Одночастотные инжекционные лазеры для атомной спектроскопии высокого разрешения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ.П.Н.ЛЕБЕДЕВА

На правах рукописи

ЯРОВИЦКИЙ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

ОДНОЧАСТОТНЫЕ ИНЖЕКЦИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ ДЛЯ АТОМНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

(Специальность: 01.04.21 - лазерная физика)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Физическом институте им.П.Н.Лебедева Российской Академии наук.

Научный руководитель -

кандидат физико-математических наук

В.Л. Величанский

Официальные оппоненты -

доктор физико-математических наук

кандидат физико-математических наук

С.Д. Якубович СИ. Канорский

Ведущая организация -

Институт спектроскопии Российской Академии наук

Защита состоится I 2004 Г. В ^ час. на заседании дис-

сертационного совета К002.023.02 при Физическом институте им.П.Н.Лебедева РАН по адресу:

119991, Москва, Ленинский пр., д. 53, ФИАН им.П.Н.Лебедева РАН.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке при Физического института им.П.Н.Лебедева РАН.

Автореферат разослан_февраля 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук В.А Чуенков

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Полупроводниковые лазеры с селективным внешним резонатором стали стандартным оборудованием современной спектроскопической лаборатории. Развитие технологии и физики инжекционных лазеров (ИЛ) привело к созданию многих типов одночастотных и перестраиваемых источников высококогерентного излучения. Существует большое количество коммерческих систем перестраиваемых одночастотных лазеров. Созданы методы управления спектром инжекционных лазеров, позволяющие использовать ИЛ в системах передачи, хранения и обработки информации, в спектроскопии и метрологии. Успешно разрабатывались методы стабилизации частоты, которые применяются ко многим типам ИЛ - обычным лазерам, излучающим с краев с однородной накачкой; лазерам с брэгговскими зеркалами и неоднородной накачкой по оси резонатора; лазерам, излучающим с поверхности (УС8ЕЬ); лазерам с внешней обратной связью. Современный уровень фундаментальных исследований и приложений требует создания на основе инжекционных лазеров систем, обладающих совокупностью свойств: высокой когерентностью, компактностью, большим диапазоном непрерывной перестройки, стабильностью частоты.

В 1978 году было показано (Величанский), что широкая линия генерации инжекционных лазеров может быть существенно, на несколько порядков уменьшена с помощью метода оптической обратной связи. Дальнейшие исследования подтвердили эффективность использования перестраиваемых ИЛ с внешним резонатором или ИЛ, оптически связанных с высокодобротным многопроходным интерферометром, в спектроскопии высокого разрешения. Однако увеличение размеров лазера и связанный с ним рост уровня технического шума ограничивают возможности применений этих высококогерентных источников излучения. В 1989 году группой В.Б.Брагинского в МГУ в качестве высокодобротного интерферометра был предложен микрорезонатор из плавленого кварца (р=109), в котором можно возбуждать моду «шепчущей галереи», обладающую чрезвычайно низкими потерями из-за высокой прозрачности кварца в ближней инфракрасной области и высокого качества поверхности микрошара, обеспечиваемой поверхностным натяжением. В 1995 было показано, что при высокой добротности моды ее

I

спектральный контур расщепляется из-за образования в микрорезонаторе встречной волны (из-за рассеяния на неоднородностях плотности в кварце) и взаимодействия между этими двумя волнами. Одна из волн может быть использована для обратной связи с инжекционным лазером, поэтому возникла потребность в адекватном теоретическом описании такой системы. В 1996 году В.В.Васильев и др. осуществили оптическую привязку инжекци-онного лазера к высокодобротной моде микрорезонатора, а в 2003 году создали прототип малогабаритной системы состоящей из инжекционного лазера и сферического микрорезонатора, оптическая связь с которым осуществлялась через отрезок градиентной линзы. Общая длина системы составила 1 см, а уровень оптической обратной связи 1%, что приводило к изменению порога лазера. Устойчивая генерация в одночастотном режиме при высоком уровне связи с внешним высокодобротным резонатором представлялась ранее принципиально невозможной (Li,Abraham, 1989) из-за амплитудно-фазовой связи в полупроводниковой активной области и связанной с ней неустойчивости на частоте релаксационных колебаний, поэтому интерпретация этого результата представляется важной на пути к созданию малогабаритной лазерной системы.

Составные резонаторы с селективными элементами, позволяющие перестраивать частоту лазера непрерывно, без изменения номера продольной моды, известны со времени создания лазеров на красителе, имеющих большею ширину линии усиления. Применение схем, дающих широкую перестройку частоты с полупроводниковыми лазерами началось с 1986 года (Favre). В (Nilsson, 1990) приведен расчет, показывающий, что простое вращение дифракционной решетки в автоколлимационной схеме вокруг оси, расположенной в стороне от оптической оси резонатора, позволяет значительно увеличить диапазон непрерывной, без модовых скачков, перестройки частоты инжекционного лазера с внешним резонатором. Такой лазер был создан (Labachelerie, 1993) и перестраивался на 2000 ГГц на длине волны 830 нм. Однако существуют другие варианты резонаторов, часто употребляемые с инжекционными лазерами, где вращение селективного элемента было бы простейшим способом увеличить диапазон непрерывной перестройки. Это особенно актуально при создании компактных резонаторов, длиной порядка 1 см и менее.

Во многих применениях, и, в частности, в области лазерного охлаждения атомов, требуется сочетание высокой стабильности и возможности

прецизионной отстройки частоты от атомного резонанса. Магнитооптические ловушки (МОЛ) применяются для формирования ансамблей охлаждённых атомов и исследований в атомной физике, спектроскопии, метрологии, физике конденсированных сред. Ключевым моментом для исследования динамики ловушки является возможность стабилизировать с точностью до долей естественной ширины перехода (у) и быстро переключать частоту лазера в пределах нескольких естественных ширин в окрестности частоты охлаждающего перехода. Кроме того, недопустимо уширение спектра из-за модуляции, необходимой для экстремального регулирования, т.е. следует модулировать частоту опорного резонанса, а не лазера. Реализации двух, принципиально отличающихся методик - 1) стабилизация по опорной ячейке в нулевом магнитном поле с последующим сдвигом частоты с помощью акусто-оптических модуляторов, и 2) стабилизация по переходу между магнитными подуровнями, сдвиг частоты которого пропорционален приложенному полю, - имели как достоинства, так и недостатки. В частности, внутридоплеровский резонанс насыщенного поглощения на циклическом переходе обычно имеет малый контраст (Gould, 1992), что ограничивает параметр стабилизации частоты лазера по этому резонансу. Кроме того, при стабилизации по резонансу, отстройка которого от невозмущенного значения пропорциональна напряженности магнитного поля, в нулевом поле проявлялась особенность, приводящая к искажению линейной зависимости отстройки стабилизированного лазера от напряженности магнитного поля, и не получившая адекватного объяснения.

С момента появления первых работ по внутридоплеровской спектроскопии щелочных металлов в оптически тонкой ячейке (Briaudeau,1996), с характерным расстоянием между окнами ячейки от 10 мкм до 1 мм, был получен ряд теоретических и экспериментальных результатов, демонстрирующих и объясняющих происхождение узких спектральных откликов в пропускании по нормали к окнам ячейки. Это обстоятельство открывает новые возможности для внутридоплеровской лазерной спектроскопии. Новая область исследования - спектроскопия в сверхтонких ячейках, расстояние между окнами которых порядка или меньше длины световой волны и может достигать 10-20 нм, - появилась сравнительно недавно (Сарки-сян,2001).

Цель работы заключалась в разработке и моделировании методов

стабилизации и перестройки частоты высококогерентных инжекционных лазеров для атомной спектроскопии высокого разрешения в области лазерного охлаждения и спектроскопии в сверхтонких ячейках.

Для достижения поставленной цели, в ходе работы решались следующие основные задачи:

- Теоретически исследовать зависимость параметр стабилизации частоты в режиме затягивании частоты лазера частотой моды «шепчущей галереи» высокодобротного кварцевого микрорезонатора от условий нагружения. Создать модель, адекватно описывающую соотношение амплитуд и фаз полей в инжекционном лазере и в микрорезонаторе;

- Объяснить наблюдаемую в эксперименте устойчивость режима генерации инжекционного лазера, оптически связанного с высоко добротным микрорезонатором, в условиях большого уровня связи;

- Найти оптимальное положение оси вращения селективного элемента в составном резонаторе инжекционного лазера, обеспечивающее наилучшее согласование частоты моды внешнего резонатора и центральной частоты селектора, а в конечном итоге к увеличению диапазона непрерывной перестройки частоты в следующих схемах резонаторов: схема Литгаана, автоколлимационная схема с призменным голографическим селектором высокого разрешения;

- Получить высокий контраст нелинейного внутридоплеровского резонанса и стабилизировать частоту инжекционного лазера с внешним резонатором по этому частотному реперу. Система стабилизации должна обеспечивать линейность перестройки частоты лазера вблизи частоты охлаждающего циклического перехода и ее переключение в пределах нескольких естественных ширин перехода за характерное время

- Создать одночастотный инжекционный лазер, перестраиваемый в диапазоне 2 ООО ГГц на длине волны 920 нм для получения спектров поглощения на переходах в ансамбле атомов находящихся в сверхтонкой ячейке.

Научная новизна и практическая значимость

1. Предложена динамическая модель инжекциониого лазера, оптически связанного с высокодобротным сферическим микрорезонатором из плавленого кварца с учетом расщепления спектра моды микрорезонато-

ра при высоком значении его добротности (>10®). Определены параметры системы с оптимальным уровнем стабилизации частоты.

2. Получено общее решение задачи об оптимальной конфигурации внешнего селективного резонатора инжекционного лазера, обеспечивающего непрерывную, без модовых скачков, перестройку частоты генерации в пределах практически всей линии усиления полупроводниковой среды, для чисто вращательного перемещения селективного элемента.

3. Впервые предложена модификация схемы внутридоплеровской спектроскопии насыщенного поглощения, позволяющая наблюдать насыщение поляризации основного состояния мультиплетного уровня, не возмущенное насыщением двухуровнего перехода.

4. Впервые непосредственно зарегистрированы большие Ван-дер-Ваальсовские сдвиги уровней при взаимодействии атома (Сз) с диэлектрической стенкой. Получены оценки констант Ван-дер-Ваальсовского сдвига уровней бОзд^д в атоме Сб, при взаимодействии со стенкой из сапфира или иттрий-аллюминиевого граната.

5. Создан лазерный спектрометр с диапазоном перестройки в одночастот-ном режиме составляющем 2 ТГц (70 см"1) в спектральной области 920 нм, соответствующей высоколежащим переходам в структуре атомных уровней Сз. Универсальная методика перестройки позволяет расширить ее применение на другие труднодоступные диапазоны длин волн.

6. В оптическом диапазоне продемонстрировано когерентное сужение линии, предсказанное в 1955 году \citefRom55} и наблюдавшееся в СВЧ диапазоне. Восстановление узких спектральных откликов при толщине ячейки подтверждает когерентность процесса взаимодействия атомов с полем.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. * Построена теория инжекционного лазера, оптически связанного с внеш-

ним высокодобротным резонатором, представляющим собой кварцевую микросферу субмиллиметровых размеров. Результаты расчетов указывают на принципиальную возможность повышения монохроматичности инжекционных лазеров (сужение ширины линии генерации до раз) без изменения их габаритов.

2. Для наиболее употребительных вариантов перестраиваемых инжекци-онных лазеров с внешним селективным резонатором предложены схемы

резонаторов, обеспечивающие перестройку частоты генерации на одной продольной моде в диапазоне частот порядка ширины линии усиления.

3. Предложен и исследован способ формирования контрастного внутридо-плеровского резонанса на циклическом переходе для невозмущающей стабилизации частоты лазера относительно охлаждающего перехода атомов щелочных металлоз в магнитооптической ловушке.

4. В сверхтонкой ячейке в оптическом диапазоне экспериментально обнаружен пространственно когерентный эффект Дике и измерены большие Ван-дер-Ваальсовские сдвиги атомных уровней (30 ГГц или 1 см'1).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях: коллоквиуме Tele Danmark Research (Лингби, Дания, 1994); 23-й Международной Конференции по Квантовой Электронике (IQEC), (Москва, Россия, 2002);

Международной конференции по Лазерам и технологии их применений (LAT), (Москва, Россия, 2002).

Кроме того, материал диссертации излагался автором на научных семинарах ФИАН, ИСАН и Лаборатории физики лазеров Института Галилея (Париж, Франция, 2003).

Публикации по теме работы. Перечень публикаций, раскрывающих основное содержание диссертации, содержит 7 печатных работ, в том числе 4 научных статьи и 3 работы в материалах конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений, изложенных на 155 страницах машинописного текста. Диссертация включает в себя 56 рисунков, 3 таблицы и список цитируемой литературы из 121 наименований. Общий объем диссертации 171 страница.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель диссертации, отражена новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой литературный обзор, в котором дан обзор шумовых и перестроечных характеристик инжекционных лазеров, методов стабилизации их частоты и сужения линии генерации. Малые размеры собственного резонатора ИЛ приводят к его низкой добротности, что в свою очередь является одной из причин довольно широкой линии генерации (по сравнению с другими типами лазеров). Фундаментальный механизм уширения линии превышает технические шумы в инжекционных лазерах. В основе методов сужения линии генерации полупроводниковых лазеров лежит принцип обратной связи. В обзоре основное внимание уделено оптической обратной связи (ООС), реализуемой увеличением добротности резонатора с помощью внешнего отражателя, или затягиванием частоты ИЛ излучением, отфильтрованным во внешнем высокодобротном резонаторе.

В спектроскопической части обзора представлены работы по внутри-доплеровской спектроскопии в тонких ячейках и измерению константы Ван-дер-Ваальсовского взаимодействия атомов с поверхностью по сдвигу внутридоплеровских спектров селективного зеркального отражения. Спектроскопия тонких слоев атомных паров представляет интерес, поскольку в наблюдаемых сигналах вклад атомов, расположенных в непосредственной близости от стенки, по сравнению с вкладом атомов в объеме ячейки гораздо больше, чем в обычных макроскопических ячейках.

Во второй главе описана теоретическая модель инжекционного лазера, стабилизированного по резонансу моды шепчущей галереи кварцевого высокодобротного микрорезонатора, добротность которого достигает миллиарда. Использование двух сравнимых по размеру миниатюрных устройств (инжекционного лазера и субмиллиметрового кварцевого шара) открывает возможность создания высококогерентного малогабаритного генератора оптической частоты. Теоретически обосновано, что при правильном выборе стационарного значения фазы обратной связи синфазный механизм стабилизации позволяет увеличить уровень обратной связи с высокодобротным интерферометром и, следовательно, увеличить степень затягивания частоты лазера, не нарушая устойчивости.

Для согласования с модой шепчущей галереи. (ШГ) часто используют призму полного внутреннего отражения (рис.1 в). Фазовый фронт в волне нарушенного полного внутреннего отражения находится в радиальной плоскости микрорезонатора и совпадает с фазовым фронтом поля моды ШГ

Рэлеевское рассеяние в волне моды ШГ формирует волну, распространяющуюся в обратном направлении. Рассеяние в другие пространственные моды подавлено из-за сравнительно низкой плотности мод в сферическом микрорезонаторе. Взаимодействие волн через взаимное рассеяние приводит к расщеплению их спектрального контура, которое наблюдается при очень высокой добротности.

Одна из встречных волн моды ШГ может быть использована для ООС с инжекционным лазером. Основная идея - исследовать возможность создания компактного высококогерентного лазера, состоящего из маленького ИЛ и маленького микрорезонатора. Первый макет такого лазера был продемонстрирован в работе Васильева и Ильиной (2003).

Эти результаты требовали теоретической интерпретации. Работа над моделью лазера, описывающая связь поля в ИЛ с двумя встречными поля-

ми моды ШГ, связанными между собой рэлеевским рассеянием, была выполнена совместно с | А. Н. Ораевским [

Параметром задачи является добротность моды микрорезонатора, которую можно контролировать, изменяя расстояние между призмой ввода и микросферой. С увеличением расстояния добротность изменяется по экспоненциальному закону (рис. 1а) от минимального значения, при касании призмы и сферы, до максимального, при удалении сферы на бесконечность, а скорость обмена энергией с элементом ввода (1/тс) уменьшается. Когда она становится равной удвоенной скорости рэлеевского обмена спектр прямой волны расщепляется. Когда эти скорости сравниваются - расщепляется спектр обратной волны. На рис.1б показаны спектры волн ШГ, соответствующие промежуточной добротности.

Степень затягивания частоты определяется параметром стабилизации. Если в отсутствие стабилизации частота генерации лазера изменяется на то частота стабилизированного лазера в результате той же флуктуации изменится в 5 раз меньше. В предположении белого частотного шума ширина линии стабилизированного лазера уменьшается в Б2 раз. В модели получено выражение для параметра стабилизации в зависимости от добротности (к) микрорезонатора, нормированной на скорость рэлеевского обмена. Максимум параметра стабилизации при связи ИЛ с обратной волной достигается при промежуточном значении добротности, и при типичных параметрах может составлять Максимум параметра стабилизации пропорционален уровню обратной связи и растет с увеличением добротности уединенной микросферы.

Фаза ООС определяет особенности механизма стабилизации и его устойчивость. При интерференции слабого поля обратной связи и сильного поля отраженного от собственного зеркала ИЛ чувствительность амплитуды поля к малым флуктуациям фазы зависит от стационарного значения фазы ОС. Можно выделить синфазный и квадратурный механизмы стабилизации. При синфазном механизме амплитуда суммарного поля практически не изменяется, при квадратурном - изменения амплитуды максимальны. Известно, что квадратурный механизм в результате действия амплитудно-фазовой связи приводит к неустойчивости стабилизации при увеличении уровня обратной связи (Li,Abraham,1989). Однако в синфазном случае это ограничение не действует. Это обстоятельство объясняет устойчивость генерации в эксперименте Васильева и Ильиной и открывает путь к созда-

нию ИЛ с высоким уровнем ОС от высокодобротного интерферометра.

В первой части третьей главы теоретически исследован вопрос о пределах непрерывной перестройки частоты инжекционных лазеров с внешним селективным резонатором.

При перестройке ИЛ с внешним селективным резонатором, простейшим способом согласовать центральную частоту селектора и частоту продольной моды внешнего резонатора (ВР) является вращение селектора вокруг оси, смещенной относительно оси резонатора. Правильное положе-

ние оси вращения в автоколлимационной схеме было определено в 90-м году (Nilsson), а в 93-м был создан лазер, непрерывно перестраиваемый на 2000 ГГц на длине волны 830 нм (Labachelerie).

В 95-м году нами был предложен общий метод расчета положения оси вращения селектора (типа дифракционной решетки) в других, часто употребляемых схемах ВР. Метод состоит в разложении отстройки центральной частоты селектора от частоты продольной моды ВР по углу поворота и определении двух координат оси вращения х и у из условия равенства нулю первых двух членов разложения.

На рис.2 показаны некоторые часто используемые схемы ВР. Кружком показано оптимальное положение оси вращения селектора или зеркала. Если ось вращения расположить на пунктирной прямой, проходящей через оптимальную точку, то нулю будет равен только первый член разложения расстройки, поэтому эта прямая является геометрическим местом осей первого порядка. Отношение чувствительностей диапазона непрерывной перестройки при смещении оси вращении поперек и вдоль этой прямой равно - диапазон непрерывной перестройки, при оптималь-

ном положении оси вращения. Диапазон непрерывной перестройки быстро

сокращается при удалении оси вращения от прямой первого порядка.

Во второй части главы три описана лазерная система, позволяющая квази-непрерывно перестраивать одночастотный инжекционный лазер с внешним селективным резонатором в диапазоне 2 ТГц на длине волны 920 нм. Лазерный диод имел в этой схеме стандартное просветление на уровне нескольких процентов. Эта лазерная система была использована для спектроскопии возбужденных состояний атомов в ультратонкой атомной ячейке.

В четвертой главе описана лазерная система, созданная для охлаждения атомов в магнитооптической ловушке (МОЛ) и исследования её динамических характеристик в зависимости от поляризации лазерного излучения. Во многих применениях, и, в частности, в области лазерного охлаждения атомов, требуется сочетание высокой стабильности с дополнительными требованиями к спектру и возможности прецизионной отстройки частоты от атомного резонанса. Предложен и реализован метод увеличения контраста опорного внутридоплеровского поляризационного резонанса, наблюдаемого в циркулярно поляризованных полях. Приведены оценки предельного контраста резонанса. Для исследования динамики магнитооптической ловушки необходим лазер, частота которого стабилизирована и может быстро изменяться вблизи охлаждающего перехода.

В ходе работы была создана модификация схемы насыщенного поглощения для стабилизации на крайнем магнитном подуровне мультиплета. Внешне схема отличается от использованной ранее заметным различием диаметров насыщающего и пробного лучей с циркулярным состоянием поляризации. Атомы, пересекающие насыщающий луч от периферии к центру многократно поглощают фотоны циркулярной поляризации и населенность в основном состоянии оказывается сосредоточена на крайнем магнитном подуровне, где поглощение максимально (рис.3б,в). Пробный луч распространяется в центральной части насыщающего и в его пропускании на частоте циклического перехода формируется внутридоплеровский резонанс поглощения, который отличается знаком от остальных внутридо-плеровских резонансов (собственных и перекрестных) в сверхтонкой структуре.

При увеличении интенсивности накачки поляризационный резонанс уширяется и в центре его линии становиться заметен хорошо известный резонанс насыщенного поглощения двухуровневого перехода, который

имеет противоположный знак и уменьшает контраст в центре линии. Предлагаемый способ увеличения контраста состоит в пространственном разнесении пробного и насыщающего полей с помощью экранировки центральной части насыщающего луча. Атомы, влетающие в затененную область, несколько большую размеров пробного луча, и углубившиеся в нее на несколько микрометров успевают перейти в основное состояние. В такой схеме двухуровневый механизм насыщения перестает действовать.

Сдвиг подуровней основного состояния пропорционален напряженности магнитного поля в ячейке. Этот и другие эффекты приводят к искажению линейного доплеровского контура поглощения, который обычно состоит из парциальных неоднородных контуров, соответствующих сверхтонкой структуре верхнего уровня. Для компенсации этих искажений в опорном сигнале из сигнала поглощения пробного пучка вычитается сигнал поглощения еще одного пробного пучка той же интенсивности и диаметра, что и первый, распространяющегося в ячейке снаружи насыщающего пучка (рис.3 а).

Ранее отмечалось, что в системе стабилизации частоты по магнитному подуровню, в нулевом магнитном поле наблюдается особенность, происхождение которой не было объяснено. По нашему мнению эта особенность связана с формированием резонанса светоиндуцированного поглощения на циклическом переходе при наличии остаточной линейно поляризованной компоненты в насыщающем поле. С одной стороны, этот эффект нарушает работу системы стабилизации при нулевой отстройке, а с другой - его наличие предоставляет чувствительный метод для точной компенсации состояния поляризации.

В схему установки для стабилизации частоты ИЛ с внешним резонато-

ром входят: опорная ячейка, волновые пластинки, телескоп, формирующий широкий насыщающий пучок. Разность сигналов линейного и нелинейного поглощения в ячейке синхронно детектируется на частоте модуляции магнитного поля в ячейке и используется для отработки флуктуации частоты лазера. Таким образом частота лазера не модулируется.

Отстройка контролируется постоянной составляющей продольного магнитного поля в опорной ячейке с эффективностью Для ка-

либровки частотной отстройки используется аналогичная схема с контрольной ячейкой, остаточное магнитное поле в которой экранировано до уровня 2 мГс. При резком изменении напряженности магнитного поля в опорной ячейке переходное время системы стабилизации составляет 1-2 мс.

Пятая глава посвящена описанию метода спектроскопии в сверхтонкой атомной ячейке. Развитие методов внутридоплеровской спектроскопии: спектроскопии в атомных пучках, насыщенного поглощения, селективного зеркального отражения, спектроскопии в волне нарушенного полного внутреннего отражения — получило свое продолжение в методе спектроскопии в сверхтонких атомных ячейках, толщина которых сравнима, или много меньше длины световой волны. В этих условиях реализуется селекция группы атомов с нулевой проекцией продольной скорости. Появляется возможность исследовать резонансное поглощение атомов в сигнале пропускания, недоступном в традиционных методах при высокой плотности поглощающей среды. В сверхтонкой ячейке атомы резонансного газа постоянно находятся в непосредственной близости от двух поверхностей раздела газ-диэлектрик, образованных окнами ячейки. Это дает возможность исследовать Ван-дер-Ваальсовское взаимодействие атомов с поверхностью, не замаскированное сигналом поглощения в объеме среды. Уникальная конфигурация ячейки позволяет наблюдать эффект Дике когерентного сужения резонансной линии в оптическом диапазоне в отсутствие буферного газа.

В 2001 году в Институте физических исследований в г.Аштарак (Армения) удалось создать атомную ячейку, состоящую из двух полированных окон, расположенных в микрометре друг от друга. При откачке окна ячейки изгибаются и расстояние между противоположными стенками может составлять 20 нм. На рис.4 Приведено несколько профилей одной из таких ячеек, с окнами сделанными из ИАГ.

Эта конструкция может быть воспроизводимо нагрета до а

плотность паров щелочного металла может составлять 2-1017 ат/см3 (для Се).

В этой ячейке был зарегистрирован когерентный эффект Дике в оптическом диапазоне. В экспериментальной установке, изображенной на рис.5 исследовался спектр поглощения лазера, работающего на D1 линии Cs, в сверхтонкой ячейке. Излучение проходило по нормали к окнам ячейки. Наибольший контраст внутридоплеровского резонанса наблюдался при толщине ячейки равной

Речь идет об аналоге эффекта, обнаруженного Дике в 1955 году в СВЧ диапазоне в ячейке с аммиаком без буферного газа. Это не коллективный, а одноатомный эффект. В сверхтонкой ячейке можно пренебречь межатомными столкновениями (при не слишком высокой температуре) и релаксацией фазы, т.к. время пролета атома от стенки к стенке меньше времени жизни возбужденного состояния. Соударение со стенкой переводит атом в

™|—■—I—«—I—■—"1—1—I—1—I

•1500 -1000 ¿00 0 900 10»

МГц

Рис.5 (Слева) Когерентное сужение Дике в оптическом диапазоне. Толщина ячейки равна половине длины световой волны. Верхняя кривая - спектр насыщенного поглощения в области переходов И (-линии Се с моментом основного состояния Р=3. Нижняя кривая - соответствующий спектр поглощения в сверхтонкой ячейке. (Справа) Схема установки.

основное состояние, поэтому в плоскости стенки фаза всех осцилляторов относительно фазы поля одинакова. При нулевой отстройке относительная фаза каждого диполя неоднородного ансамбля изменяется пропорционально расстоянию от стенки из-за эффекта Доплера, поэтому суммарное по

8x10'5

| -11 СНг

-100 ГГц

Толщина ячейки

• 29±3 пт

-10013 нм

Т = 302/334°С N « 6"10 'ат/см Рг., = 3 2 мВт

6x10

4x10'5

2x10'5

О-

«17.« »17 8 017 6

Длина волны, нм

= 200 Вт/см:

917,0 917,5 918,0 (пт)

Рис.6 Спектры поглощения на переходе в Се при толщине ячейки

32 нм (слева), и 29 и 100 нм (справа).

пространству излучение диполей промодулировано с периодом X. При ненулевой отстройке эта зависимость размывается. Периодическое появление и исчезновение внутридоплеровской структуры с изменением толщины ячейки подтверждает когерентность фаз излучающих диполей.

Из электростатики известно, что взаимодействие диполя и его изображения в диэлектрической стенке обратно пропорционально кубу расстояния до стенки. Атомный уровень связан многими дипольными переходами с другими атомными уровнями и для вычисления полной энергии взаимодействия атома в данном состоянии необходимо суммировать матричные элементы переходов. Однако зависимость от расстояния универсальна и можно ввести константу Ван-дер-Ваальсовского взаимодействия С3.

На рис.6 показаны примеры сигналов поглощения, зарегистрированных

в пропускании сверхтонкой ячейки на пере 6Рз/2-бВ5/2 р и толщине ячейки 29,32 и 100 нм.

Фундаментальный интерес представляет экспериментальное измерение этой константы по сдвигу уровней атомов, находящихся вблизи поверхности. Ранее для этой цели применяли внутридоплеровскую спектроскопию в селективном зеркальном отражении и спектроскопию в атомном пучке, направленном вдоль поверхности на расстоянии 500 нм. В сверхтонкой атомной ячейке среднее расстояние от атома до стенки на один-два порядка меньше и можно наблюдать гигантские сдвиги уровней в быстро растущем Ван-дер-Ваальсовском потенциале. По экспериментальным данным зависимости частотного сдвига резонанса от расстояния между стен-

ками в сверхтонкой ячейке оценена величина Ван-дер-Ваальсовской константы взаимодействия для двух уровней Сб: бО^а и Юъ/ъ равная соответственно +55±1 кГц/мкм3 и +38+3 кГц^мкм3.

В заключении приводятся основные достижения и результаты работы, которые состоят в следующем:

1. Построена теория инжекционного лазера оптически связанного с внешним высокодобротным резонатором, представляющим собой кварцевую микросферу субмиллиметровых размеров. Результаты расчетов указывают на принципиальную возможность значительного повышения монохроматичности инжекционных лазеров без изменения их габаритов.

2. Получено общее решение задачи об оптимальной конфигурации внешнего селективного резонатора инжекционного лазера, обеспечивающего максимально возможный диапазон непрерывной, без модовых скачков, перестройки частоты генерации, в предположении чисто вращательного перемещения селективного элемента. Предложены схемы резонатороз для наиболее употребительных вариантов перестраиваемых инжекцион-ных лазеров.

3. Создан лазерный спектрометр с диапазоном перестройки в одночастот-ном режиме составляющем 2 ТГц (70 см'1) в спектральной области 920 нм, соответствующей высоколежащим переходам в структуре атомных уровней Сз. Универсальная методика перестройки позволяет расширить ее применение на другие труднодоступные диапазоны длин волн.

4. Впервые предложена модификация схемы внутридоплеровской спектроскопии насыщенного поглощения для формирования контрастного внутридоплеровского резонанса на циклическом переходе. Создан стабилизированный по частоте, перестраиваемый лазер с невозмущенным спектром для исследования динамики атомов щелочных металлов в магнитооптической ловушке. Диапазон частотных отстроек +40...-150 МГц. Кратковременная стабильность частоты составляет 2.5 кГц в полосе 1

Гц.

5. Впервые непосредственно зарегистрированы большие Ван-д;р-Ваальсовские сдвиги уровней при взаимодействии атома (Се) с диэлектрической стенкой. Получены значения констант Ван-дер-Ваальсовского сдвига уровня 6Т);/2 в атоме Се и диэлектрической стенки из сапфира и иттрий-аллюминиевого граната.

6. В сверхтонкой ячейке в оптическом диапазоне продемонстрировано когерентное сужение неоднородной линии (эффект Дике), предсказн-

-19-

ное в 1955 году и наблюдавшееся в СВЧ диапазоне. Восстановление узких спектральных откликов гри толщине ячейки ЬвХ"1/2,Я,'3/2,... подтверждает когерентность процесса взаимодействия атомов с полем.

По результатам работы можно сформулировать следующие выводы:

1. Возможна устойчивая одночастотная генерация инжекционного лазера, частота которого затянута к частоте моды высокодобротного резонатора

при наличии высокого уровня оптической обратной связи между ними (^1%). Ширина линии генерации, при этом, может лежать в субкилогерцовом диапазоне.

2. Простое вращательное перемещение селективного элемента во внешнем резонаторе инжекционного лазера может обеспечивать перестройку его частоты на одной продольной моде в пределах практически всей линии усиления полупроводниковой среды.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Величанский В.Л., Яровицкий А.В. Пределы непрерывной перестройки частоты инжекционных лазеров с внгшним селективным резонатором. Квантовая электроника, т.22, №8, с. 796-800 (1995).

2. Ораевский А.Н., Яровицкий А.В., Величанский В.Л. Стабилизация частоты излучения полупроводникового лазера модой шепчущей галереи. Квантовая электроника, т.31, №10, с.897-903 (2001).

3. Dutier G., Yarovitski A., Saltiel S., Papoyan A., Sarkisyan D., Bloch D. and Ducloy M. Collapse and revival of a Dicke-type coherent narrowing in a submicron thick vapor cell transmission spectroscopy, Europhysics Letters, т. 63, №l,c.35-41 (2003)

4. Яровицкий А.В., Прудников О.Н., Васильев В.В., Величанский В.Л., Разин О.А., Шерстов И.В., Тайченачев А.В., Юдин В.И. Перестраиваемый и стабилизированный по частоте лазер для исследования динамики охлаждения Rb в магнито-оптической ловушке. Принято в печать в журнале Квантовая электроника.

5. Dutier G, Saltiel S., Yarovitski A., Valente P., Bloch D., Ducloy M., Sarkisyan D. and Papoyan A., Probing Atom-Surface Interaction in an Extremely Thin Cell, IQEC/LAT2002, Moscow, Russia, June 22-27, Technical digest.

6. Yarovitski A., Dutier G., Saltiel S., Lezama A., Bloch D., Ducloy M., Sarkisyan D. and Papoyan A., Extremely Thin Cell Transmission Spectroscopy : Disappearance and Revival ofthe Dicke Narrowing, IQEC/LAT2002, Moscow, Russia, June 22-27, Technical digest.

7. Bloch D., Ducloy M., Dutier G., Lopez O. and Yarovitsky A., 1.7 THz tunable quasi-single mode grating stabilized diode laser in the 920 ran range., IQEC/LAT2002, Moscow, Russia, June 22-27, Technical digest.

•> *

€ 3 6^6

Подписано в печать ю/М 2004г. Формат 60x84/16. Закш № 9 . Тираж экз. П.л. 1,25. Отпечатано вРИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика. 119991 Москва, Ленине кий проспект, 53. Тел. 1325128