Резонансы насыщенного поглощения в электрических и магнитных полях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РГ6 од

5 / НЮ^ОеСИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 536.342

БАРАШЕВ Виталий Абрамович

РЕЗОНАНСЫ НАСЫЩЕННОГО ПОГЛОЩЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

"Ял&асибиЦск - Г993

Работа выполнена в Институте Лазерной физики СО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических нау

Е.В.Бакланов

Официальные оппоненты: дохтор физико-математических на

Б.Д. Павлик

доктор физико-математических н< A.M. Чаплик

ЕеАУцая организация: Институт теоретической и приклад;

механики СО РАН..

Защита состоится " м.«-»»-«-^ 1993 г. в (

на заседании Специализированного совета К 200.18.01 п суждению ученой степени кандидата наук в Институте ¿г фидикиСО РАН 630090, г. Новосибирск-90, проспект ака Лаврентьева, I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Инсти' зерно?» фпзиии СО РАН.

Автореферат разослан п Ц " Ч4-* ч

Ученый секретарь Специализированного совета К.002.65.02 х. <?>.-м. н. /L-% Н.Г. £

I. Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

Основным фактором, ограничивающим ширину оптических спек-льных линий в классической спектроскопии, был эффект Доп-ра. Создание лазеров привело к появлению новых методов -одов нелинейной лазерной спектроскопии [I") . Наибольшее пространение получил нелинейный резонанс мощности - провал гба, возникающий при взаимодействии газа двухуровневых ато-I с полем стоячей волны [ 2 ] . Особенно эффективным оказалось :ь использование нелинейных поглощающих сред £3,4] • К нас пцему времени этим методом, который получил название метода шнейного поглощения, получены резонансы с относительной . зиной Ю~10 - Ю~12 [ 5,б] .

К настоящему времени метод насыщенного поглощения явля-:я весьма эффективным и хорошо освоенным методом нелинейной зерной спектроскопии. Однако для ряда объектов, представляю-, к большой физический интерес, прямое его применение невоз-яно. Такими объектами являются, например, дипольно-запрещен э переходы между метас.табильными уровнями атомов со време-ы жизни уровней X > Ю-^ с. Вообще, почти все атомы пери-ической системы имеют такие запрещенные переходы, одним из овней которого часто является основное состояние. В диссер-ции исследуется возможность использования этих переходов я спектроскопии сверхвысокого разрешения.

Цель работы:

Исследовать запрещенные переходы атомов в электрическом >ле и возможность их использования для спектроскопии сверх-юокого разрешения. Изучить влияние электрического поля на 1виг резонанса насыщенного поглощения на запрещенном перехо-

Решить задачу о резонансе насыщенного поглощения газа ио->в в магнитном поле и найти уширение резонанса за счет неод->родности магнитного поля.

На.учная новизна.

1. Впервые показано, что запрещенные переходы атомов могут быть использованы для спектроскопии сверхвысокого разрешения. Для этого газ атомов должен быть помещен в постоянное электрическое поле, которое приводит к появлению наведенного дипольного момента на запрещенном переходе, т.е. к конечной вероятности перехода.

2. Еыполнен расчет наведенного дипольного момента для элементов I группы / Си, Аи / и элементов 3 группы периодической системы.

3. Рассмотрены резонансы насыщенного поглощения на запрещенных переходах.

4. Решена задача о резонансе насыщенного поглощения на переходе атома водорода.

5. Проанализирована возможность измерения частоты перехода 12 - атома водорода с помощью резонанса насыщен- -ного поглощения.

6. Решена задача о резонансе насыщенного поглощения газа ионов в магнитном поле. Исследовано упшрение резонанса за счет неоднородности магнитного поля.

Научная и практическая ценность.

1. В диссертации обоснована возможность исследования запрещенных переходов для спектроскопии сверхвыоокого разрешения. Это открывает для спектроскопии насыщенного поглощения большой класс новых объектов.

2. Резонансы насыщенного поглощения на запрещенных переходах можно использовать для стабилизации частоты и постановки прецизионных физических экспериментов.

3. Дан расчет интенсивности резонанса насыщенного поглощения на запрещенном переходе в электрическом поле.

4. Получены формулы для формы резонанса насыщенного поглощения газа ионов в магнитном поле.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на

1. Научном семинаре Отдела лазерной физики Института теплофизики СО АН СССР, г.Новосибирск.

2. ВсесОБзной Вавиловской конференции по нелинейной оптике, г.Новосибирск, 1981 г..

3. Конференциях молодых исследователей Института теплофизики СО АН СССР, г.Новосибирск, 1981, 1982 гг..

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 пе— чатных работ.

' '-'Объём работы.; .Общий .объем диссертации ..^включая 9 рисуну^-ков, 2 таблицы, составляет 62 страницы. .Диссертация состоит, из Введения, трех глав, Заключения. Список упоминаемой лите-— рахуры содержит 69 наименований.

Автор выносит на защиту:

1. Возможность использования резонанса насыщенного поглощения на запрещенных переходах в электрическом поле для спектроскопии сверхвысокого разрешения.

2. Расчет наведенного дипольного момента в электрическом поле для запрещенных переходов Си, Аи и элементов 3 грутг= пы периодической системы.

3. Исследование резонанса насыщенного поглощения на пе-

реходе - 2.5 атома водорода в электрическом поле.

4. Результаты исследования резонанса насыщенного погло--

щения ионов, захваченных в магнитном поле.

П. Содержание работы.

Во Введении (§1) отмечается, что методами бездопплеров— ской спектроскопии получены узкие оптические резонансы с относительными ширинами Ю-1 - Ю-12 . Их предельная ширина определяется однородной шириной используемого перехода.

В главе I ( § 3 ) диссертации рассматривается возможность использования запрещенных переходов атомов для спектроскопии высокого разрешения. Рассматриваются переходы с радиационной вероятностью перехода < 10 кГц. Уровни такого • перехода метастабильными со временем жизни V > 10"^ с. Часто нижним уровнем запрещенного перехода является основной. Запрещенные переходы имеют большинство атомов. Элементы в каждой группе периодической системы имеют сходную структуру запрещенных переходов.

Ориентируясь на однородную ширину Г ~ 10 кГц и игходя из того, что уширение переходов иэ-за столкновений имеет порядок 10 МГц/Торр, можно определить плотность атомов. Она составит л ~ 10 см-^ , что соответствует давлению 10 Аорр. В газе такого давления можно получить достаточное поглощение даже при очень малой радиационной вероятности перехода. По порядку величины коэффициент резонансного поглощения на единицу длины «А. ~ уАо0 . гДе Я- длина волны

запрещенного перехода, - допплеровская ширина. При

Л р = 10 см, саЭ0 = I ГГц, имеем о(. - Ю-4^ см-1, где ^ измерено, в Гц.

Атомы могут иметь запрещенные переходы с очень малыми радиационными ширинами, при которых очень трудно или вообще невозможно получить поглощение. Однако можно использовать то обстоятельство, что в постоянном электрическом поле появляется дополнительная радиационная вероятность перехода. В 5 4 диссертации вычисляется наведенный дипольный момент на запрещенном переходе с учетом сверхтонкой структуры перехода. Её необходимо учитывать, так как она может составлять более 1МГц, а мы ориентируемся на спектроскопию высокого разрешения г точностью 10 кГц. Квадрат наведенного дипольнсго момента оказывается равен квадрату постоянного электрического поля, умноженному на величину, определяемую структурой уровней за:,^е-щенного перехода и промежуточных уровней. В § 4 вычислена также величина сдвига уровнеП сверхтонкой структуры е постоянном электрическом поле за счет эффекта Штарка.

3 § 5 диссертации результаты предыдущего параграфа использованы для вычисления квадратов наведенных дипольных мо-

ментов, а также дополнительной радиационной вероятности перехода для элементов первой и третьей групп периодической системы. Получено, например, что в постоянном электрическом поле с напряженностью I05 В/см ^/ 0 .l,0^!* =

= Я. Ö • iO"b AcS для меди, а

z ~ *

(P^.i.OlcJjIP^.o.O^j = i.S"-Юдля таллия. Радиационная вероятность этих переходов составляет ~ 2* 10"^ Гц.

Вид резонансов насыщенного поглощения в стоячей волне на запрещенных переходах атомов, помещенных в постоянное электрическое поле, рассматривается в § б диссертации. При резонансном взаимодействии стоячей волны с газом атомов имеются ре-зонансы насыщенного поглощения, которые соответствуют переходам между компонентами сверхтонкой структуры уровней. Еы-_ числена также мощность лазера, необходимдя для достижения насыщения на запрещенном переходе. Например, для переходов в таллии она составляет 0,1 Вт/см . Если два перехода имеют общий уровень, то возникает добавочный, так называемый крас-, синг-реэонанс на промежуточной частоте- Влияние эффекта в неоднородном электрическом поле приводит к уширению резонанса. При параметре насыщения порядка единицы в наших оценках напряженность постоянного электрического поля принимается равней 10 В/см. В поле такой напряженности при давлении порядка 10" Topp пробой не происходит. Для параметра насыщения 0,1 -0,01 напряженность электрического поля существенно меньше 10 - Ю3 В/см. л .

В главе исследуется резонанс насыщенного поглощения на запрещенном переходе IS - атома водорода в электричес-

ком поле. Малая естественная ширина уровня 2$ атома водорода ^ ~ I Гц ) создает принципиальную возможность очень точного измерения частоты перехода Iii - 2S .

На этом переходе выполнено много прецизионных оптических экспериментов, позволивших уточнить константу Ридберга, пег-тоянную тонкой структуры, радиационный сдвиг уровня IS • В эксперименте Г 7 Д с помощью метода друхфстонного поглощения

_гт

константа Ридберга измерена с точностью 10 ". . которая является наилучшей для всех физических констант. £стестгенно, чт<: исследование однофотенного резонанса насыщенного поглощения

также представляет интерес.

В § 7 диссертации исследуется сверхтонкая структура уровней с главным квантовым числом 1Л = 1,2 атома водорода в электрическом поле. Еычислены вероятности переходов между компонентами сверхтонкой структуры верхнего и нижнего уровней и штарковские сдвиги частот этих переходов в постоянном ^электрическом поле, а также вероятность радиационного распада компонент сверхтонкой структуры уровня .

В § 8 диссертации проанализирована возможность наблюдения резонанса насыщенного поглощения на переходе - 2£ атома водорода. Предполагается, что с газом взаимодействует ■стоячая электромагнитная волна с частотой, близкой к частоте перехода - 2Д . Поле стоячей волны линейно поляризовано в том же направлении, что и постоянное электрическое поле. В этом случае разрешены только переходы без изменения проекции момента т , а также, как показывают вычисления в § 7, без изменения полного момента Г . Поэтому должны наблюдаться три резонанса, соответствующие сохраняющимся значениям (Я-,»«) : (0, 0) , II, 0) , (1,± I) . Зная наведенный дипольнып мсменг на этих переходах, мы можем вычислить коэффициент поглощения бегущей волны на них. ■

Для того, чтобы с помощью резонанса насыщенного поглощения измерить частоту перехода I £ - 2$ атома водорода, необходимо выбрать приемлемое значение напряженности постоянного электрического поля и оценить соответствующую интенсивность резонанса. Эти оценки даются в § 8. Точность измерения этим методом оказывается '4' 100 кГц, что существенно хуже метода двухфотонного поглощения.

При получении узких оптических резонансов с ширинами до I кГц существенным является уширение резонанса из-за конечного времени пролета частицы через световую волну. Поэтому актуальной является проблема увеличения времени когерентного взаимодействия частицы с полем. Интересным является метод захвата ионое в магнитном полег позволяющий значительно увеличить число захваченных частиц и объем области взаимодействия. В главе 3 диссертации анализируется одаофотонный резонанс насыщенного поглощения в газе ионов, захваченных в маг-

итном поле.

В однородном магнитном поле Н ларморовский радиус иона Ял. = ^/«-О , где уК - тепловая скорость, сН/^^ ■ ларморовская частбта, r*\ t е. _ масса и заряд иона, [ри ™ = 20 fVNp , где - масса протона, ^ = 5'104см/с,

I = 100 Гс, для однократно ионизованных атомов RA ^ I см, : вполне может быть меньше поперечного размера световой волы а . в таком случае частица все время взаимодействует с олем и возникает известный провал Лэмбла, с шириной, равной днородной ширине резонансного перехода 2Г. В реальной ситу-ции магнитное поле неоднородно, что приводит к уширению не-инейного резонанса.

В § 9 диссертации получены общие выражения для поляриза-щ газа ионов в стоячей, волне с произвольным распределением ;оля в поперечном направлении. Траектория движения ионов -акже произвольная. При выводе использованы уравнения для ;атрицы плотности двухуровневого атома и метод, развитый Лэм-ом. По поляризации среды определяется коэффициент поглоще-:ия на единицу длины, которым в дальнейшем характеризуется ¡езонанс. Поляризация и коэффициент поглощения находятся г •очностыз до членов, пропорциональных■линейной степени пара-(етра насыщения

В § 10 анализируется уширение резонанса за счет неодно-юдности магнитного поля. Считаем, что ион движется в магнитам поле соленоида, а световую волну полагаем плоской. В пре-ельном случае с^ „ << Г , где <f0 = Of^R.&./t - характерно ика неоднородности магнитного поля ( R - радиус, 2 6, • длина соленоида ), и L « LK= гДе 2 L - длина

чейки с газом, для полуширины резонанса имеем

JlVt = CL/LJ1 Г

Член в этом выражении обусловлен неравномерно-

скоренным движением ведущего центра орбиты иона, а член lS/2 (1*/Lk.) - равномерно-ускоренным движением с ускорением, ависящий от начальной координаты. Величина L к имеет смыл длины когерентности. Это означает, что в неоднородном маг-:итном поле мы имеем новый эффект - появление длины когерент-

ности, связанный г зависимостью ускорения ионов от их началь- • ной коррдинаты. Этот эффект не имеет отношения к сдучаю равноускоренного движения ионов, т.к. в неоднородном магнитном поле ускорение ионов в разных точках пространства различно.

Резонанс нелинейного поглощения не исчезнет и тогда, когда ларморовский радиус больше размера светового пучка. Эффект связан с многократным взаимодействием иона со световым полем и по существу является разновидностью метода разнесенных оптических полей. Возникающая при этом форма линии анализируется в § II.

Профиль стоячей волны считаем гауссовым, а магнитное поле однородным. Характерными величинами в этой задаче являюс-ся: время жизни иона, принятое равным ; время пролета через световой пучек "С = 2 *7"/(хл &) г где (> - /сх , и время обращения по ларморовской орбите Т = 2 гг /иЭ

Рассмотрены три предельных случая: 2" » Т*, ТГ » I , и ТГ« I . В первом случае влияние поперечной неоднородности световой волны мало, резонанс имеет лоренцевскую форму с добавлением поправки, пропорциональной Ъ х . В предельных случаях и> <.< Г и Г « >-0 получены выражения для полуширины резонанса.

Во втором предельном случае, ТГ >> I, при дополнительном условии Г/^бсо) «• ^ и С » схр (ГТ/2 ) , коэффициент нелинейного поглощения пропорционален (Г) и представляет собой сумму двух интегралов. Один из них описывает провал Лэмбла на медленных атомах. Второй пропорционален ехр (-2ГТ) и периодически зависит от расстройки г периодом . Физическая природа этой добавки аналогична резонансу в трех разнесенных оптических полях. Амплитуда её оказалась экспоненциально малой, из-за того, что характерное время жизни на уровне много меньше времени 'между взаимодействием с полем. •

В третьем предельном случае, ТГ ^ ГДаЭ«. 1 , £ I, ион за время жизни на уровне много раз пролетает через волну. Резонанс, как функция расстройки представляет собой гребенку пиков, каждый из которых имеет полуширину, равную однородной и амплитуда, убывающую при удалении от куля расстройки. В

л ?

отличив от периодической структуры в предыдущем случае, здесь полуширина пиков много меньше расстояния между соседними пиками, равного и}/2 . С учетом влияния неоднородности магнитного поля, каждый пик• будет уширяться. Величина этого уширения определяется выражениями, подученными в § 10.

В "Заключении" приводятся основные результаты диссертации.

Ш. Основные результаты диссертации.

1. Показана возможность использования запрещенных переходов для спектроскопии сверхвысокого разрешения, что гущес-твеняо распиряет возможности метода.

2. Выполнен расчет наведенного дипольного момента на запрещенном переходе с учетом лагниптой сверхтонкой структуры перехода для Си , и элементов 3 группы периодической системы.

3. Найдена контрастность резонансов насыщенного поглощения на запрещенных переходах, которая пропорциональна квадрату электрического поля.

4. Рассмотрены перекрестные резонансы на запрещенных переходах.

5. Найдена вероятность однофогснного перехода - 2£ атома водорода в электрическом поле.

6. Оценена возможность измерения частоты перехода

I$ -2$ атома водорода с помощью резонанса насыщенного в постоянном электрическом поле.

7. Решена задача о резонансе насыщенного поглощения иока в магнитном поле. Показано, что неоднородность магнитного поля приводит к новому эффекту - появлению "длины когерентности" при взаимодействии иона с электромагнитной волной.

8. Найдена структура резонанса насыщенного поглощения лона, когда ларморовский радиус существенно больше размера гветового пучка.

\ }

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Барашев В.А., Семибаламут В.М., Титов Е.А. Взаимодействие частотно-модулированной волны с газом двухуровневых молекул. Квантовая элестроника, 1979, т.6, 261-266.

2. Бакланов Е.В., Барашев В.А., Дубецкий Б.Я. Нелинейное погло-, щение газа ионов в магнитном поле. Квантовая электроника,

1985, "т. 12',' 1204-1209. >'\ ' ' — '

3. Барашев В.А. Нелинейный резонанс в газе ионов, захваченных

• в магнитном поле. Неравновесные процессы в разреженных газах. Новосибирск, ИТФ СО АН СССР, 1983, 48-53.

4. Бакланов Е.В., Барашев В.А. Резонанс насыщенного поглощения

ка запрещенных переходах в электрическом^поле. Оптические стандарты времени и частоты. Новосибирск, ИТФ СО АН СССР, 1985, 92-98.

5. Барашев В.А. Запрещенные переходы атомов третьей группы

периодической системы в электрическом поле. Молекулярная

v . .

физика неравновесных систем. Новосибирск, ИТФ СО АН СССР, 1984, 133-136.

Цитируемая литература:

1. Летохов B.C., Чеботаев В.П. Нелинейная лазерная спестроско-пия сверхвысокого разрешения. М., Наука, 1990.

2. Lanrn W.K.Jr. , Theory of an optical maseres. Rhys.Rev., 1964, V.134A, 1429-1450.

12