Резонансное самовоздействие лазерных пучков в нелинейной спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

САРАТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО

РГ;'5 ОД

"" 5 ДЬК 133% На правах рукописи

/ .-

ПЛАСГШ 'ИнНГ ЛЬВОВНА

РЕЗОНАНСНОЕ САМОВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ В НЕЛИНЕЙНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

01.04.21 - лазерная физика

Автореферат Х диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов - 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы: Развитие радиоспектроскопии, а затем квантовой электроники и лазерной спектроскопии сделало актуальной проблему резонансного взаимодействия мощного излучения с квантовой системой, имеющей конечное число дискретных уровней энергии. Такие взаимодействия реализуются во всех квантовых генераторах излучения, в нелинейных спектроскопических экспериментах, в оптических стандартах частоты, представляют большой интерес для лазерного разделения изотопов, эффективного преобразования частот лазерного излучения и ряда других практических применений лазеров.

Как правило, проблему взаимодействия излучения с веществом разделяют на две части. Одна из них связана с распространением волн в среде" (феноменологическая волновая оптика). Вторая включает в себя исследования элементарных актов взаимодействия поля с атомами и молекулами среды (атомная и молекулярная спектроскопия, молекулярная оптика). Это разделение проходит как в линейной, так и в нелинейной оптике, исключая лишь нелинейные кооперативные явления, где участвуют атомы, удаленные друг от друга на макроскопические расстояния, соизмеримые с длиной волны, и где процесс распространения волн и элементарные акты взаимодействия не могут рассматриваться по отдельности (сверхизлучение Дикке, фотонное эхо и т.п.). Математическим выражением указанного разделения являются волновые уравнения для распространяющихся в среде полей, содержащие локальные характеристики среды - восприимчивости, несущие информацию об ^энергетических уровнях и состояниях образующих среду частиц. Эта информация составляет предмет атомной (молекулярной) спектроскопии в общепринятом смысле. •

Воздействие интенсивного резонансного излучения на квантовую систему исследуется с момента зарождения нелинейной оптики. Значительная часть этих исследований посвящена частотным изменениям, возникающим в системе, и составляет предмет нелинейной лазерной спектроскопии. Наивысший подьем интереса к проблемам ла-

х х

зерной спектроскопии характерен для периода 60 - 70 годов. В это время в литературе описан ряд спектральных эффектов, вызванных резонансным лазерным излучением (сдвиг и полевое расщепление

случае трехуровневой квантовой системы.

3. Исследование зависимости спектра пропускания лазерного излучения от исходного профиля пучка, от начального радиуса пучка накачки, а также от положения регистрирующего приемника излучения.

4. Разработка численного метода для расчета распространения лазерных пучков с нарушением аксиальной симметрии.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые классические эффекты нелинейной спектроскопии (динамический эффект Штарка в двухуровневой системе, эффект Аутлера-Таунса в трехуровневой системе) теоретически и с помощью численного моделирования исследованы в случае ограниченных световых пучков и длинных оптических трасс.

2. Установлено, что форма линии в спектре пропускания нелинейной среды с насыщением поглощения и дисперсии существенно зависит от радиусов и интенсивностей взаимодействующих пучков, размеров и положения приемника излучения.

3. Впервые обнаружено явление нелинейных наведенных линз сложного профиля и проведено детальное численное исследование механизма их формирования за счет конкуренции насыщения заселенностей и штарковского сдвига.

4. Развит новый подход к проблеме распространения в резонансных средах лазерных пучков с нарушением аксиальной симметрии, основанный на использовании векторного потенциала.

I Практическая значимость работы:

1. Проведенные расчеты позволяют оценить влияние эффектов самовоздействия пучка в экспериментах нелинейной лазерной спектроскопии на. протяженных трассах. Использование в ходе исследований безразмерных' величин позволяет применять эти оценки в широком диапазоне лазерных мощностей и параметров нелинейной среды путем соответствующего масштабирования.

2. Разработанные программы н алгоритмы при минимальной модификации непосредственно пригодны для расчета пучков произвольно заданной формы в среде с любой заданной восприимчивостью, в соответствии с потребностями эсперимента.

3. Обнаруженные в работе спектроскопические проявления сложных наведенных линз позволяют предлжить способ их спектроскопической

1. Всесоюзная научная студенческая конференция по физической оптике. Томск, 1989.

2. Всесоюзное совещание - семинар "Солитоны; нелинейная

вычислительная и волоконная оптика." Алушта, 1990. th

3. 10 International Symposium and School on High - Resolution

Molecular Spectroscopy. Omsk, Russia. 1991. st

4. I International Conference on Education in Optics. Leningrad, Russia. 1991.

5. XÍ Симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск, Россия. 1992.

6. 8 International Workshop on Nonlinear Evolution Equations and Dynamical Systems (NEEDS'92). Dubna, Rusia. 1992.

7. International Workshop on Computer Simulation in Nonlinear Optics (CSNO). Moscow, Russia. 1993.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата. Структура и обьем работы:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы из 157 наименований . Общий обьем - 154 страницы текста, иллюстрированного 25 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цели иследования и положения, выносимые на защиту. Отмечена практическая значимость работы, приведены сведения об апробации материалов, диссертации.

Первая глава содержит обзор литературы по двум направлениям: исследованию спектроскопических проявлений резонансного взаимодействия излучения с веществом и эффектов самовоздействия лазерных пучков в нелинейных средах. Обзор включает в себя три части: 1)описание и краткое изложение исследований епетральных эффектов, возникающих в двух- и трехуровневых квантовых системах под дествием резонансного лазерного излучения (динамический эффект Штарка и эффект Аутлера-Таунса); 2)рассмотрение задач по распространению волн в нелинейных резонансных средах, в которых иссле-

с использованием теории возмущений первого порядка по Е5.

Решение волнового уравнения проводилось численно при помощи двух расчетных схем: схемы Адамса-Бэшфорта по эволюционной координате с использованием преобразования Ханкеля по поперечной координате и численного метода, основанного на дробно-линейной аппроксимации эволюционного оператора, который учитывает поперечный лапласиан аналогично схеме Кранка-Николсона, а нелинейность - по явной схеме. В этом методе для решения получающегося разностного уравнения использовался метод прогонки.

Вывод формул для нелинейных восприимчивостей двух- и трехуровневых сред и их краткий анализ приводятся в разделе 2.1, а подробное изложение используемых расчетных схем - в разделе 2.2.

В третьей главе приводятся результаты численного исследования резонансного самовоздействия и взаимодействия лазерных пучков в нелинейной двухуровневой среде. В разделе 3.1 рассматривается распространение лазерного пучка в среде с исльным насыщением и поглощением. В таких условиях на пространственные и спектральные характеристики пучка оказывают влияние эффекты, связанные с его распространением и самовоздействием: дифракционное расплывание; нелинейная рефракция, или наведенная линза; нелинейное поглощение, или наведенная диафрагма и дифракция пучка на наведенной диафрагме. Было обнаружено, что эффекты самовоздействия пучка существенно изменяют не только пространственные, но и его спектральные характеристики:'из-за эффекта наведенной линзы в спектре пропускания по интенсивности на оси пучка возникает асимметрия и по мере распространения пучка в среде спектральный контур становится все более похожим на дисперсионный, чем на лоренцов. Существенно изменяется и частотная зависимость полной мощности пучка: возникает сдвиг и асимметрия линии поглощения, причиной которых является концентрация энергии пучка вблизи оси из-за нелинейной рефракции. Это способствует насыщению и просветлению среды, что улучшает условия распространения пучка. Исследования зависимости спектра пропускания от вида начального профиля распространяющегося пучка показали, что частотная зависимость полной мощности пучка оказалась практически невосприимчива к изменению его начального профиля.

В разделе 3.2 рассматривалось коаксиальное распространение

Четвертая глава посвящена исследованию влияния эффектов резонансного самовоздействия на спектры пропускания трехуровневых сред. Было рассмотрено коаксиальное распространение двух лазерных пучков с начальным гауссовым профилем в нелинейной трехуровневой среде в условиях эффекта Аутлера-Таунса, состоящего в дублетном расщеплении линии поглощения на смежном переходе из-за сильного смешивания атомных квантовых состояний мощным резонансным полем накачки.

В разделе 4.1 на примере двух типов резонансов (рис.2а,б), различающихся по кинетике заселенностей, исследуются искажения спектра пропускания пробного сигнала. Показано, что асимметрия расщепления Аутлера-Таунса в спектре пропускания возникает за счет частотно-зависимой нелинейной рефракции, индуцированной сильным пучком, при одновременном учете нелинейного поглощения и дифракции. По неожиданному знаку асимметрии спектра пропускания обнаружены наведенные линзы сложного пространственного профиля, причина появления которых состоит в конуренции эффектов изменения заселенностей уровней и спектрального расщепления.

Помимо исследований спектров интенсивности на оси пробного пучка, были рассмотрены частотные зависимости его полной мощности, интегральной по сечению пучка. Отмечено, что в них, также, как и в спектрах интенсивности, происходят искажения контура линии пропускания вследствие резонансной фокусировки (дефокусировки) пучка. Уменьшить асимметрию спектра, сохраняя условия насыщения перехода и расщепления линии, можно путем расширения сильного пучка приближения его к плоской волне.

Кроме того, для рассмотренных двух типов резонансов детально исследуется зависимость спектра пропускания пробного излучения

»о

3 2

1

2 1

(а) (б) (в) "

Рис.2. Диаграмма энергетических уровней.

- частота поля накачки, ш. - частота пробного излучения. Р а

К

точке. Исходные модули на языке FORTRAN пригодны для использования с любыми версиями компиляторов (в частности, Microsoft), допускающими обращение к библиотекам GRAFOR. Эффективность и простота алгоритмов позволяет применять разработанные -программы на персональных компьютерах класса IBM РС/АТ-286 и выше.

2) С помощью численного моделирования исследованы эффекты самовоздействия и взаимодействия лазерных пучков в среде с однородно уширенными, переходами и сильным насыщением поглощения и дисперсии. Детально исследовано формирование наведенной линзы и наведенной диафрагмы и их влияние на пространственное распределение поля в пучках и спектры пропускания по интенсивности в различных точках поперечного сечения и по полной мощности пучка.

Показано, что'при сильном насьшении распространение, самовоздействие и взаимодействие пучков происходят в канале самоиндуцированной прозрачности, что, в частности, может вызывать заметную самодифракцию ранее наблюдавшуюся в парах щелочных металлов. В этом же канале за счет насыщенной рефракции формируется наведенная линза с асимметричной частотной характеристикой, приводящая к асимметрии спектров пропускания. Качественные особенности распространения и спектры пропускания слабо зависят от небольших деформаций начального профиля пучка.

3) Впервые для поперечно-ограниченных пучков в протяженной среде решена задача о влиянии динамического эффекта Штарка на спектральные характеристики пробного оптического излучения в присутствии мощной резонансной накачки. Исследованы двух- и трехуровневые среды с различными схемами резонансных переходов, в которых распространялись два коаксиальных пучка: пучок накачки, вызывающий насыщение и смешивание состояний, и пробный (ненасыщающий) пучок. Показано, что нелинейные эффекты самовоздействия вызывают асмметрию и сдвиг линий в спектре пропускания пробного пучка как в условиях слабого насыщения, так и при заметном расщеплении линии.

4) В трехуровневых средах с различными схемами резонансных переходов при слабом насыщении пространственные эффекты распространения по-разному проявляются в спектрах пропускания пробного пучка, несмотря на то, что спектры локального поглощения одина-

С

Основные результаты диссертации изложены в следующих печатных работах:

1. Бабкова И.Л., Дербов В.Л. Исследование резонансного самовоздействия мощных световых пучков с помощью математической модели. Тез. докл. Всесоюзной научной студенческой конференции по Физической Оптике. Томск,.1989. -Томск: Изд-во ТГУ, 1989. С.41.

2. Babkova-Plastun I.L, Derbov V.L Asymmetry and shift of the absorption and resonant scattering spectral lines due to non-linear self-action of light beams in thick media. Book of

■f H

abstracts the XX-- European Congress on Molecular Spectroscopy. Zagreb, Yugoslavia, 1991. P. 145.

3. Дербов В.Л, Новиков А.Д., Бабкова-Пластун Й.Л. Численное моделирование резонансного самовоздействия пучков при динамическом эффекте Штарка. //Квантовая электроника. 1992. Вып. 43. -Киев:"Наукова думка". С. 24-27.

4. Derbov V.L, Potapov S.K., Babkova-Plastun l.L, Novikov A.D., Ponomaryov Yu.N., Kistenyov Yu.V. Numerical simulation of the non-linear resonance spectra in aperture-limited light beams having various profiles. 10-- Int. Sympos. and School on High-Resolution Molecular Spectroscopy. Omsk,USSR, 1991. /Proc. SPIE. 1992. V.1811. P. 344-347.

5. Babkova-Plastun I.L, Derbov V.L Asymmetry of transmission spectra due to saturation - induced self-action of light beams.//Opt.Communs. 1992. V.94. P.119-121.

6. Дербов В.Л, Пластун И.Л., Пономарев Ю.Н., Потапов С.К. Линзовые и апертурные эффекты при зондировании трехуровневых газовых сред пучками резонансного излучения. /Труды XI Симпозиума по лазерному и акустическому зондированю атмосферы. Томск. 1992. -Томск: Изд-во ТГУ. 1993. С. 159-162.

7. Bukatin A.F., Derbov V.L, Plastun I.L, Potapov S.K. Spectral calkulation method for nonlinear dynamics of laser beams in resonant media. Proc. of 8-- Int. Workshop on Nonlinear Evolution Equations and Dynamical Systems. Dubna, Russia. 1992. -Singapore:"World Scientific", 1993. P.415-422.

Ответственный за выпуск к.ф.-м.н. Синичкин Ю.П.

Заказ N . Подписано к печати 22.11.1994 г. Объем 1 печ.л. Тираж 50 экз. Ротапринт АО "Софит-про"