Оптическая накачка и самонакачка атомов ксенона, серебра и кадмия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Введение.

Глава I. Исследование сверхтонкой структуры лазерных переходов 5dPklw ~ брР/2]^ изотопа 129Хе.

Изотопические сдвиги.

§1. Ксенон, как активная среда газового лазера.®

§2. Изотопические сдвиги линий 5,57 мкм и 3,508мкм

129Ке относительно 13бХе.

§3. Эффект пересечения частот в Хе-лазере.

§4. Теория двойного радиооптического резонанса в газовом лазере.^

§5. Двойной радиооптический резонанс в состояниях

SdPAbj I29Xe.„

§6. Экспериментальные результаты и их обсуждение.

Глава 2. Оптическая самонакачка и самовыстраивание атомов в газовом разряде.

§1. Оптическая самонакачка атомов в газовом разряде.

§2. Самовыстраивание состояний б3?^ ^ атомов кадмия в газовом разряде.

Глава 3. Оптическая накачка сверхтонкой структуры

109 цл со основного состояния атомов JfO.ио

§1. Экспериментальная установка.

§2. Экспериментальные результаты и их обсуждение.

§3. Связь ширины 0-0 перехода с постоянной распада ориентации электронного момента £ = 1/2.

Замечательные успехи в развитии атомной спектроскопии сверхвысокого разрешения, достигнутые за последние 30 лет связаны с применением когерентных электромагнитных полей. На этой основе возникли одно за другим в значительной мере независимо два чрезвычайно эффективных направления атомной спектроскопии. Речь идет о а) методах радиооптической спектроскопии, начатых в 50-х годах работами Кастлера и Бросселя и известных под названием техники двойного радиооптического резонанса и оптической накачки и б) методах лазерной спектроскопии, возникших в 60-е годы на базе появления лазеров. Оба направления спектроскопии обладают практически неограниченной разрешающей способностью, что основано на использовании монохроматических электромагнитных полей в радио- и оптическом диапазонах частот. Соответственно этому методы оптической накачки (двойного радиооптического резонанса) поставляют информацию, относящуюся к области радиоспектроскопии атомов в основном и возбужденном состояниях, в то время, как лазерная спектроскопия непосредственно применима к исследованию оптических спектров атомов. При этом структура оптических переходов позволяет, как правило, исчерпывающим образом судить о деталях структуры энергетических состояний, относящихся к компетенции радиоспектроскопии. Тем самым, методы лазерной спектроскопии являются более универсальными и применимыми к любым объектам, разумеется при условии наличия перестраиваемого лазера в нужном диапазоне. Методы оптической накачки применимы лишь к специально благоприятным объектам (список которых, однако, весьма велик и продолжает расти; в частности, он увеличен в настоящей работе), но при этом эти методы технически много проще и всегда предпочтительнее, если речь идет о радиочастотном масштабе исследуемых энергетических структур атомов. Предпочтительность радиооптических методов связана с много меньшей ценой реализации заданной абсолютной разрешающей способности, определяемой в пределе шириной спектра источника когерентного излучения. Для источников радиодиапазона эта ширина, как правило, полностью цренебрежима. Даже в СВЧ диапазоне не представляет большого труда добиться ширины линии менее I Гц. В то же время в оптическом диапазоне типичная ширина спектра перестраиваемого лазера с высоким уровнем селекции частот составляет 10' Гц и лишь в исключительных по прецизионности устройствах (с очень узким диапазоном перестройки) оказывается существенно меньшей.

С появлением перестраиваемых лазеров популярность методов радиооптической спектроскопии сильно снизилась, что во многих случаях представляется неоправданным. Настоящая работа посвящена исследованиям путей расширения круга объектов, поддающихся методам оптической накачки, в том числе с использованием лазерной техники.

Одна из основных трудностей метода оптической накачки, возникающая при исследовании структуры основного состояния атомов связана с необходимостью иметь источники резонансного излучения достаточной интенсивности и с нужным спектральным распределением. Если для легко испаряемых элементов проблемы не возникает, то применительно к труднолетучим и агрессивным материалам создание источника может превратиться в сложную техническую задачу. Многие элементы имеют резонансные переходы в далекой ультрафиолетовой области, что также сильно ограничивает возможности традиционной оптической накачки.

Оптическая накачка возбужденных состояний возможна лишь для резонансных переходов. Состояния,не связанные с основным электродипольным переходом, могут быть заселены в условиях газового разряда, однако, сверхтонкие или зеемановские подуровни в мультиплете при таком способе возбуждения, как правило, заселяются одинаково. Чтобы создать необходимые в методе двойного радиооптического резонанса различия в заселенностях подуровней интенсивности обычных источников света недостаточно. Борьба с указанными препятствиями в работе проводилась в следующих направлениях.

1. Для применения метода двойного резонанса к высоковозбужденным состояниям использовалось лазерное возбуждение оптического перехода, игравшее роль оптической накачки. По существу, регистрировалась зависимость мощности генерации лазера от частоты переменного магнитного поля, воздействовавшего на активную среду. Конкретной задачей этой части исследования было определение сверхтонкой структуры двух возбужденных состояний ксенона. Для расшифровки структуры были использованы, как данные, полученные двойным резонансом, так и средствами лазерной спектроскопии.

2. Значительное внимание в работе было посвящено исследованию явлений оптической самонакачки и самовыстраивания атомов в газовом разряде. Эти явления состоят в самопроизвольном возникновении разности населенностей подуровней сверхтонкой и магнитной структуры состояний за счет процессов пленения излучения. В настоящей работе обнаружена и исследована самонакачки атомов серебра в основном состоянии в разряде. Эксперименты с парами серебра завершили цикл работ по самонакачке и позволили подтвердить тезис об универсальности этого процесса.

В той же части работы методом двойного резонанса проведено исследование самовыстраивания возбужденных состояний атомов кадмия в разряде.

3. Для расширеня возможностей метода оптической накачки основного состояния применительно к труднолетучим элементам разработан специальный тип источника резонансного излучения. Источник обеспечивает высокую интенсивность резонансного излучения для элементов побочной подгруппы I группы /серебро,медь/ и для ст£>ль агрессивных элементов, как редкоземельные. Его эффективность продемонстрирована в опытах по прямой оптической накачке паров серебра, осуществленных впервые и позволившей получить величины сечений дезориентации электронного спина серебра в столкновениях с атомами инертных газов,£а также сдвиги частоты 0-0 перехода в сверхтонкой структуре основного состояния.

Таким образом, в настоящей диссертации содержатся разработки в области расширения возможностей методов радиооптической спектроскопии и конкрешше применения этих методов к изучению состояний атомов ксенона, серебра и кадмия.

В настоящей работе защищаются следующие положения:

1. Расширен круг обьектов, исследованных методом оптической накачки. Применение метода в различных его модификациях позволило исследовать сверхтонкую структуру возбужденных состояний атомов ксенона, а также релаксации и сдвиги частоты в сверхтонкой структуре основного состояния атомов серебра.

2. В эксперименте с парами серебра в условиях тлеющего разряда подтверждена универсальность эффекта оптической самонакачки атомов в сверхтонкой структуре основного состояния.

3.В кварцевых кюветах при высоких температурах в отсутствие постороннего газа при столкновениях со< стенкой сохраняется электронный спин атомов серебра в основном состоянии.

4. Утверждается, что самовыстраивание атомов кадмия в условиях тлеющего разряда в длинных трубках происходит по принципу оптической накачки.

5. В газовом лазере на "'Хе имеет место эффект жесткой синхронизации колебаний на двух независимых переходах.

Диссертация состоит из трех глав и краткого заключения.

Первая глава посвящена исследованиям сверхтонкой структуры и изотопических сдвигов лазерных переходов атомов и лв с длинами волн 3,508 мкм и 5,57 мкм.

Вторая глава состоит из двух частей. В первой части излагается исследование явления самонакачки атомов серебра в газовом разряде. Полученный результат подтверждает механизм перераспределения атомов в сверхтонкой структуре основного состояния, предложенный в работах Е.Б.Александрова, Н.Н.Безуглова и Н.Н.Якобсона. Вторая часть, продолжая тему самосогласованного поведения атома в разряде, представляет результат прямого эксперимента по наблюдению разрушения самовыстраивания атомов изотопов Сс( и в условиях газового разряда.

В третьей главе описывается эксперимент по прямой оптической накачке сверхтонкой структуры основного состояния изотопа ^Лд . Приводится теоретический анализ связи измеренных величин с костантой релаксации электронного спина.

Следует особо отметить, что в представляемой работе отсутствует общий обзор по традиционным уже методам оптической накачки и спектроскопии двойного резонанса Ц ,2,3 /. По этим вопросам написано множество обзоров и монографий и переписывать их нерационально. Вопросы, содержащиеся только в оригинальных работах и непосредственно примыкающие к содержанию диссертации будут освещены в вводных параграфах каждой главы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе комплексными методами оптической накачки и самонакачки, двойного радиооптического и оптико-микроволнового резонанса в сочетании с приемами лазерной спектроскопии и магнитного сканирования проведены исследования структуры и релаксационных характеристик некоторых состояний атомов ксенона, серебра и кадмия. Конкретные результаты работы сводятся к следующим:

1. Измерены величины сверхтонких расщеплений лазерных уровней

Хе для двух инфракрасных переходов с длинами волн 5,57 и 3,508 мкм.

Z9

2. На тех же переходах измерены изотопические сдвиги линий Хс относительно А€ .

3. Впервые обнаружен эффект пересечения частот в газовом лазере.

4. Обнаружен эффект оптической самонакачки в сверхтонкой структуре основного состояния атомов серебра. о

5. Исследована природа самовыстраивания! метастабильного 5 Р^ состояния кадмия в газовом разряде.

6. Впервые осуществлена прямая оптическаяЬ накачка атомов серебра.

7. Получена информация о сдвигах давлением 0-0 перехода атомов серебра в основном состоянии.

8.Измерены сечениядрелаксации электронного спинаатомов /Q9Jf при столкновении с атомами

Кх. и Хб .

9. Впервые обнаружен эффект сохранения электронного спина при соударениях атомов серебра со стенками кварцевой кюветы.

В заключение считаю своим приятным долгом выразить признательность чл.корр. АН СССР Е.Б.Александрову за общее руководство работой, выразившееся в постановке задач и в плодотворных обсуждениях программ их решения.

Считаю также необходимым поблагодарить сотрудников научного отдела ГОИ им. С.й.Вавилова - В.Н.Кулясова и В.П.Савинова за помощь при проведении экспериментов.

1. W. Наррег - OpticjQJt pumping - XW: of 77lod&w. Pixy*., тг} М,л/1,рр. 169- 249.

2. С. СхуАлаь 7сигиоис1/и cuvd - Op±ua£ pu^pu^- Pvyb.LKr Opt, f966j ppJ-81.3. £ Zu. Pcd&tz Згб&ьуи^шЖйо-п of нг^фаъ rn&rn&tvts u)UL OfdecaL dcM wofuutejz. ~ ^^ Ma£tvuji%s, /965, b?,pp.of-149,

3. Царьков Изучение усиления и лазерных характеристик лазера Xe-Afe Л = 3,51 у/ . - Радиотехн. и электр., 1975, 20,PI,стр.138-142.

4. Москаленко В.Ф., Остапенво Е.П. и Лунгин В.И. 0 механизме создания инверсии заселенности уровней ксенона в положительном столбе смеси гелий-ксенон. - Опт. и спектр., 1967,23,стр. 177-178.

5. Бонч-Бруевич A.M., Бурхард Э.Э., Ковалев В.П., Фивейская А.К.--Зондовые измерения параметров плазмы в окг на ксеноне и смеси ксенона а гелием. ЖПС,1967,7,вып.4,стр.533-537.

6. Верхогляд А.Г.,Кривощеков Г.В., Курбатов П.Ф. Исследование роли буферных газов в работе Хе-лазера на переходе SdPAJr- Кв. электр.,1981,8,Р6,стр.I22I-I226.

7. VettvLy £*. Ma%Lz Ркл$е, ckasyuy fcoadem^, of-Ш. &гя,еь &*ui of Xel - ^ 1918, U,pp. .

8. L. CoApvavn and A. Уа>исг Ъ^и^ЬиАихдЛ pux)de± их, со fcigti- gain, iaie*, . J/>pe. Vctt., /?, rJ6,pp. 2.59-2.6/

9. L. Салр&иоп- and. Л-.Уагьиг G-cU*^ ал<х£ cU^ebUonесцеп^. ~ Jfift. Optics, /97-2, J, pp. J/62 -466.

10. Motoucki OhjtgUj (Ctfy&tna., Jlhung Huito>u%> 0u*,cL To5kika*M. 7o,ko~ дъгЖрп*** tf A- fxejfrusuug tffid fated tfe~Xe- фри. Cippe. WW), b/Spp. J6/9-J620.12. yoslvibki JJklnoto, Motoutki OJdsu, S^eki ICahuicyi „ MUqo OkI,

11. L. 8:1*.Mitt et K- Vj.Fcid Tsotxp^ sLfestbvuJbtiMSL,. — pkys. /953,pp. /t/<S8-/5oo.

12. Александров Е.Б., Кулясов B.H. и Хартунг К. Перестраиваемый одночастотный лазер на двух инфракрасных пересодах с

13. X = 5,57 и 3,51 мкм. Опт. и спектр., 1975,38,вып.4,стр.775-778.

14. Копферман Г. Ядерные моменты, ИЛ, М.,1960,485стр.18. //./б. ^eL&ufow, амЛ. А. ^алЯии hLupvtfbnz- jlxcuttwuL cwu£ рхор&сЫы of exited. *>ьа£&> of у ерю^ studied urdL си go* выех. - Pbf*- far- ЪШ:., /966, Ul}pp.

15. VcuU^jCuki JsicLotou, ОосшГои <шо*га.ш. of hJuou* Ск, Нг-Ne, ^ 662S A v-tvutsitiob - Q.Uppt. •j3J,tJ9, /968, pp.447?

16. V/. C*A,UkbjuT frvulfk, {емтеиц 1м, tlU. рыеаи*1. Pky*. Res., S96V,pp.

17. W. C-uJk&ouur ~ <f гионаксл. и^дсцели*. fae^s1. V -far*; ММ j ШуРР^-2-'625. u/.cu&uut въиш щонаил£- ~ ть гfrxJM^ Ш*, -У,

18. F. ofofdtiae »ице>ь -- Ply*. ^ /36Ц, /ЗУ, Pp. A ' A •

19. F.Jnmondo, MJn^uscio, Jf-.Movdti; M. and, К&ш»*. ТпЬталаПЬ ЧмокАилг, Он ар-ЬСыМи рчпухи* ё^е^гШ'^ел.6ztm Opt УМ, mo, 5, л///, pp.W6 - ЧЖ.

20. Александров Е.Б. и Прилипко В.К. Исследование структуры переходов S<£*/i.itif- |ссенона методами лазерной спектроскопии и двойного резонанса. - Опт. и спектр.,1977вып.4,стр.609613.

21. Александров Е.Б. и Прилипко В.К. Определение сверхтонкой2$структуры состояний 5cLt%.Z 4 Хе. Опт. и спектр. ,48,вып.5,1980, стр.845-849.

22. Померанцев Н.М., Рыжков В.М., Скроцкий Г.В. Физические основы квантовой магнитометрии. - изд-во "Наука",М.,1972,447стр.

23. Suzuki (UvcL SkihvocLa O^L vw4£ с/ вмиг, еыък ef xwon, iiujcU&d вд Нам&, tffeeb. - ^atucn. Ptyi.bc.pfr» 19??, fill, pp.233 -242.

24. Вольман И.И. Техника сантиметровых волн. - М."Сов.радио", 1949.

25. Александров Е.Б., Прилипко В.К. и Якобсон Н.Н. Оптическая самонакачка атомов серебра. - Опт. и спектр.,1980,49,вып.5, стр.837-839.

26. Туркин Ю.И. Явление самообращения на компонентах сверхтонкой структуры. - Опт. и спектр.,1957,2,стр.290-297.

27. Александров Е.Б. и Якобсон Н.Н. Выморажиаание сверхтонкой структуры основного состояния атомов таллия в разряде - Письма в ЖЭТФ,1977,26,6,стр.463-467.

28. Александров Е.Б., Безуглов Н.Н., Якобсон Н.Н. Оптическая самонакачка таллия' в разряде. - Опт.и спектр., 1979,46,стр.1061-1066.

29. Александров Е.Б., Якобсон Н.Н. Оптическая самонакачка атомов в сверхтонкой структуре основного состояния . -Опт.и спектр.,1980,48,стр.828-831.

30. Иванов В.В. Определение населенностей возбужденных уровней. в сб. Теория звездных спектров,М.,1966,стрЛ26-158.

31. Соболев В. Диффузия излучения в газе. - в сб. Теория звездных спектров, М.,"Наука",1966,стр.105-12§.

32. Биберман Л.М. 0 диффузии резонансного излучения.- ДАН СССР, 1940,27,№9,стр.920-925.

33. Биберман Л.М. К теории диффузии резонансного излучения. - ЖЗТФ, 1947,17,вып.5,стр.416-426.

34. Чайка М.П. Интерференция вырожденных атомных состояний.-Изд-во ЛГУ им. А.А.Жданова, Ленинград,1975,стр.192.

35. Прилипко В.К. и Александров Е.Б. К вопросу о самовыстраивании кадмия в разряде. - Опт. и спектр., I983,55,вып.3,стр.560561.

36. Атаджанов М.Р., Котликов Е.Н., Чайка М.П. Выстраивание метастабильного состояния C-cLl в газовом разряде. - Опт. и спектр.,1981,50,вып.5,Стр.817-819.

37. L С CM^to-y,, Л.Согмы, J./T&uuu^. Cot&Sco* OvXS хЖоия 'f&L Zp &MVU U 87-0°К - $ 5;,pp. tool- /003.48. anstey . &регитллЛоМ\ off**- А ^ -JtJfaUbLc. oUpoee- tsivovnt+cb of &ё оР^СсаЛ рш^рг^bxJ^uM 1Э6*, pp. 36-VS.

38. W.Happen a^oL /b.S.tnatkuJL . ~ &ff&L&<JtL орело^ог.tosm Cut optical Pbtf* /6Э>, dl, pp.JZ-25

39. Александров Е.Б. и Прилипко В.К. Оптическая накачка СТС основного состояния атомов серебра. - Опт. и спектр.,1981,51, вып. 2, стр. 218-22$.

40. Х.С. И&оЖсиА ОрЬСахЛ- рилпр-игл аЖ isu^pe^cutceAu- Php. four. Ш6., /369, 2Л, л/&, pp. /6/- /6Ъ.

41. W. Е. СШъ , R.M. %аи1&л± Зир&^сил. сЬш^Ь^ jJuffeof Cvu Не., Не, J)r a+ict А/. . \Л Ркиз. far, c#J5t л/3, tsit,53. &J.AdbbLou>7 1Г?с1Ых a^-tU Sf^^ Мшхльсл- $pvdx£L of XhxxpptLcL або+ий - (Хе^п.й^.1960, .

42. W. Happen 7r?u.№pe& -аЛа^аМм ziW of a. uTvMf pLku^UoL ifC^ Pty./bur. S, /9Щ £ f*/£, pp 220S - 220*.55. TasirvouAfu, С. cU t'tsolof*. Ml Jm /KVUUM cU - fys. facUu*,., 1363, Zff, pp. 653-664).10r,

43. Справочник химика Т.2.,под ред. Никольского,стр.263.

44. Sbuu&buAJL> . " . cie. Р/у&^ия, 196$, SO,pp. 53-6Z.