазера. В ней выполнен анализ экспериментально полученных спектров. Рассмотрены различные каналы взаимодействия и сделан вывод, что основным каналом, приводящим к уменьшению населенности атомов на уровне 5Р3//2, является резонансное взаимодействие атомов с одной модой ФИ на переходах и последующая ионизация всеми модами ФИ с уровней 505/2з/2- Реализован новый метод определения населенности уровня 5Б5/2 по зависимости скорости потерь холодных атомов от мощности фемтосекундного излучения. Выполнено численное моделирование резонансного взаимодействия холодных атомов с ФИ, которое хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Л о

3.4 Основные результаты главы 3

В главе приведены результаты экспериментального исследования резонансного взаимодействия атомов рубидия-87 в магнитооптической ловушке с фсмтосскуидиым лазерным излучением с частотой повторения импульсов 76 МГц (длительность импульса < 200 фс) в спектральном диапазоне 760-820 им. Показано, что при взаимодействии ФИ с облаком холодных атомов одновременно играют роль как узко полосные спектральные свойства фемтосскундного излучения, приводящие к взаимодействию резонансного характера, так и высокая средняя интенсивность импульсного поля. Также были промоделированы процессы резонансного заселения подуровней сверхтонкой структуры уровня

5^5/2 отдельными модами фсмтосекуидной гребенки с последующей ионизацией всеми модами. Показано, что наблюдаемый спектр хорошо описывается в рамках указанной модели.

Методом измерения потерь числа холодных атомов за счет ионизации фемтосекундным лазерным излучением определена населенность уровня 505у2 = 4) , заселяемого излучением дополнительного непрерывного лазера. Такой способ определения иаселениостей может быть использован в тех случаях, когда прямое измерение по сигналу флюоресценции затруднено.

Результаты главы опубликованы в статьях [68,69] и обсуждались на конференциях [63,70].

Заключение

В работе были получены следующие основные результаты:

• Создана магнитооптическая ловушка для атомов рубидия-87. Число атомов составляет 10ь, температура 300 мкК, максимальная концентрация 1011 см-3

• Выполнено экспериментальное исследование расщепления Раби уровня 5Р3/2 атомов в магнитооптической ловушке. Экспериментальные данные согласуются с теоретическими расчетами.

• Выполнено экспериментальное исследование взаимодействия атомов в магнитооптической ловушке с излучением фемтоеекундно-го лазера. Проведены теоретические расчеты в рамках выбранной модели, которые хорошо описывают экспериментальные значения. Показано, что фсмтосекупднос излучение взаимодействует с атомами как отдельными модами, резонансными с переходами в атоме, так и ионизуя атомы всем спектром. Предложен метод определения населенности на уровне 5Б5/2 по зависимости скорости загрузки ловушки от мощности фемтосекундпого излучения.

Благодарности.

Автор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю Колачевскому H.H. за внимание, терпение и поддержку, а также профессору Сорокину В.Н,, Акимову A.B. и всему коллективу Лаборатории оптики активных сред.

1. Hansch, Т. Cooling of gases by laser radiation / T. Hansch, A. Shawlow ¡1 Opt. Commun. - 1975. — Vol. 13. — P. 68.

2. Wineland, D. j D. Wineland, H. Dehmelt // Bulletin o f the American Physical Society. 1975. - Vol. 20. - P. 637.

3. Балыкии. В. И. Охлаждение атомов Na резонансным лазерным излучением /' В. И. Балыкии, В. С. Летохов, В. И. Мишин // Письма а ЖЭТФ. 1979. — Т. 29. - С. 614.

4. Three-dimensional viscous confinement and cooling of atoms by resonance radiation pressure / S. Chu, L. Hollberg, J. E. Bjorkholm et al. Ц Phys. Rev. Lett. 1985. - Jul. - Vol. 55, no. 1. - Pp. 48-51.

5. Trapping of Neutral Sodium Atoms with Radiation Pressure / E. L. Raab, M. Prentiss, A. Cable et al. // Phys. Rev. Lett. — 1987. — Dec. Vol. 59, no. 23. - Pp. 2631-2634.

6. Phillips, W. Laser cooling and trapping of neutral atoms / W. Phillips // Rev. Mod. Phys. 1998. - Vol. 70. - P. 721.

7. Cohen-Tannoudji, C. Manipulating Atoms with photons / C. Cohcn-Tannoudji I j Rev. Mod. Phys. 1998. - Vol. 70.-P. 707.

8. Chu, S. The manipulation of neutral particles / S. Chu // Rev. Mod. Phys. 1998. - Vol. 70. - P. 685.

9. Letokh ov, V. S. Laser cooling of atoms: a review j V. S. Letokhov. M. A. Ol'shanii, Y. B. Ovchinnikov ,// Quantum and Semiclassical

10. Optics: Journal of the European Optical Society Part D.~ 1995.— Vol. 7, no. 1,- P. 5.

11. Optical probing of cold trapped atoms / R. W. Fox, S. L. Gilbert, L. Hollberg et al. // Optics Letters. 1993. - Vol. 18. - P. 1456.

12. High-resolution spectroscopy with laser-cooled and trapped calcium atoms / T. Kisters, K. Zeiske, F. Riehle. J. Hclmcke // Appl. Phys. B. 1994. - Vol. 59. - P. 89.

13. Ramsey Resonance in a Zacharias Fountain / A. Clairon. C. Salomon, S. Guellati, W. D. Phillips /7 Europhysics Letters1991. — Vol. 16. — P. 165.

14. Fertig, C. Measurement and Cancellation of the Cold Collision Frequency Shift in an 8'Rb Fountain Clock / C. Fertig, K. Gibblc // Phys. Rev. Lett. 2000.-Aug. - Vol. 85. no. 8.- Pp. 1622-1625.

15. Weiss, D. S. Precision measurement of the photon recoil of an atom using atomic interferometry / D. S. Weiss, B. C. Young, S. Chu // Phys. Rev. Lett. 1993. - May. - Vol. 70, no. 18. - Pp. 2706-2709.

16. Observation of Bose-Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor / M. H. Anderson, J. R. Ensher, M. R. Matthews et al. // Science. 1995. - Vol. 269. - P. 198.

17. Bose-einstcin condensation on a microelcctronic chip / W. Hansel, P. Hommelhoff, T. W. Hansell, J. Reichel // Nature. 2001.- Vol. 413.- P. 498.

18. DeMarko, B. Onset of Fermi Degeneracy in a Trapped Atomic Gas / B. De Marko, D. Jin //' Science.-.1999. Vol. 285.- P. 1703.

19. Observation of a strongly interacting degenerate fermi gas of atoms / K. M. O'Hara. S. L. Hemmer, M. E. Gehm et al. // Science. 2002. Yd. 298,- P. 5601.

20. Quasipure Bose-Einstein Condensate Immersed in a Fermi Sea / F. Schreck, L. Khaykovich, K. L. Corwin et al. // Phys. Rev. Lett. — 2001. Aug. - Vol. 87, no. 8. - P. 080403.

21. Matsukevich, D. N. Quantum state transfer between matter and light / D. N. Matsukevich, A. Kuzmich // Science. — 2004.— Vol. 306.- P. 663.

22. Bloch, I. Quantum coherence and entanglement with ultracold atoms in optical lattices / I. Bloch // Nature. 2008. - Vol. 453. - P. 1016.

23. Atom interferometer measurement of the newtonian constant of gravity / J. B. Fixier, G. T. Foster, J. M. McGuirk, M. A. Kasevich // Science. 2007. - Vol. 315. - P. 74.

24. Light-pulse atom interferometry in microgravity / G. Stern, B. Battelier, R. Geiger et al. // Eur. Phys. D. — 2009.- Vol. 53.-P. 353.

25. Исследование холодных ридберговских атомов рубидия в магнитооптической ловушке / D. В. Trctyakov, I. I. Beterov, V. M. Entin и др. // ЖЭТФ. — 2009. — Т. 135.- С. 428.

26. Observation of rydberg blockade between two atoms / E. Urban; T. A. Johnson, T. Henage et al. // Nature Physics. 2009. - Vol. 5. -P. 110.

27. Ни, Z. Observation of a single atom in a magneto-optical trap /' Z. Hu, H. J. Kimble // Optics Letters. 1994. — Vol. 19.- P. 1888.

28. Statistical investigations on single trapped neutral atoms / F. Ruschewitz, D. Bettermann, J. L. Peng, W. Ertmer /7 Eurnphysi.es Letters. 1996. - Vol. 34. - P. 651.

29. Observation of individual neutral atoms in magnetic and magneto-optical traps / D. Haubrich, H. Schadwinkel, F. Strauch et, al. // Europhysics Letters.— 1996. — Vol. 34,- P. 663.

30. Ultrasensitive isotope trace analyses with a magneto-optical trap /

31. C. Y. Chen, Y. M. Li, K. Bailey et al. // Science. 1999.- Vol. 286.- P. 1139.

32. Deterministic Delivery of a Single Atom / S. Kuhr, W. Alt.

33. D. Schrader et al. // Science. 2001. — Vol. 293, — P. 5528.

34. Formation of cold C$2 molecules through photoassociation / A. Fioretti, D. Comparât, A. Crubellier et al. // Phys. Rev. Lett. —1998. May. - Vol. 80, no. 20. - Pp. 4402-4405.

35. Takekoshi. T. Observation of optically trapped cold cesium molecules / T. Takekoshi, В. M. Patterson, R. J. Knize // Phys. Rev. Lett. 1998. - Dec. - Vol. 81, no. 23. - Pp. 5105-5108.

36. Observation of ultracold ground-state potassium molecules / A. N. Nikolov, E. E. Eyler, X. T. Wang et al. // Phys. Reu. Lett.1999. Jan. - Vol. 82, no. 4. - Pp. 703-706.

37. Efficient production of ground-state potassium molecules at sub-mk temperatures by two-step photoassociation î A. N. Nikolov, J. R. Ensher, E. E. Eyler et al. // Phys. Rev. Lett 2000.-Jan.-Vol. 84, no. 2. - Pp. 246-249.

38. A pumped atom lasei / N. P. Robins, C. Figl, M. Jeppesen et al. // Nature Physics. 2008. - Vol. 4. - P. 731.

39. Magneto-Optic Trapping of 210Fr /' J. E. Simsarian, A. Ghosh. G. Gwinncr et al. // Phys. Rev. Lett.- 1996.-May.- Vol. 76, no. 19,- Pp. 3522-3525.

40. Autler-Townes spectroscopy of the SS^-^ 5P3//2—> 44D cascade of cold 85-Rb atoms / B. Tco, D. Fcldbaum, T. Cubel et al. // Phys. Rev. A. 2003. - Vol. 68. - P. 053407.

41. High resolution Rydberg spectroscopy of ultracold rubidium atoms / A. Grabowski. R. Heidemann, R. Low et al. // Fortschritte der Physik. Vol. 54. - P. 765.

42. Antiblockade in Rydberg Excitation of an Ultracold Lattice Gas / C. Atcs, T. Pohl, T. Pattard, J. Rost // Phys. Rev.Lett. 2007,-Vol. 98.-P. 023002.

43. Coherent excitation of Rydberg atoms in an ultracold gas / J. Deiglmayr, T. Reetz-Lamour, M. Amthor, S. Westerman et al. // Optics Communications. — 2006. — Vol. 264. — P. 293.

44. M and on, J. Fourier transform spectroscopy with a laser frequency comb. / J. Mandon, G. Guelachvili, N. Picquè // Nature Photonics. — 2008. Vol. 293. - P. 99.

45. Cavity-enhanced dual-comb spectroscopy. / B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet et al. /7 Nature Photonics.— 2009.- Vol. 217, — P. 55.

46. Diddams, S. Molecular fingerprinting wiith the resolved modes of a femtosecond laser frequency comb. / S. Diddams, L. Hoolberg. V. Mbele // Nature Photonics. 2007. - Vol. 445. - P. 627.

47. Two-photon spectroscopy of laser-cooled Rb using a mode-locked laser / M. Snadden, A. Bell, E. Riis, A. Ferguson // Opt. Comman. — 1996. — Vol. 125.- P. 70.

48. Direct Frequency Comb Measurements of Absolute Optical Frequencies and Population Transfer Dynamics / A. Marian, M. C. St owe, D. Felinto, J. Ye // Phys. Rev. Lett 2005. - Jul. -Vol. 95, no. 2,- P. 023001.

49. Риле, Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения / Ф. Риле. — М: Физматлит, 2009.

50. Миногин, В. Г. Давление лазерного излучения па атомы / В. Г. Миногин, В. С. Летохов,— Москва: Физматлит, 1986.

51. Bargeman, Т. Magnetostatic trapping fields for neutral atoms / T. Bergeman, G. Erez, H. J. Metcalf // Phys. Rev. A.— 1987. — Feb. Vol. 35, no. 4. - Pp. 1535-1546.

52. Grimm., R. Optical dipole traps for neutral atoms / R. Grimm. M. Wcidemuller, Y. Ovchinnikov /,/ Adv. At. Mol. Opt. Phys. — 2000,- Vol. 42.- P. 95.

53. Model-independent measurement of the excited fraction in a magneto-optical trap / M. H. Shah, H. A. Camp, M. L. Trachy et al. // Phys. Rev. A. 2007. - May. - Vol. 75, no, 5. - P. 053418.

54. Whitley, R. М. Double optical resonance / R. М. Whitley, С. R. Stroud //' Phys. Reu. A. — 1976.-Oct.- Vol. 14, no. 4,-Pp. 1498-1513.

55. Шалагин. A. M. Основы нелинейной спектроскопии высокого разрешения / А. М. Шалагин.— Новосибирский государственный университет, 2008.

56. Ландау. Л. Д. Квантовая механика. Нерелятивистская теория / JI. Д. Ландау. Е. М. Лифшиц. — Москва: Физматлит.

57. United Time-Frequency Spectroscopy for Dynamics and Global Structure / A. Marian, M. Stowe, J. La,wall et al. // Science. — 2004. — Vol. 306. P. 2063.

58. Исследование расщепления Раби переходов 5Р3/2~-^ЗОздз/г атома 87Rb при каскадном возбуждении в магнито-оптической ловушке / А. В. Акимов, Е. О. Терещенко, С. А. Снигирев и др. // Квантовая Электроника. 2010. - Т. 40. - С. 139.

59. Нелинейная спектроскопия рубидия в магнитооптической ловушке /' А. В. Акимов, Е. О. Терещенко, С. А. Снигирев и др. // Сборник тезисов XIX конференции по фундаментальной атомной спектроскопии. — Архангельск: 2009. -22-29 июня. — С. 36.

60. Магнитооптическая ловушка как инструмент для спектроскопических исследований / Е. О. Терещенко, С. А. Снигирев, А. В. Акимов и др. // сборник тезисов XXIV съезда по спектроскопии. — Т. 2. Москва. - Троицк: 2010. - 28 февраля - 5 марта. - С. 479.

61. Two-photon two-color diode laser spectroscopy of the Rb 5D5/2 state / Т. T. Grove, V. Sanchez-Villicana. В. C. Duncan et al. // Physica Scripta1995.- Vol. 52.- P. 271.

62. Measurement of the Rb(5D5y<2) photoionization cross section using trapped atoms / В. C. Duncan, V. Sanchez-Villicana. P. L. Gould, H. R. Sadcghpour (f Phys. Rev. A. 2001. - Mar. - Vol. 63, no. 4. -P. 043411.

63. NIST Atomic Spcctra Database.

64. Smith, P. Atomic spectral line database http://www.pmp.uni-hannover.de/cgi-bin/ssi/test/kurucz/sekur.html.

65. Резонансное взаимодействие фемтосекупдпого излучения с облаком холодпыхатомов 87Rb / А. В. Акимов, Е. О. Терещенко, С. А. Снигирев и др. // ЖЭТФ.- 2009. Т. 136. - С. 419.

66. Нелинейная спектроскопия рубидия в магнитооптической ловушке / А. В. Акимов, Е. О. Терещенко, С. А. Снигирев и др. // Вестник поморского университета. — 2010. — Т. 2. — С. 59-67.

67. Resonance interaction between cold Rb atoms and a frequency comb /' E. Tereschenko, M. Egorov, A. Sokolov et al. // 40-th conference European Group for Atomic Systems (EGAS), Book of Abstracts.— Graz: 2008. -2 -5 July. P. 63.

68. Лето'хов, В. С. Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения / В. С. Летохов. В. П. Чеботаов. — М.:Наука, 1990.

69. Р, М. В. Кинетическое уравнение для атомов, взаимодействующих с лазерным излучением. / М. В. Г. // ЖЭТФ,— 1980. — Vol. 79,- Р. 2044.

70. Cundíff, S. Т. Colloq uium: Femtosecond optical frequency combs / S. T. Cundiff, J. Ye // Rev. Mod. Phys. 2003. - Mar. - Vol. 75. no. 1.- Pp. 325-342.

71. Ye, J. Femtosecond optical frequency comb technology / J. Ye. S. Cundiff. New York: Springer, 2005.

72. Optical Frequency Synthesizer for Precision Spectroscopy / R. Holzwarth, T. Udem, T. W. Hánsch et al. /'/" Phys. Rev. Lett. — 2000. Sep. - Vol. 85, no. 11. - Pp. 2264-2267.

73. Pinsky, M. Introduction to Fourier Analysis and Wavelets / M. Pinsky. Brooks/Cole. 2002.

74. Бакланов, E. D. Двухфотониое поглощение сверхкоротких импульсов в газе / Е. В. Бакланов, В. П. Чеботаев // Квантовал Электроника. 1977. — Т. 4. — С. 2189.

75. Phasc-coherent multilevel two-photon transitions in cold Rb atoms: Ultrahigh-resolution spectroscopy via frequency-stabilized femtosecond laser / Т. H. Yoon, A. Marian, J. L. Hall, J. Ye // Phys. Rev. A. 2000. - Dec. - Vol. 63, no. 1. - P. 011402.