Спектральные явления при распространении резонансного излучения в оптически плотных газовых средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

* ¡1 * - '2 3 31

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

. На правах рукописи УДК 621.373

Пантелеев Алексей Анатольевич

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ РЕЗОНАНСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ОПТИЧЕСКИ ПЛОТНЫХ ГАЗОВЫХ СРЕДАХ

01.04.03 - радиофизика, включая квантовую радиофизику

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1992

?f.-r :

Работа выполнена в Троицком Иституте Инновационных и Термоядерных Исследований '

Научный руководитель : доктор физико-математических наук профессор Старостин А.Н.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Яковлев В.П., МИФИ кандидат физико-математических наук Демура A.B., РНЦ "Курчатовский Иститут" Ведущая организация : Физический Институт им. Лебедева РАН

Защита состоится " "__ 1993г. в_ часов .

на заседании Специализированного Совета К.063.91.09

в Московском Физико-техническом Институте

по адресу: Москова, ул. Профсоюзная, д. 84/32, к. В-2.

Отйывы направлять по адресу: I4I700,Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ, •

Специализированного Совета К.063.91.09 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иститута Автореферат разослан "_" __1993Г.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат физико-математических наук

Н.П.Чубинский

Общая характеристика работы.

Актуальность теми. Исследования спектральных характеристик взаимодействия излучения с газовыми средами занимает одно из центральных мест в спектроскопии и квантовой оптике, а также их приложениях связанных с физикой газовых лазеров, лазерными стандартами частоты, физикой газовых разрядов, диагностики плазмы, астрофизическими исследованиями и прецизионными измерениями и т.д. В задачах, связанных с использованием лазерного излучения, становится важным исследование широкого круга явлений, связанным с распространением лазерной волны в резонансных средах.

Актуальным является исследование спектров поглощения и испускания атома во внешнем электромагнитном поле для внутрирезонатор-ной спектроскопии и электродинамических проблем современной оптики, а также вопросах связанных с резонансным световым давлоггаом и ускорением нейтральных.частиц.

В проблеме регистрации гравитационного излучения одним из вариантов гравитационной антенны является лазерный детектор, в котором используется воздействие гравитационных волн на спектры нелинейного поглощения. Дальнейшее повышение чувствительности приборов с целью регистрации гравитационных волн связывают с получением сжатых состояний. Нелинейные эффекты, возникающие при взаимодействии излучения с резонансными средами, являются Перспективным механизмом для получения сжатых состояний электромагнитного поля, и именно в такой ситуации впервые была достигнута их экспериментальная реализация.

Цель работы заключалась в разработке самосогласованного описания распространения лазерного излучения в резонансных средах и анализ на их основе, конкретных ситуаций: |

- резонансного параметрического взаимодействия,

- распространение резонансного лазерного пучка в парах щелочных металлов,

- резонансного четырехволнового взаимодействия.

Кроме' того, работа ставила своей целью исследование некоторых спектроскопических проблем резонансного взаимодействия, связанных с параметрическим воздействием на атомную подсистему постоянными электрическими и магнитными полей, а также вопросов связанных с поляризационными эффектами и методом пробного поля.

На зсщлщ выносятся следуыцие положения:

1. Получена замкнутая система уравнений для описания распространения резонансного излучения в присутствии лазерного поля. Учитывается влияние четырехволнового взаимодействия и теплового движения атомов.

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

3. Результаты исследования спектрально-угловой неустойчивости интенсивной лазерной волны в парах щелочных металлов.

4. Результаты исследования параметрического воздействия постоянными электрическими или магнитными полями на процессы резонансного четырехволнового взаимодействия (ЧВВ). Обобщение скалярной квантовой теории ЧВВ на случай взаимодействия фотонов различной поляризации. Применение е5 для описания Ханле-эффекта.

Научная новизна. В описании переноса резонансного излучения в присутствии лазерного поля получена замкнутая система уравнений, которая справедлива для широкого диапазона интенсивности лазера, в

том числе и превосходящей интенсивность насыщения атомной системы. Существенным фактором в данной задаче являются процессы резонансного четырехволнового взаимодействия, которые сильно изменяют структуру поля рассеяного излучения. Показано, что интенсивная лазерная волна при распристранении в резонансной среде испытывает спектрально-угловую неустойчивость, имеющую место при любом знаке отстройки от резонанса. При исследовании этой неустойчивости в парах щелочных металлов теоретически предсказано ряд особенностей в параметрах рассеяного излучения в зависимости от плотности атомов, а также отстройки лазерного излучения от резонанса. В результате исследования влияния, которое могут оказывать постоянные электрические или магнитные поля, связывающие возбужденные состояния рабочих переходов, на процессы четырехволнового взаимодействия и рассеяния интенсивной лазерной волны получены выражения для спектров испускания и поглощения атомов, а также четырехволнопой сплгзи мод. Впервые было получено выражение для спектра сигнала Ханло для монохроматической волны произвольной интенсивности.

Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы в лазерной технологии, лазерной локации и связи. Су-цественнное значение они могут иметь в создании прецизионных приборов, повышении их точности.

Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ. Основные результаты докладывались на Международных конференциях АЪТ'92 (Москва, 1992) и "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (Томск, 1992), семинарах ФИАЭ им. И.В. Курчатова и МФТИ.

Структура и объел диссертации- Диссертация состоит из Введения, четырех Глав и Заключения. Каждая глава начинается кратким

обзором литературы по соответствующим вопросам и заканчивается выводами. Общий объем диссертации 146 страниц, из них 97 страниц текста и 31 с рисунками. Библиография включает 165 названий на 15 страницах.

Содержание работы.

Во Введении обоснована актуальность выбранной темы, указана цель работы, изложено краткое содержание диссертации и сформулированы положения выносимые на защиту.

В первой Главе рассматривается проблема переноса резонансного излучения в присутствии лазерного шля. В разделе 1.1 дан краткий обзор литературы, дается представление об основных физических процессах соответствующих данной проблеме. В рамках диаграммной техники Келдыша для неравновесных функций Грина в параграфе 1.2 приведены уравнения описываювщие процессы переноса резонансного излучения. При этом показано, что наряду со стандартными корреляторами, описывающими интенсивность излучения, возникают аномальные, которые описывают изменение структуры поля излучения связанное с четыре/волновым взаимодействуй, в § 1.3 исследованы поляризационные и массошо операторы и выяснены их особенности, возникающие в данной задаче. Отметим, что эти особенности связаны главным образом с наличием вершинных вставок лестничного типа. На основе анализа дисперсионных свойств фотонных функций Грина делается заключение о спектрально-угловой неустойчивости интенсивной лазерной волны в резонансных средах. В § 1.4 содержится анализ основных уравнений, а также входящих в них кинетических коэффициентов. Исследуется влияние теплоЬого движения атомов на коэффициенты поглощения (усиления) резонансных фотонов, а также на константу связи

четырехволнового взаимодействия, которое имеет место в данном случае.

Вторая Глава, "Функция перераспределения фотонов по частотам в теории переноса резонансного излучения в присутствии лазерного поля" содержит описание переноса резонансного излучения и используется подход альтернативный*методу функций Грина, он основан на формализме атомно-фотонной матрицы плотности (раздел 2.1). В параграфе 2.2 приведены движения уравнения атомной и фотонной подсистем, о в § 2.3 содержатся уравнения для атомно-фотонных операторов. Получены явные выражения для функции перераспределения фотонов по частотам в произвольном порядке по амплитуде лазерного поля в § 2.4. В этой Главе показано, что наличие лазерного поля существенно изменяет не только вид функции перерассеяния но и е8 структуру. Также показано, что существенное влияние на реабсорбцию излучения оказывает четырехволновое взаимодействие, котороо имоот место в данном случае.

Третья Глава, "Спектрально-угловая неустойчивость интенсивной лазерной волны в резонансных средах", посвящена теоретическому исследованию спектрально-угловой неустойчивости интенсивной лазерной волны в парах щелочных металлов. В §3.1 в рамках атомно-фотон-ной матрицы плотности построена теория резонансного невырозденного четырехволнового взаимодействия в газе трехуровневых атомов У-типа (модель дублета щелочных металлов). Необходимость этого рассмотрения в описании экспериментов по распостранению интенсивной лазерной волны в парах щелочных металлов, связана с тем, что обычное двухуровневне приближение оказывается недостаточным: в большинстве экспериментов частота Раби П для волны накажи оказывается порядка величины дублетного расщепления. Для этой системы в § 3.2 исследо-

боны спектры резонансной флуоресценции, коэффициенты поглощения (усиления) и четырехволновой связи мод. Показано, что спектры рассеяния могут содержать до семи компонент. Представлена их интерпретация с точки зрения состояний одетого атома. В анализе неустойчивости лазерной волны (§ 3.3) учтен геометрический фактор, связанный с ограниченными размерами пучка, исследовались зависимости параметров конического излучения (угол, спектральный состав) от интенсивности лазерного излучения, его отстройки от резонанса, плотности атомных паров. Предсказана необычная зависимость угла конического излучения от плотности атомных паров, что экспериментально наблюдалось Леоновым, Чеховым и Гайдаренко в МФТИ. Анализ эффективного инкремента неустойчивости показывает, что выходящее излучение должно иметь многокомпонентный состав, причем линии должны быть сущоственно уширены. В разделе 3.4 представлено сравнение с экспериментальными данными. Показано, что предложенное описание качественно хорошо объясняет результаты эксперимента.

В четвертой Главе, " Влияние постоянных электрических и магнитных полой на процессы резонансного четырехволнового взаимодействия и рассеяния интенсивной лазерной волны", исследовано влияние, которое могут оказывать постоянные электрические или магнитные поля, связывающие возбузденные состояния рабочих переходов атомной подсистемы, на процессы резонансного четырехволнового взаимодействия (ЧВВ). Для описания в используется формализм атомно-фотонной матрицы плотности. В 5 4.1 иследуется ЧВВ в постоянном электрическом поле.В § 4.2. иследуется ЧВВ в постоянном магнитном поле. В последнем случае скалярная квантовая теория ЧВВ обобщается для случая взаимодействия фотонов различной поляризации. Показано, что

при этом возникают новые комбинационные тона и соответствующие им спонтанные источники, необходимые для квантового описания ЧВВ. Исследованы спектры излучения и поглощения атомов, представлено их интерпретация с точки зрения состояний одетого атома. Для волны накачки, при воздействии на атомную систему магнитного поля, в § 4.3 иследовался нелинейный эффект Фарадвя. Показано, что в сильных полях П > 7 (7 - скорость релаксации) форма линии угла вращения плоскости поляризации является знакопостояшюй. Представлено сравнение с экспериментальными данными. Рассмотрено также влияние сильно меняющихся дисперсионных свойств среда на распространение симметрично отстроенных по частоте от волны накачки боковых мод. Развитая теория в § 4.4 используется для исследования спектральных характеристик Ханле-эффекта для сильной монохроматической волны на переходе ^0-^=1. Показано, что спектр сигнала Ханло содор-зшт упругую и неупругую компоненты. Упругая компонента описаьпет монохроматическое рассеяние на частоте волны накачки, а неуиругая компонента описавает рассеяние о измененияем частоты КЕантов. В спектре этой компоненты может содержаться до семи пиков, их наличие обусловлено высокочастотным Штарк-эффектом. Преобладание в спектре той или иной компоненты определяется параметром О/|Д+|, где Д+ = Д ± П^ +' £7/2, Д - отстройка волны накачки от резонанса, - частота Лармора. При Л/|Д+| » 1 рассеяние будет неупругим, а при П/|Д±| « 1 определяющей являете упругая компонента.

В Заключении сформулированы основные результаты работы, которые сводятся к следующему:

I. Получена замкнутая система уравнений для описания распространения резонансного излучения в присутствии лазерного поля. Учитывается влияние четырехволнового взаимодействия (ЧВВ) и теплового движения атомов. Получены явные выражения для функции пере-

распределения фотонов по частотам, при этом учитываются поправки, связанные с ЧВВ процессами, которые играют важную роль в данном случае.

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

3. Предложено квантовое описание резонансного невырожденного ЧВВ в газе трехуровневых атомов У-типа (модель дублета щелочных металлов). В этой системе исследованы спектры резонансной флуоресценции, коэффициенты поглощения (усиления) фотонов и четырехволно-вой связи мод. Представлена их интерпретация с точки зрений состояний одетого атома.

4. Исследовалось спектрально-угловая неустойчивость интенсивной лазерной волны в парах щелочных металлов. Проанализированы параметры конического излучения от интенсивности лазерной волны, еЗ отстройки от резонанса, плотности атомных паров. Представлено сравнение с экспериментальными данными.

5. Исследовано влияние, которое могут о называть постоянные электрические и магнитные поля, связывающие возбужденные состояния рабочих переходов атомной подсистемы, на процессы резонансного ЧВВ. Скалярная квантовая теория резонансного ЧВВ обобщена на случай фотонов различной поляризации.

6. Исследовался нелинейный эффект Фарадея при воздействии волны накачки на находящуюся в магнитном поле атомную подсистему с переходом J = 0 - J = I. Рассмотрено также шмяшо сильно меняющихся дисперсионных свойств среды на распространение симметрично

отстроенных по частоте от волны накачки Соковых мод.

7. На основе квантовой теории резонансного ЧВВ в магнитном поле исследованы спектральные свойства Ханлэ - эффекта для монохроматической волны произвольной интенсивности. Отмечены особенности, как в поведении как упругой, так и неупругой компоненты спектра резонансной флуоресценции.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Пантелеев A.A., Росляков В.А., Старостин А.Н., Таран М.Д. Взаимодействие резонансного лазерного излучения с оптически плотным газом. Препринт ИАЭ-4713/1. Москва, 1988.

2. Пантелеев A.A. - Влияние постоянных электрических и магнитных полей на процессы резонансного четырехволнового взаимодействия. Препринт ИАЭ » 5272/1. Москва, 1990, с. 1-25.

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

4. Пантелеев A.A., Старостин А.Н. - Функция перераспределения фотонов по частотам в теории переноса резонансного излучения в присутствии лазерного поля. Препринт ИАЭ Я 5469/1, Москва, 1992, с.1-24.

ь

5. Пантелеев А,А". - Влияние постоянных электрических и магнитных полей на процессы резонансного четырехволнового взаимодействия. ЖЭТФ, 1991, т.99, с.1684-1£98.

6. 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.

7. 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.65, в.4, с. 228-232.

8. Chekhov D.I., Galdarenko D.V., Leonov A.G., Panteleev A.A., Starostin A.N. - Conical emission and spectral bechavlor ol strong near resonant wave at low-frequency detuning. Preprint IAE-5523/1, Moscow, 1992, p. 1-12.

9. Гвйдаренко Д.В., Леонов А.Г., Пантелеев А.А., Старостин A.H., Чехов Д.И. - Невырожденное рассеяние сильной электромагнитной волны в парах щелочных металлов.

Препринт ИАЭ-5541/1, Москва, 1992, с. 1 - 44.

10. Гайдаренко Д.В., Леонов А.Г., Пантелеев А.А., Старостин А.Н., Чехов Д.И. - Особенности резонансного рассеяния интенсивной лазерной волны в парах натрия.

Квант, электр., 1992 т.19 С.1001-1003.

11. Ломая Ф.А. Пантелеев А.А. - Спектральные свойства Ханле-еффекта для сильной монохроматической волны. Препринт ИАЭ * 6540/1, Москва, 1992. с. 1-14.

12. Galdarenko D.V., Leonov A.G., Panteleev A.A., Starostin A.N. and Chekhov D.I. - Spectral-angular lnstabllty ol Intense

laser wave in resonant medium. - Book ol summ. International conference on advanced and laser technologies. Moscow, 1992, part 2, p. 81-84.