Радиационно-кинетические явления при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с резонансными средами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

? "1 |) 4

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ"

На правах рукописи УДК 621.373

ПАНТЕЛЕЕВ Алексей Анатольевич

РАДИАЦИОННО-КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С РЕЗОНАНСНЫМИ СРЕДАМИ.

01.04.04 - физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Государственном Научном Центре Российской Федерации Троицкий Институт Инновациионных и Термоядерных Исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ).

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Б.А. Векленко доктор физико-математических наук B.C. Лисица

доктор физико-математических наук, профессор В.П. Яковлев

Ведущая организация: Московский Физико-Технический

Институт

Защита состоится: "_"_1997 года в "_" часов на

заседании Специализированного совета Д 034.04.01 в РНЦ "Курчатовский институт" по адресу: 123182, Москва, площадь Курчатова, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ "Курчатовский институт".

Автореферат разослан "_"_1997 г.

Ученый секретарь

Специализированного Совета Д 034.04.01 РНЦ "Курчатовский институт"

кандидат физико-математических наук ^ И.Елизаров

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Исследование спектрально-угловых, пространственных и других характеристик процессов, отвечающих взаимодействию интенсивного резонансного излучения с газовыми средами, имеет как общефизический интерес, связанный с изучением новых явлений, исследованием новых областей параметров, так и практическое значение в приложениях связанных с лазерной спектроскопией, физикой газовых лазеров, лазерными стандартами частоты, физикой газовых разрядов, диагностикой плазмы, прецизионными измерениями и т.д., а также в задачах, связанных с использованием лазерного излучения .

Стандартное описание линейного взаимодействия излучения с веществом (как квантовое, так и полуклассическое) основано на теории Лоренца-Крамерса-Гейзенберга. В очень интенсивных полях, когда становятся существенными внутри атомные нелинейности, возникают заметные отклонения от предсказаний этой теории. Описание этих эффектов является актуальным при рассмотрении взаимодействия лазерного излучения с резонансными средами. В этом случае система "атом + поле" является сильно связанной, поэтому ее необходимо рассматривать как единую и нельзя ограничиться линейным приближением, которое используется в теории Лоренца-Крамерса-Гейзенберга.

К началу настоящей работы были выполнены детальные исследования спектров поглощения и испускания невырожденной двухуровневой системы в поле сильной электромагнитной волны. Теоретически было предсказано, а затем подтверждено экспериментально, что для достаточно больших интенсивностей спектр спонтанного испускания имеет форму трех пиков, состоящих из центральной компоненты и двух боковых симметрично отстроенных от центральной на обобщенную частоту Раби. Воздействие лазерного поля на спектр поглощения атомов приводит к тому, что существенно изменяется не только форма линий спектра может иметь место даже усиление резо-

нансных фотонов. Возможность усиления резонансных фотонов в газе атомов или молекул, находящихся в поле интенсивного лазерного излучения, приводит к тому, что энергия лазерного поля вынужденным образом перекачивается в энергию рассеянного поля и имеет место спектральная неустойчивость лазерной волны. Хорошо известна пространственная неустойчивость электромагнитной волны в резонансных средах, связанная с самофокусировкой. При этом она часто сопровождается возникновением конического излучения. Возникновение его, по-видимому, связано с процессами резонансного четырехвол-нового взаимодействия, которое носит невырожденный характер (хотя предложен и ряд альтернативных механизмов). В целом эта сложная физическая картина в последнее время является предметом многочисленных исследований. Наличие неустойчивости существенным образом может влиять на однородность и монохроматичность лазерных пучков, распространяющихся в резонансной среде, приводя к ухудшению характеристик лазерных усилителей, потере селективности взаимодействия в лазерных резонансных технологиях. Тем не менее, эта неустойчивость может оказаться и полезной при реализации широко обсуждаемой в настоящее время возможности создания одного из вариантов "лазеров без инверсии" - лазера на состояниях "одетого" атома.

В ряде задач, связанных с расчетом лазерных усилителей и исследованием процессов распространения лазерного излучения в резонансной среде, стандартное описание, основанное на системе уравнений Максвелла-Блоха, является недостаточным. Так как при этом не учитывается рассеянное поле излучения: его распространение, пленение, а также его влияние на распространение лазерной волны. В описании распространения резонансного излучения используется теория Бибермана-Холстейна, а также ее модификации, описывающие перерассеяние квантов в иных, чем это было сделано Би-берманом и Холстейном, предположениях. Наличие лазерной волны существенно усложняет задачу: необходимо дополнительно учитывать

кванты флуоресценции, возникающие при рассеянии лазерного излучения, а также когерентность, которую вносит лазерное поле в эту систему. К началу наших работ, основные теоретические исследования роли пленения резонансного излучения были выполнены в приближении, использующем малость параметра насыщения, а поэтому не позволяли описывать его влияние на распространение интенсивной лазерной волны в резонансном газе.

Таким образом, разработка и успешное развитие многочисленных приборов и устройств квантовой электроники, решение задач лазерной спектроскопии требует детального изучения спектральных характеристик процессов возбуждения неустойчивости и нелинейного рассеяния при взаимодействии интенсивного лазерного поля с резонансными средами, что и определяет актуальность исследований в данной области. Следует отметить, что если с прикладной точки зрения ясное понимание вышеописанных явлений необходимо для решения практических задач, то с точки зрения фундаментальной физики в таких исследованиях могут быть выявлены новые, неизвестные ранее закономерности процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом.

Основные цели данной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Разработка самосогласованного описания распространения лазерного излучения в резонансных газовых средах, включающего реабсорбцию рассеянного излучения, и анализ спектральных характеристик резонансного параметрического и четырехволнового взаимодействия.

2. Детальное исследование процессов, сопровождающих распространение интенсивной лазерной волны в резонансной среде паров металлов: спектрально-угловой неустойчивости лазерного пучка и резонансной флуоресценции в широком диапазоне параметров (плотности паров, интенсивности лазерного излучения, лазерных отстроек от резонансных линий).

3. Теоретическое исследование спектральных и поляризационных характеристик процессов сопровождающих взаимодействие интенсивной монохроматической волны с резонансными вырожденными атомными состояниями, разработка квантовой теории этих процессов.

Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем:

1. Получена система уравнений для описания переноса резонансного излучения в газе двухуровневых атомов в поле лазерной волны произвольной интенсивности. Показано, что существенное влияние на процессы переноса излучения оказывает резонансное невырожденное четырехволновое смешение.

2. Предсказана спектрально невырожденная поперечная неустойчивость интенсивной лазерной волны в резонансной среде, имеющая место при любом знаке отстройки от резонанса и содержащая резонансную самофокусировочную неустойчивость Джаванна-Келли частным случаем. Наличие этой неустойчивости подтверждено выполненными численными расчетами, а также результатами экспериментов группы А.Г. Леонова.

3. Для описания спектрально-угловой неустойчивости интенсивной лазерной волны в парах щелочных металлов развита квантовая теория резонансного четырехволнового взаимодействия в газе трехуровневых атомов дублетного типа. Линейный анализ этой неустойчивости показал, что рассеянное излучение должно иметь значительно уширенный многокомпонентный состав. Показано, что закономерности развития спектрально-угловой неустойчивости в парах натрия могут быть качественно объяснены возбуждением четырехволновых процессов в плотной среде трехуровневых атомов и не требует привлечения альтернативных механизмов для интерпретации опытных данных.

4. Впервые рассчитаны спектры резонансной флуоресценции невырожденной дублетной системы \/-типа в поле интенсивной монохроматической волны. Показано, что они имею мультиплетную струк-4

туру (до семи пиков) и дана их интерпретация на основе расщепления

Раби трехуровневой системы, помещенной в сильное лазерное поле.

5. В работе показано, что к стандартным уравнениям матрицы плотности для двухуровневого атома в поле сильной электромагнитной волны возникают поправки, обусловленные нелинейными динамическими эффектами, и приводящие к изменению структуры радиационной релаксации и низкочастотной составляющей лэмбовского сдвига, а также спектров поглощения (усиления) атома.

6. Впервые рассчитаны спектральные характеристики эффекта Ханле для перехода J = 0 J = I в поле монохроматической электромагнитной волны произвольной интенсивности. При исследовании влияния вынужденных процессов на свойства сигнала Ханле показана существенная роль волновой расстройки интерферирующих состояний поля на формирование структуры рассеянного излучения.

7. Построена квантовая теория процессов, сопровождающих резонансное рассеяние монохроматической электромагнитной волны произвольного поляризационного состава в среде с произвольными значениями угловых моментов рабочего перехода. Зта теория содержит новую методику расчета спектров резонансной флуоресценции, ео угловых и поляризационных характеристик, интерференционных сигналов рассеянного излучения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Вывод замкнутой системы уравнений для описания распространения резонансного излучения в присутствии лазерного поля произвольной интенсивности и разработка методики расчета функции перераспределения фотонов по частотам, учитывающей влияние процессов резонансного невырожденного четырехволнового взаимодействия.

2. Доказано наличие невырожденной поперечной неустойчивости лазерной волны, имеющей место при любом знаке отстройки от резонанса и содержащей резонансную самофокусировочную неустой-

чивость Джаванна-Келли как частный случай. Результаты численного анализа возникновения и развития спектрально-угловой неустойчивости интенсивного лазерного импульса в резонансной протяженной (поглощающей) среде.

3. Результаты исследования спектрально-угловой неустойчивости лазерной волны в парах щелочных металлов, включающие построение квантового описания резонансного невырожденного четыре-хволнового взаимодействия в газе трехуровневых атомов У-типа, расчет спектров конического излучения, линейный анализ параметров конического излучения от интенсивности лазерной волны, ее отстройки от резонанса и плотности атомных паров; сравнения с экспериментальными данными рассеяния лазерной волны на 02 линии паров натрия.

4. Результаты аналитического расчета мульти.плетных спектров резонансной флуоресценции паров натрия в поле интенсивной лазерной волны резонансной 02 линии натрия. Результаты расчетного моделирования экспериментальных данных с учетом пространственной неоднородности распределения интенсивности излучения по сечению лазерного пучка и поглощения квантов флуоресценции в невозмущенных парах натрия.

5. Поправки к стандартным уравнениям матрицы плотности для двухуровневого атома в поле сильной электромагнитной волны, обусловленные изменением структуры радиационной релаксации и низкочастотной составляющей лэмбовского сдвига. Результаты анализа влияния эффектов в нелинейной динамической релаксации на населенность, спектры испускания и поглощения (усиления) двухуровневого атома в поле сильной волны. Результаты исследования роли интерференционных эффектов в структуре радиационной релаксации дублетных систем \/-типа в лазерном поле, а также анализа их влияния на интенсивность спонтанного излучения.

6. Обобщение скалярной квантовой теории четырехволнового взаимодействия на случай взаимодействия фотонов различной поля-

ризации и применение ее для описания Ханле-эффекта. Результаты исследования спектральных свойств эффекта Ханле для перехода У = 0 У = I в поле электромагнитной волны произвольной интенсивности.

7. Квантовая теория процессов резонансного рассеяния интенсивной монохроматической электромагнитной волны произвольного поляризационного состава, включающая методику расчета спектров резонансной флуоресценции, ее угловых и поляризационных характеристик, интерференционных сигналов, а также спектрально-поляризационных характеристик поглощения (усиления) и четырехвол-нового смещения рассеянного излучения.

Научная и практическая ценность работы.

Полученная в работе система уравнений для описания переноса резонансного излучения в присутствии лазерного поля позволяет учитывать процессы реабсорбции и повысить точность расчета лазерных усилителей. Особую актуальность эти результаты имеют для лазерных систем в которых имеются существенная неоднородность активной среды (например, рентгеновские лазеры).

Проведенное в работе изучение взаимодействия излучения с резонансной средой в широкой области параметров, сравнение теоретических расчетов с результатами эксперимента дает цельную картину процессов сопровождающих распространение интенсивного лазерного пучка в резонансных атомарных газовых средах и имеет существенное значение для создания лазерных усилителей, реализации практических схем лазерного разделения изотопов, дистанционной диагностики, лазерной фотохимии и др., чувствительных к искажению фронта лазерного пучка и его спектра.

Развитый в данной работе подход к исследованию спектров резонансной флюоресценции позволяет изучать не только принципиальные вопросы нелинейной оптики и лазерной спектроскопии, но и

дает методику для практических расчетов и измерений процессов релаксации и переноса возбуждения в газовых средах.

Апробация работы.

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции по передовым и лазерным технологиям ALT'92 (Москва, 1992), Международной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (Томск, 1992), Международной конференции "Laser Optics'93" ( Санкт-Петербург, 1993), VI Всесоюзном семинаре по физическим процессам в газовых ОКГ (Мукачево, 1986), XVI Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995), Международной конференции по квантовой электронике EQEC'94 (Амстердам, Голландия, 1994), Международных конференциях по лазерам, электрооптике и квантовой электронике CLEO/IQEC'94 (Анахейм, США, 1994), CLEO/IQEC'95 (Балтимор, США, 1995), на семинарах ТРИНИТИ, ИОФ РАН, ИС РАН, МФТИ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 печатных работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 21 печатной работе, в т.ч., в 17 статьях и 4 препринтах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Каждая глава начинается кратким обзором литературы по соответствующим вопросам и заканчивается выводами, наиболее важные из которых сформулированы ниже в качестве защищаемых положений. Общий объем диссертации 320 страниц, из них 221 страница текста и 101 рисунок. Библиография включает 243 названия на 19 страницах.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во Введении приводится обоснование актуальности темы и выбора направлений исследований, указаны основные цели работы, излагается краткое содержание диссертации и формулируются защищаемые положения.

Первая глава диссертации посвящена исследованию основных физических процессов в проблеме переноса резонансного излучения в присутствии лазерного поля, а также построению математического аппарата для решения этой задачи в рабочей среде, состоящей из газа двухуровневых атомов. В рамках диаграммной техники Келдыша для неравновесных функций Грина в первом параграфе приведены уравнения, описывающие процессы переноса резонансного излучения. При этом показано, что наличие лазерного поля приводит к возникновению в описании процессов переноса аномальных корреляторов, отвечающих вперед направленном четырехволновому взаимодействию. В разделе 1.2 исследованы поляризационные и массовые операторы, определяющие динамику фотонной и атомной подсистем. Выяснены их особенности, возникающие в данной задаче. Третий параграф посвящен анализу свойств атомных гриновских функций двухуровневого атома в поле интенсивной монохроматической волны. Показано, что интенсивное лазерное поле нетривиальным образом модифицирует контура атомных состояний. Влияние теплового движения атомов на поглощение (усиление) резонансных фотонов, спектры резонансной флуоресценции, а также на константу связи четырехвол-нового взаимодействия, которое имеет место в данном случае, изучается в четвертом разделе. Представлена интерпретация экспериментальных данных по измерению коэффициента поглощения пробного встречного сигнала. Пятый параграф посвящен исследованию влияния рассеянного излучения на распространение лазерного поля. На основе анализа дисперсионных свойств фотонных функций Грина в последнем разделе данной главы делается заключение о наличии мелкомасштабной спектрально-угловой неустойчивости интенсивной лазерной волны в резонансных средах, имеющей место при ее любом знаке отстройки от резонанса. Представлен ее линейный анализ, изучаются наиболее характерные особенности, которые сравниваются с экспериментальными данными.

В второй главе в описании переноса резонансного излучения используется подход альтернативный методу функций Грина. Он основан на формализме атомно-фотонной матрицы плотности, который излагается в первом разделе. Во втором параграфе выводятся уравнения для необходимых в решении данной задачи операторов для атомной и фотонной подсистем. Получены общие уравнения, описывающие радиационную кинетику излучения в среде. Расчет атомно-фотонных операторов, описывающих процессы перерассеяния излучения, выполнен в третьем параграфе. В разделе 2.4 получены явные выражения для функции перераспределения фотонов по частотам в произвольном порядке по амплитуде лазерного поля. Показано, что наличие лазерного поля существенно изменяет не только вид функции перерассеяния, но и ее структуру. Это связано с тем, что существенное влияние на реабсорбцию излучения оказывает направленное вперед четырехволновое взаимодействие фотонов симметрично отстроенных по частоте от волны накачки.

Развитая в этой главе методика расчета функции перераспределения фотонов по частотам использовалась для описания процессов переноса в газе двухуровневых атомов. Отметим, что она может применяться и для описания резонансного переноса излучения с учетом вырождения атомных состояний и поляризационной структуры рассеянного поля излучения. Необходимый при этом математический аппарат для расчета спектров поглощения и испускания резонансного перехода, четырехволновой связи, интерференционных сигналов, а также их поляризационно-угловых характеристик развит далее в седьмой главе.

Третья глава посвящена исследованию спектрально-угловой неустойчивости интенсивной электромагнитной волны в резонансных средах. При этом, основное внимание уделено изучению неустойчивости вблизи О-линии паров щелочных металлов. Во введении к этой главе дан обзор основных экспериментальных работ по наблюдению мелкомасштабной неустойчивости интенсивного лазерного излучения

в резонансных средах, а также теоретических моделей, которые предшествовали началу наших работ по этой теме. Анализ экспериментальных данных по рассеянию интенсивных лазерных импульсов в парах щелочных металлов (натрий, калий) показал, что во многих случаях частота Раби излучения оказывается порядка величины дублетного расщепления, и происходит эффективное возбуждение обоих состояний Р1/2 и Р3/2- Это означает, что ранее использовавшееся двухуровневое приближение атомной системы является недостаточным для корректного описания процессов распространия и рассеяния интенсивных импульсов. В первом параграфе в рамках атомно-фотонной матрицы плотности построена теория резонансного невырожденного четырехволнового взаимодействия в газе трехуровневых атомов V-типа (модель дублета щелочных металлов). Для этой системы в разделе 3.2 исследованы спектры резонансной флуоресценции, коэффициента поглощения (усиления) фотонов и четырехволновой связи мод, симметрично отстроенных по частоте от лазерной волны. Показано, что эти спектры могут содержать до семи спектральных компонент, положения которых определяются динамическим Штарк-эффектом. Представлена их интерпретация с точки зрения состояний одетого атома. Следующий параграф посвящен линейному анализу неустойчивости лазерной волны, изучению зависимости параметров конического излучения (угол, спектральный состав) от интенсивности лазерного излучения, его отстройки от резонанса, плотности атомных паров. При этом показано, что выходящее излучение должно иметь значительно уширенный многокомпонентный спектральный состав. В 3.4 представлено сравнение теоретических предсказаний с экспериментальными данными группы А.Г. Леонова по наблюдению неустойчивости при низкочастотных отстройках от Р-линии натрия. Как показали расчеты, спектральная зависимость инкремента развития неустойчивости качественно описывает положения наблюдаемых экспериментально компонент рассеяния. В пятом параграфе приводятся результаты исследований характеристик так называемых "аномальных" компонент рас-

сеяния, показывающих, что генерация указанных компонент и необычные зависимости их спектрального положения от параметров эксперимента не требуют привлечения альтернативных теорий и вполне объясняются процессами четырехволнового взаимодействия в газе трехуровневых атомов. Нелинейная стадия спектрально-угловой неустойчивости лазерного импульса в двухуровневой среде исследуется в последнем параграфе этой главы. В разделе 3.6.1 представлена теоретическая модель, которая включает в себя систему уравнений Максвелла-Блоха. Модель численных расчетов приводится в 3.6.2. Раздел 3.6.3 содержит результаты численных расчетов, которые показали, что при распространении лазерного импульса в резонансной среде имеет место его неустойчивость: происходит его разбиение на солитонные образования, сопровождающееся спектрально-угловой неустойчивостью. Расчеты подтвердили результаты линейного анализа: эта неустойчивость имеет место при любом знаке отстройки от резонанса. Модельные расчеты распространения насыщающего лазерного импульса в усиливающей среде показали, что в этом случае эта неустойчивость также имеет место.

Спектрально-угловые характеристики начальной стадии неустойчивости интенсивной лазерной волны могут в значительной степени определяться достаточно сложным спектром спонтанного излучения трехуровневой среды. Поэтому в четвертой главе диссертации детально исследуются ранее неизученные многокомпонентные спектры резонансной флуоресценции плотных паров натрия в сильном лазерном поле. Во введении к этой главе дан краткий обзор работ по проблеме резонансной флуоресценции в сильном лазерном поле. В первом параграфе представлена теоретическая модель для расчета спектров и получены их явные выражения. А во втором представлен анализ этих спектров, изучаются наиболее характерные особенности. Результаты эксперимента группы А.Г. Леонова, который был инициирован автором данной работы и А.Н. Старостиным, обсуждаются в 4.3. Эти эксперименты подтвердили, что в зависимости от лазерной от-

стройки от 01 и й2 линий спектры могут содержать вплоть до семи компонент, что согласуется с рассчитанными в 4.2 спектрами расщепленной в сильном поле трехуровневой системы. Расчетное моделирование мультиплетных спектров флюоресценции дублета натрия в условиях отвечающих этим экспериментам выполнено в четвертом параграфе. Проведенный анализ показал, что существенными факторами, влияющими на экспериментально наблюдаемый вид спектров, являются поглощение квантов флюоресценции в невозмущенных парах натрия и неоднородность распределения интенсивности по сечению лазерного пучка. Расчеты спектров флюоресценции в трехуровневой среде с учетом вышеназванных эффектов демонстрируют хорошее согласие с опытными данными. Раздел 4.5 посвящен исследованию возможности использования двухуровневого приближения в расчетном моделировании зависимостей интенсивности ближайших к лазерной спектральных компонент флуоресценции. В шестом параграфе обсуждается экспериментально наблюдаемый эффект ненасыщаемости лазерной флюоресценции и на основании расчетов делается вывод, что данный эффект обязан своим происхождением свечению паров в пространственных крыльях распределения интенсивности по сечению лазерного пучка.

В пятой главе исследуется возможность модификации структуры радиационной релаксации атомных систем в поле интенсивной резонансной электромагнитной волны и ее влияние на свойства поглощения и испускания атома. Первый раздел содержит обзор основных экспериментальных и теоретических работ посвященных изучению зависимости констант релаксации атомов в зависимости от интенсивности поля. Во втором параграфе выводятся уравнения для компонент атомной матрицы плотности двухуровневого атома в поле сильной монохроматической электромагнитной волны с учетом поправок к скорости радиационной релаксации и низкочастотной составляющей лэмбовского сдвига, обусловленных нелинейными динамическими эффектами. Это потребовало модификации процедуры Вигнера-

Вайскопфа с учетом точных спектров спонтанного испускания атома в поле сильной волны. Анализ полученных уравнений для атомной матрицы плотности показал, что при высокочастотных отстройках достаточно сильной волны от резонанса может иметь место инверсия двух-ровневого атома. Волна накачки при этом, естественно, поглощается. В разделе 5.3 исследуется влияние этих эффектов на спектры поглощения (усиления) и испускания атома. Влияние интерференционных эффектов на структуру радиационной релаксации невырожденных трехуровневых атомов дублетного типа в поле сильной волны изучается в четвертом параграфе. Для стандартных уравнений атомной матрицы плотности, описывающих дублетную систему У-типа в поле электромагнитной волны, к оператору радиационной релаксации найдены поправки, обусловленные интерференционными эффектами. Показано, что оператор релаксации становится недиагональным, а скорость релаксационных процессов зависит не только от ширин, но и радиационных сдвигов уровней. Анализ полученных уравнений показал, что эти эффекты могут значительно влиять на динамику заселенностей атомной системы и интенсивность ее спонтанного излучения. В параграфе 5.5 рассматривается роль интерференционных явлений в структуре радиационной релаксации реальных физических систем с учетом конкретных значений угловых моментов атомных состояний, поляризационных характеристик спонтанного излучения. Установлено, что интерференционные эффекты существенно влияют на скорость радиационной релаксации лишь для атомных систем с одинаковыми значениями углового момента близлежащих возбужденных состояний. Для различных значений углового момента показано, что влияние интерференционных явлений может проявляться могут лишь в определенных физических ситуациях: а) атомы находятся в высокодобротном резонаторе, существенно меняющем плотность мод вакуумных состояний; б) атомы находятся в среде со значительным различием в дисперсии (показателях преломления) для спонтанно рассеянных фо-

тонов; в) проявляются эффекты нелинейной динамической релаксации, исследовавшиеся во втором и третьем параграфе этой главы.

Шестая глава посвящена изучению параметрических процессов и явлений, сопровождающих взаимодействие интенсивной электромагнитной волны с трехуровневыми системами, возбужденные состояния которых связаны постоянными электрическими или магнитными полями. Основному материалу данной главы предшествует описание формализма атомно-фотонной матрицы плотности, в рамках которого выводятся основные уравнения для описания динамики рассеянного поля. В первом параграфе изучаются процессы резонансного четырехволнового взаимодействия и рассеяния интенсивной электромагнитной волны с трехуровневой системой, два верхних близлежащих состояния которой связаны постоянным электрическим полем. Выполнено исследование влияния нелинейных интерференционных эффектов на спектры поглощения и испускания атома. Второй параграф посвящен построению формализма для описания процессов, сопровождающих распространение и рассеяние линейно поляризованной волны в замагниченной среде с рабочим переходом с ^=0 -> Ц=\. При этом мы ограничились рассмотрением двух фиксированных геометрий: фа-радеевской (волновой вектор волны накачки параллелен вектору магнитного поля Н) и фойгтовской (^ 1 Н). Для описания рассеянного поля излучения наряду со стандартными корреляторами поля (числами заполнения фотонов в данной моде) потребовалось введение "аномальных" корреляторов для фотонов различных поляризаций, отвечающих процессам вперед направленного четырехволнового взаимодействия, а также "интерференционных" корреляторов. Последние близки по своему физическому смыслу соответствующим компонентам поляризационной матрицы Фан о. Получены явные выражения спектров поглощения и испускания перехода ^=1 в поле силь-

ной волны с учетом возмущения магнитным полем. В рамках диаграммной техники Келдыша исследована его квазиэнергетическая

.структура, представлена интерпретация спектров с точки зрения состояний одетого атома. В третьем параграфе изучаются свойства кинетических коэффициентов определяющих вынужденные процессы, исследуются некоторые особенности поляризационной спектроскопии пробного поля. Для волны накачки в разделе 6.4 исследовался нелинейный эффект Фарадея. Рассмотрено также влияние сильно меняющихся дисперсионных свойств среды на распространение симметрично отстроенных по частоте от волны накачки боковых мод. Пятый параграф посвящен исследованию спектральных свойств эффекта Ханле оптически тонкой среды в фойгтовской геометрии. Показано, что спектр неупругой составляющей сигнала Ханле может содержать до семи компонент. Для упругой компоненты при совпадении частоты Лармора с рабиевской частотой осцилляций обнаружена особенность, проявляющаяся в ее интерференционном тушении. Шестой и седьмой параграфы посвящены исследованию влияния вынужденных процессов (поглощения, усиления и интерференционного четырехволнового взаимодействия) на свойства сигнала Ханле. В 6.6 изучается излучение, рассеянное на оптически тонком атомном пучке и собираемое высокодобротным резонатором, а в 6.7 исследование выполнено для рассеяния излучения на модельном оптически плотном пучке. Разделы 6.6.1 и 6.7.1 посвящены изучению влияния вынужденных процессов на спектральные характеристики сигнала Ханле, а 6.6.2 и 6.7.2 на его полную интенсивность. В исследовании выполненном для оптически плотного атомного пучка показано, что существенное влияние на свойства рассеянного излучения может оказывать волновая расстройка интерферирующих фотонов различной поляризации.

Развитые в предыдущих главах диссертации теоретические описания позволяют изучать процессы, сопровождающие распространение и рассеяние интенсивной лазерной волны в резонансных средах, ограниченные рядом свойств рассматриваемых систем, а также предположений. Наиболее существенными из них являются: невырожденность атомной (двух- или трехуровневой) системы или же конкрет-16

ность свойств рабочего перехода ^=0 ^1), фиксированная поляризационная структура волны накачки и геометрия наблюдения рассеянного излучения. Расширить класс рассматриваемых задач, призвана седьмая глава этой работы. Она посвящена разработке квантовой теории процессов, сопровождающих распространение и рассеяние интенсивной монохроматической электро-магнитной волны (ЭМВ) произвольного поляризационного состава в резонансной среде с произвольными значениями углового момента рабочего перехода. Первый параграф посвящен выводу основных уравнений, определяющих динамику рассеянного излучения. В разделе 7.1.1 вводится теоретическая модель. В стандартном представлении проекций углового момента (М-представлении) развита методика расчета спектров резонансной флуоресценции, коэффициентов поглощения (усиления) рассеянных фотонов, их вперед направленного четырехволнового смешения (ВНЧВС), а также спектров поляризационно-интерференционнных источников (раздел 7.1.2). Развит аппарат для расчета поляризационно-спектральных характеристик поглощения и испускания излучения на переходах между лазерно-связанным состоянием и другими состояниями. Показано, что в общем случае динамика рассеянного излучения, сопровождающего распространение ЭМВ, определяется системой из 36 уравнений. При описании рассеяния излучения на большие углы, когда процессы ВНЧВС становятся несущественными, эта система сокращается до 9 уравнений. В разделе 7.1.3 описание, развитое в предыдущем разделе, преобразуется для представления поляризационных операторов или кц - представления. Второй параграф

посвящен описанию угловых и поляризационных характеристик рассеянного излучения. Для анализа поляризационной структуры определяются связь параметров Стокса с его описывающими корреляторами. Выполнен анализ возможности генерации сжатых состояний с помощью интерференционных процессов. В третьем параграфе исследуются свойства резонансной флуоресценции. Исследованы ее поля-

ризационные, спектральные и угловые характеристики. Представлена интерпретация спектров с точки зрения состояний состояний одетого атома. Показано, что спектры флуоресцнции могут иметь мультиплет-ную структуру, максимальное число пиков определяется величиной:

(л^3-^/(л^-1), где 2(^3 + ^ +1), ,/а и ^ - угловые моменты

нижнего и верхнего состояний соответственно. Для атомных систем нижним уровнем в основном состоянии получены явные выражения для упругой компоненты, включающие интерференционные эффекты между фотонами флуоресценции различной поляризации. Получены выражения для описания деполяризации излучения (эффекта Ханле) в магнитном поле при рассеянии электромагнитной волны произвольной интенсивности, позволяющие описывать спектральные свойства сигнала Ханле и его полную интенсивность, и которые обобщают полученные ранее результаты в некоторых частных случаях. Четвертый параграф посвящен исследованию свойств взаимодействия и рассеяния интенсивной волны на переходе «Уа=1 ^=0. В разделе 7.4.1 при исследовании нелинейного эффекта Фарадея для этого перехода показало, что форма линии угла вращения плоскости поляризации волны накачки качественно и количественно по параметру / 1нас (здесь 1ндс — интенсивность насыщения) совпадает с результатами

для перехода */а=0 ^=1. При анализе угла вращения плоскости поляризации с учетом гауссовой неоднородности лазерного пучка обнаружены в его распределении по поперечной координате относительно оси пучка. В 7.4.2 исследовались спектры резонансной флуоресценции и свойства сигнала Ханле. Показано, что существенное различие в свойствах интерференционных эффектов для переходов и/а=1 4>=0 и ./а=0 -> 4,= 1 связано с тем, что при рассеянии волн различной поляризации на переходе и/а=0 атомная система в конечном итоге приходит в одно состояние, а на переходе иа= 1 4>~0 - в разные. При этом в первом случае имеют место значительные интерференци-18

онные эффекты, а во втором случае - лишь спектральные нелинейные. Для полного сигнала (интеграла по спектру) эти эффекты вообще отсутствуют, так как по законам квантовой механики интерференционные явления имеют место лишь для процессов с одинаковым конечным состоянием. При модельном исследовании спектров резонансной флуоресценции перехода ^/а=1 -» с основным нижним состояни-

ем и радиационным режимом релаксации и возбуждаемым излучением с фиксированной а — поляризацией была обнаружена особенность

в спонтанном излучении сг' — поляризации (сг'^сг), которая проявляется для слабых полей 11а « 1нас: имеет место сужение спектральной линии испускания, которое становится почти 5 -функцией. При этом спектральная плотность рассеянной &— компоненты пропорциональна 1\а .

В Заключении приводятся основные результаты работы, которые можно сформулировать следующим образом:

1. Получена замкнутая система уравнений для описания распространения резонансного излучения в присутствии лазерного поля произвольной интенсивности в газе двухуровневых атомов. Показано, что перенос излучения является анизотропным из-за принципиально важной роли процессов невырожденного четырехволнового взаимодействия (НЧВВ) рассеянных фотонов и лазерного излучения. Анализируется влияние теплового движения, приводящее к анизотропии спектров поглощения (усиления) и испускания атомов в лазерном поле. Разработана методика расчета функции перераспределения фотонов по частотам, которая по своей структуре существенно отличается от традиционной функции перераспределения наличием вкладов от процессов НЧВВ. Для нее получены явные выражения.

2. Показано, что резонансная самофокусировочная неустойчивость Джаванна-Келли является частным случаем невырожденной поперечной неустойчивости интенсивной лазерной волны, имеющей место при любом знаке отстройки от резонанса.

3. Для исследования спектрально-угловой неустойчивости лазерной волны в парах щелочных металлов развито квантовое описание резонансного НЧВВ в газе трехуровневых атомов У-тпа (модель дублета щелочных металлов). На ее основе выполнен линейный анализ параметров конического излучения от плотности атомных паров, интенсивности лазерной волны, ее отстройки от резонанса и проведено сравнение с экспериментальными данными рассеяния интенсивной лазерной волны в парах натрия. Качественно объяснены основные свойства конического рассеяния, положения отдельных спектральных компонент.

4. На основании теоретического анализа и сравнения с экспериментальными данными показано, что закономерности развития спектрально-угловой неустойчивости в парах натрия могут быть объяснены возбуждением четырех волновых процессов в среде трехуровневых атомов и не требуют для интерпретации опытных данных альтернативных механизмов.

5. В рамках системы уравнений Максвелла-Блоха проведено исследование развития и нелинейной стадии спектрально-угловой неустойчивости интенсивного лазерного импульса в резонансной протяженной поглощающей среде. На основании численного анализа впервые показано, что данная модель при любом знаке отстройке лазерного поля от резонансного перехода хорошо описывает все основные экспериментально наблюдаемые пространственные и частотные характеристики рассеянных в резонансной среде лазерных пучков. В результате модельных расчетов распространения лазерного импульса в усиливающейся резонансной среде показано, что он испытывает неустойчивость аналогичную спектрально-угловой неустойчивости в поглощающей резонансной среде.

6. Впервые рассчитаны и детально исследованы спектры резонансной флуоресценции паров натрия в интенсивном лазерном поле, длина волны которого близка к длинам волны и 02 линий натрия. Выполненные расчеты показали, что структура наблюдаемых спектров может содержать до семи компонент и обязана своим происхождением расщеплению Раби основного состояния ЗБ и двух возбужденных ЗР состояний атомов натрия в поле лазерной волны на шесть квазиэнергетических уровней. Показано, что на вид спектров флуоресценции существенно влияет пространственное распределение по сечению пучка и поглощения квантов флуоресценции в невозмущенных парах натрия. Выполненные с учетом этих факторов расчеты спектров хорошо согласуются с экспериментальными наблюдениями. Показано, что так называемый эффект "ненасыщаемости лазерной флюоресценции" в условиях, когда интенсивность лазерного пучка много больше интенсивности насыщения, обязан своим происхождением свечению паров в пространственных крыльях распределения интенсивности по сечению лазерного пучка.

7. К стандартным уравнениям для матрицы плотности, описывающей двухуровневый атом в поле сильной электромагнитной волны (ЭМВ), получены поправки, обусловленные изменением структуры радиационной релаксации и низкочастотной составляющей лэм-бовского сдвига. Показано, что при высокочастотных отстройках двухуровневые атомы могут находиться в инвертированном состоянии. Исследовано влияние эффектов нелинейной динамической релаксации на спектры испускания и поглощения (усиления) двухуровневого атома в поле сильной ЭМВ.

8. Выполнено исследование влияния интерференционных эффектов на структуру радиационной релаксации модельных дублетных невырожденных атомных систем \/-типа в поле ЭМВ. Показано, что скорость релаксационных процессов зависит не только от ширин, но и радиационных сдвигов уровней. Обнаружено, что может иметь место

существенное различие в зависимостях полной интенсивности спонтанного испускания от величины поля волны накачки для ее различных отстроек от резонансов в атомной системе. Выполнен анализ роли интерференционных эффектов в структуре радиационной релаксации для реальных атомных состояний дублетного типа.

9. Проведен анализ влияния, которое могут оказывать постоянные электрические и магнитные поля, связывающие возбужденное состояние рабочих переходов атомной подсистемы на ее спектры поглощения и испускания, процессы вперед направленного резонансного четырехволнового взаимодействия (ЧВВ). Скалярная теория резонансного ЧВВ обобщена на случай фотонов различной поляризации. Проанализированы особенности поляризационной спектроскопии пробного поля.

10. Впервые для переходов Ц=0 и <¿=0 рассчитаны и исследованы спектральные свойства Ханле-эффекта для монохроматической волны ЭМВ произвольной интенсивности. Для оптически тонкой среды показано, что в сильных полях неупругая компонента спектра сигнала Ханле имеет мультиплетную структуру, которая может быть интерпретирована с точки зрения состояния одетого атома.

11. Выполнен анализ влияния вынужденных процессов (поглощения, усиления, а также ЧВВ) на спектры флуоресценции атомов с рабочим переходом У = 0 —> У = 1, находящихся в постоянном магнитном поле и возбуждаемых монохроматической ЭМВ произвольной интенсивности. Показано, что интерференционное взаимодействие между фотонами различных типов поляризации можно рассматривать как один из типов ЧВВ. Установлено, что волновая расстройка интерферирующих состояний электромагнитного поля может существенно влиять на динамику фотонов флуоресценции. Полученные результаты использованы для описания модификаций спектров сигнала Ханле и зависимости его полной интенсивности от величины магнитного поля, обусловленные влиянием вынужденных процессов.

12. Развита квантовая теория процессов резонансного рассеяния интенсивной монохроматической ЭМВ произвольного поляризационного состава на вырожденном атомном переходе (с произвольными значениями углового момента). Разработана методика расчета и получены выражения для описания спектров резонансной флуоресценции, коэффициентов поглощения (усиления) рассеянных фотонов и четыре-хволновой связи в процессах невырожденного ЧВВ. Развит аппарат для расчета поляризационно-спектральных характеристик поглощения и испускания излучения на переходах между лазерно-связанными состояниями и другими состояниями атома. Полученный формализм позволяет описывать поляризационно-угловую структуру рассеянного излучения, интерференционные явления.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пантелеев A.A., Росляков В.А., Старостин А.Н., Таран М.Д. Взаимодействие резонансного лазерного излучения с оптически плотным газом. ЖЭТФ, 1990, т. 97, с. 1777 - 1794.

2. Гайдаренко Д.В., Леонов А.Г., Пантелеев A.A., Росляков В.А., Старостин А.Н., Чехов Д.И. Неустойчивость лазерного пучка в резонансной среде при низкочастотных отстройках. Письма в ЖЭТФ, 1992, т. 55, в. 4, с. 228-232

3. Пантелеев A.A., Старостин А.Н. Функция перераспределения фотонов по частотам в теории переноса резонансного излучения в присутствии лазерного поля. ЖЭТФ, 1992, т. 102, с. 441 - 454.

4. Пантелеев A.A. Влияние постоянных электрических и магнитных полей на процессы резонансного четырехволнового взаимодействия. ЖЭТФ, 1991, т. 99, с. 1684 - 1698.

5. Гайдаренко Д.В., Леонов А.Г., Пантелеев A.A., Старостин А.Н., Чехов Д.И. Невырожденное рассеяние сильной электромагнитной волны в парах щелочных металлов. Препринт ИАЭ-5541/1, Москва, 1992, р. 1-44.

6. Гайдаренко Д.В., Леонов А.Г., Пантелеев А.А., Старостин А.Н., Чехов Д.И. Особенности резонансного рассеяния интенсивной лазерной волны в парах натрия. Квантовая электроника, 1992, т.9, в. 10, с. 1001 -1003.

7. Chekhov D.I., Gaidarenko D.V., Leonov A.G., Panteleev А.А., Starostin A.N. Conical emission and spectral bechavior of strong near resonant wave at low-frequency detuning. Preprint IAE-5523/1, Moscow, 1992, p. 1 - 12.

8. Gaidarenko D.V., Leonov A.G., Panteleev A.A., Starostin A.N., Chekhov D.I. Theoretical and experimental studies of the spectral-angular instability of a strong electromagnetic wave in resonant gas media. Laser Physics, 1993, v. 3, n. 1, p. 151-164.

9. Леонов А.Г., Пантелеев A.A.,Старостин A.H., Чехов Д.И. Спектр резонансной флуоресценции трехуровневой плотной среды (паров натрия) в сильном лазерном поле. Письма в ЖЭТФ, 1993, т. 58, в. 12, с. 959-963.

10. Ломая Ф.А. Пантелеев А.А. Спектральные свойства Ханле-эффекта для сильной монохроматической волны. ЖЭТФ, 1993, т. 103, с. 19701980.

11. Chekhov D.I., Leonov A.G., Panteleev А.А., Starostin A.N. Experimental and theoretical investigation of many-component structure of sodium vapor fluorescence in field of intense laser wave. Preprint IAE-5662/1, Moscow, 1993, p. 1-9.

12. Пантелеев А.А.,.Старостин A.H. Влияние нелинейной динамической релаксации на спектры поглощения и испускания двухуровневого атома в поле сильной электромагнитной волны. ЖЭТФ, 1994, т. 106, с. 1606-1617.

13. Пантелеев А.А. Квантовая теория процессов, сопровождащих рассеяние интенсивной лазерной волны в резонансной среде. Препринт ТРИНИТИ № 0027-а,1996, с. 1-51.

14. Chekhov D.I., Gaidarenko D.V., Leonov A.G., Panteleev A.A., Starostin A.N. Conical emission and spectral bechavior of strong near resonant wave at low-frequency detuning. Optics Communications, 1994, v. 105, n. 3,

p. 209-213.

15. Леонов А.Г., Пантелеев A.A., Старостин А.Н., Чехов Д.И.

"Аномальные" компоненты рассеяния в условиях развитой неустойчивости лазерного излучения в резонансной среде. Квант, электр., 1994, т. 21, в. 2, с. 165-168.

16. Леонов А.Г., Пантелеев A.A., Старостин А.Н., Чехов Д.И. Мульти-плетные спектры резонансной флуоресценции трехуровневой среды (паров натрия) в поле интенсивной лазерной волны. ЖЭТФ, 1994, т.

105, в. 6, с. 1536-1558.

17. Panteleev A.A. and Lomaya F. Spectral features of the Hanle effect for

strong monochromatic waves. JOSA В, 1994, v. 11, p. 1153-1157.

18. Ломая Ф.А., Пантелеев A.A. Влияние вынужденных процессов на свойства сигналов Ханле. 1. Исследование спектров. ЖЭТФ, 1994, т.

106, с. 886-903.

19. Ломая Ф.А., Пантелеев A.A. Влияние вынужденных процессов на свойства сигналов Ханле. 2. Исследование полной интенсивности сигнала. ЖЭТФ, 1995, т. 108, с. 23-35.

20. Старостин А.Н., Пантелеев A.A., Лебедев В.И., С.Г. Ротин, Леонов А.Г., Чехов Д.И. Эволюция пространственно-частотной структуры интенсивного лазерного импульса, распрострняющегогся в резонансной среде. ЖЭТФ, 1995, т. 108, с. 1203-1222.

21. Пантелеев A.A. Квантовая теория процессов резонансного взаимодействия интенсивной монохроматической электромагнитной волны произвольного поляризационного состава. ЖЭТФ, 1997, т. 111, вып. 2, с. 440-466.