Светиндуцированные поляризационные состояния вырожденных атомов в резонснсном эллиптически поляризованном поле и их проВление в оптических характеристиках газовых сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

КОМИТЕТ ВЫСПЕЙ ШКОЛЫ МИНИСТЕРСТВА НАШ, ЗЬСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПЛОТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТОМСКИЙ ГООУДАРСТВЕНШЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДК. 635. 342 + 620.1И<5 Еа правах рукописи

ЮДИН Валерий Иванович

сгшшщущоодшш ЮЛШеАЦИОШШ оосгожмя ВШЧЩШШХ Атсаш в рбзонансш эмиггичеош 1шяриэоамша» ш и нх ПРОИШШЗШЕ в оягкчшгах шжвтяжм ГАЭОВМС СРЕД

01.04. 02 - Теоретическая и математическая физика

Автореферат' диссертации на соискание учвкой степени кандидата физико-математических наук

Томск - 1992

Работа выполнен^ а Новосибирском государственном университете

доктор физико-математических наук, А.М.Тумайжин

доктор физико-математических наук О.Н.Уленеков,

доктор физико-математических науг Б.П.Яковлев.

Институт физики полухгроводников СО РАН

Задеа состоится "_______1Э92 г. 'в час.

на заседании специализированного совета Д 063.53.07 в Томском государственном университете (634010, Томск, пр.Ленина, 36).

С диссертацией ыокно ознакомиться в научней библиотеке-Томского государственного университета

Автореферат разослан "__ 1992 г.

Учений секретарь специализированного совета Л 063.53.07

кандидат физико-математических, наук' ■ С.Л.Ляхович

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая органиация:

ОВДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛБОП1

АоуадБЯость те^л Основные успехи последних лет, достигнутые в изучении нелинеЛно-оптических и кинетических явлений в газовых средах, обязаны прежде всего использованию в качестве инструмента исследований резонансного поляризованного лазерн,-гс излучения, фи этом, большая информативность поляризационных характеристик способствует достижению глубокого понимания

различных физических процессов, происходящих при взаимо* I ' -

действии атомов со счетом.

Одними ив основных областей применения лазерного поляризованного иалучен.л являются нелинейная поляризационная спектроскопия сверхвысокого разрешения, позволяющая.подробно исследовать с ерхтонкую структуру атомных уровней, а такяз магнитооптика. Однако трудности, связанные с детальным теоретическим описанием взаимодействия произвольно поляризованного света с основным состоянием атомов, вырожденных по проекциям углового момента и имеющим сверхтонкую структуру, не поз- ллял достаточно адекватно, интерпретировать многочисленные экспериментальные реаулътаты, что, в свою очередь, являлось определенным тормозом для постановки целенаправленных экспериментов.

Это связано с тем, что достаточно долго нелинейные оптические явления в атомарных газах в основном изучались при взаимодействии света с воэбузийнными состояниями атомов. При этом широко использовались либо модель с невы$. .оденныш энергетическим уровнями и которая не учитывает поляризационные особенности взаимодействия, либо двухуровневая модель с выровде-

нием,' в которой не учитывается сверхтонкая структура атонов. Теоретическое описание поэтому часто носило качественный характер, на позволяющий проводить детальное сравнение с экспериментом. Кроу того, из-за медленности процессов релаксации в основной состоянии по сравнению с вовбухденншм адесь нельзя испольвовать развитые ранее методы стационарной теории возмущения. Поэтом/ требовалось провести разработку теоретического подхода, учитывавщего все особенности взаимодейтвия поляризованного излучения с вырожденными атомами со сверхтонкой структурой и с уОтом оптической накачки в основном состоянии.

IЬшш о-гого, вырожденность атомных уровней приводит к принципиально новым эффектам, которые невозможно опирать в рамках распространённой модели двухуровневого атома без вырождения. Наиболее ярким примером является эффеот когерентного пленения населённостей (КПН) в резонансном поляризованном поле, приводящий к просветлению газовой среды. ЗЭДект КПН позволяет, в частности, осуществлять сверхглубокое охлаждение (~ыК) нейтральных атомарных газов лазерными полями, что привлекло пристальное внимание исследователей и породило надежды на создание новых прецизионных приборов (стандартов частоты, магнитометров и т.д.) .

Результаты, вошедшие б диссертацию, получены при исследовали". следувдюс. задач нелинейной поляризационной оптики:

а) нелинейная . поляриз*. лонная спектроскопия атомов со сверхтонкой структурой ч учётом оптической накачки в

ОСНОВНОМ СОСТОЯНИЙ*!;

б) особенности нелинейных поляризационных магнитооптических ггчДекзов в основном состоянии атомов;

в) сбйря теория эффекта КПП

В настоящее время эти ребультоты являлся актуальными и имеет фундаментальное и прикладное значение.

работы состояла: в детальном исследовании нелинейной поляризационной спектроскопии вырожденных атомов со сверхтонкой структурой для ограниченных лазерных пучков; в изучении особенностей магнитооптических эффектов в вырожденном основном состоянии; в построении теории эффекта КПН для диполь ш« оптических переходов с произвольными значениями угловых моментов.

Научит вош/зва рябагы заключается в слэдукедгм:

Проведён детальный анализ нелинейной поляризационной спектроскопии (НПО) для выроаденных атомов со сверхтонкой структурой и учётом оптической накачки в основном. состоянии. При этом найдены такие геометрические условия эксперимента (направления распространения и поляризации "сильной" и "пробной" волн) позволяйте по отдельности выделять в сигнале НПС компоненты, пропорциональные скалярной, антисимметричной и симметричной составляете тензора рассеяния.

Исследован нелинейный эффект Фврадей для атошв в основном состоянии. Найдено, что. ух'ол поворота плоскости поляризаций ограниченного светового пучка достигает аномально, больггх значений для полей, традиционно считавшихся,- слабыми.

Показано, что характер прецессии светоиядуцированных муль-типольных моментов в основном состоянии ат мов в присутствии магнитного полк имев! существенные особенности, , которые не описываются в рамках широко распространённой иолуфеноменологи ческой теории.

Построена обвая теория эффекта КПН в эллиптически поляри-аоглннсц свеге для дилольных гчгических переходов с произвольными значениями угловых моментов.

Предложен новый ("естественный") базис, позволяющий существенно упростить решение ркда задач, связанных с эллиптически поляризованным светом.

Научшя ы практическая дешосгь полученных результатов определяется возможностями их применения в нелинейной поляризационной спектроскопии и магнитооптике. Доведённые сравнени? результатов расчёта с экспериментами говорят о хорошем количественном совпадении, что позволяет приступить к постановке новых целенаправленных экспериментов с испольвованиеы перестраиваемых лазеров.

Реаудьгаты, полученные при построении теории эффе-тга КШ стимулировали дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования возможности .использования этого эффекта дю сверхглубокого лазерного охлаждения атомарных газов, а также для созданий нового типа оветоиндушрованных лоляризационньо решток из сверхохлаждоняих и просветленных атомов.

I ■ " '

_ 6 -

«а еагзят шв&смтса следуявдне ооюти* вожиювия.

. 1. Построена теор.л возмущения, описывашэя нелинейное взаимодействие ограниченных эллиптически поляризованных пучков света с выровденныш атомами, имеющими сверхтонкую струтсту^/, и учитывающая оптическую накачку в основном состоянии. Полученные выражения позволяют провести общий анализ сигналов в нелинейной поляризационной спектроскопии (НПО) независимо от конкретного та ат дав. При этом в схеме "сильной" и "пробной" волн оказывается возможным выделение в чистом виде скалярной, антисимметричной и симметричной составляющей тензора рассеяния, индуцированного "сильным" полек. Проведанное сравнение с экспериментами говорит не только о качественном, но и хорошем количественном совпадении с разработанной теорией.

2. Угол поворота плоскости поляризации . в нелинейном (по электромагнитному полю) эффекте Яерадея . для узких лазерных пучков, достигает аномально больших, значений, ксгда во взаию-действии, участвует вырожденное основное состояние. При этой по ыере пролета атома через ограниченный ■ световой пучок слабое гагяитное поле переориентирует.еветоиндуцироваяные мультиполь-ные моменты в основном состоянии.

3. Свободная прецессия свегсшадуцированных мультипольнък моментов (магнитный и квадрупольний) в основном состоянии для ограниченных лазерных пучков затухает ы закону •^»1/Ь, а'не ехр<~ ^рЬЬ, как это следует из широко распространенного феноменологического подхода, в котором пролётные эффекта учитываются входом "пролетной релаксации" 7„р я основном состоянии. Резонансные.особенности для вынужденной прецессии светоиндуци-

- 7 -

рованных мультипольных моментов в постоянном магнитном поле так^ имею® существенные отличия от лоренцевских и дисперсионных контуров, возникающих при феноменологическом подходе и учёту пролётньл эффектов в основном состоянии.

4. В основе эффекта когерентного пленения населённостеЯ (КПН), приводящего к просветлению атомов в резонансном эллиптически поляризованном поле, лежат стационарные когерентные

состояния (СКС) , которые удовлетворяют операторному

»СКС.

уравнению и являются суперпозицией невазмуп$ннш

веемановских состояний. СКС обладают рядом замечательных свойств, отличаюшдх их от остальных нестационарных решений уравнения' Шр дингера: СКС являются штарковски неуширйнными состояниями; они не зависят от интенсивности света и от егс частотной отстройки от резонанса.

5. В процессе взаимодействия.со светом и.радиационной релаксации возбуждённого уровня атомы переходят.в , находящиеся в основном состоянии, и просветляются. Ш наличие КПН проведена классификация всех дипольных переходов с проиа-вольными значениями угловых моментов резонансных уровней. Существуют опредолённые геометрические условия, когда эффект КПН возможен и при наличии постоянного магнитного поля, которое, вообще говоря. разрутг'.-тг СКС. Поэтому в случае неоднородно поляризованного с_ета СКС существуют не во всём пространстве, а только в определенных точках, названных светоиндуцированными центрами просветления (СПЦП).

АпроОатя работа. Основные результаты диссертации докладывались на 2-:: Всесоюзном семинаре по оптчческой ориентации атомов и молекул (ВьООАМ-2, Ленинград - 1989 г.), на Х-й Международной Вавиловской конференции (Новосибирск - 1990 г.), на XIV-й Международной конференции по когерентной и нелинейной эптике (КиНО, С.-Петербург - 1991 г.), на Международном симпозиуме "Аналогии в оптике и микроэлектронике" .(Голландия, 1991 г.), на семинарах в Институте автоматики и электрометрии 00 РАН, в лаборатории оптики ШЧ НГУ, в Институте фиаики полупроводников СО РАН, а '.:У.

Структура диссертация. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Полный объём диссертации составляет 101 страницу, включает 17 рисунков на 15 страницах и списка литературы из 65 наименований на 7 страницах.

ООДЕШШВ РАБОТЫ.

Во введении обсуждена актуальность темы диссертации, сформулирована цель и основные задачи работы, дана её обаая характеристика.

В шрвой главе описан формализм Вигнеровской матрицы плотности, являющийся одним из основных при теоретическом исследовании взаимодействия атомов и излучения с учётом радиационной релаксации возбуждённых атомных уровней. Рассмотрение ведётся в достаточно о^щой постановке' задачи: учёт сверхтонкой структуры атомных уровней, произвольная эллиптическая подяри-

вация резонансного света, наличие внешнего магнитного поля, учё" оптической накачки в оснорчом состоянии (§1). Далее (§2), для ограниченных световых пучков строится теория возмущения по полю до включительно. Дня основного состояния теория

возмущения является «астационарной (ив-за отсутствия релаксации) и связана с конечным временем пролёта атомов через ограниченный световой пучок. При этом после интегрирования по скоростному распределению атомов ^гоявляется "пролётный" параметр насыщения *j> r>'trip( у- радиационная ширина линии;

-о" - среднее время пролёта атомов через поперечз Л размер светового пучка).

Во нтстро! главе, используя результаты первой главы, исследуются сигналы в ¡нелинейной поляризационной спектроскопии (НТО) в схеме "сильной" и "слабой" (пробной) волн, когда "сильная" водна наводит оптическую анизотропию rasa, которая исследуется пробным-полем ("§3), Выражение для нелинейного (по "сильному" полю Ев) вклада в поляризуемость среды на частоте слабого поля ( и) ) имеет инвариантный вид:

где Q.,, ^ - комплексные единичные вектора поляризаций "сильного" и "слабого" полей соответственно, а вся спектральная информация о переходе (сверхтонкое расщепление и значения полных угловых моментов резонансных уровней) содержится в ко-а-йицшгеаг которые, вообще говоря, сущест-

йс-ано етдачаится доуг от друга. Однако все геометрические ••

поляризационные особенности можно исследовать независимо от явного вида . ~

По своем/ физическому смыслу величины С ж определяю, скалярное (С,), антисимметричное (магнитодиподьное) ( С|) и симметричное (квадрупольное) ( С4) рассеяния, и в экспериментах измеряется, обычно, некоторая суперпозиция констант С», с,. С,- В результате проведённого анализа предложены методики выделения в сигнале пробного поля компонент, пропорциональных С». Сь по отдельности (§3.1).

Для атомов со сверхтонкой структурой определён конкретный вид коэффициентов С®, что позволило провести сравнение теории с различными поляризационными экспериментами и было обнаружено хорошее совпадение (§3.2).

В §4 для ограниченных световых пучков исследовались различные магнитооптические явления. Так в §4.1 показано что в присутствии постоянного слабого магнитного поля может иметь место эффект аномально большого поворота плоскости поляризации, который связан с переориентацией магнитным полем светоин-дуцированных мультипольных моментов ранга в основном

состоянии. Получено выражение для величины, эффекта ¿ля атомов с произвольной сверхтонкой структурой и учётом оптической накачки в основном состоянии. Проведено сравнение.с экспериментом и было обнаружено-хорошее совпадение.

В §4.2 была исследована прецессия мультипольных моментов ранга *>1 в основном состоянии. Корректный учёт пролётных эффектов позволил уст^ювкть ряд нов!« закономерностей, которые нельзя объяснить при помощи широко распространённой Феноменологической теории, когда пролетные эффекты моделируюс вне-.

дешем пролётной релаксации yn{,-l/tnp мультипольных моментов в основном состоянии. Так, например, закон релаксации свободной прецесии (§4.1) имеет вид ~Vt , а не expi-t/t^}, как это следует из феноменологической теории. Также и в резонансных контурах вынужденной прецессии (§4.2) наблюдаются существенные отклонения от лоренцевского и дисперсионного контуров.

В третьей главе построена общая теория эффекта когерентного пленения населенностей (ШЛО в эллиптически поляризованном резонансном свеч„■ для дипольных переходов с произвольными значениями угловых моментов энергетических уровней. Суть этого эффекта заключается в том, что существуют такие стационарные когерентные состояния (СКО) , которые удовлетворяют

операторному уравнению V -О (V—(E-d) - оператор

элекгродипольного взаимодействия). СКС обладают рядом замечательных свойств, отличающих их от известных нестационарных решений уравнения Шредингера: СКС являются ггарковски неуширен-ным.. состояниями, не вависят от интенсивности светового поля и его отстройки от резонанса (§5).

Если СКС находится в основном состоянии, то в процессе оптической накачки атомы переходят в это невозмуадэнное состояние и просветляется. По наличию эффекта КПН проведена свеобразная классификация всех возможных дипольных переходов Fn—• Fm , где F„- полный угловой момент основного состояния, а Fm- возбуждённого (§6). Определено, что переходы F — F-l (Fn-F, Fm--F-1) и F — F' CF' - целое) просветляются в любом эллиптически поляризованном резонансном поле; переходы F"— F" (F" - полуцелое) просветляются только в циркулярно. поляризованном свете;

переходы Р — Р+1 (Р„-Р, ^-Р-И), для которых СКС находятся на верхнем уровне Р„, не просветляются (СКС релаксируюг).

Обсуждена возможность использования КПН для сверхглубока го охлаждения атомарных нейтральных газов (§7).

Если есть магнитное поле, то оно, вообще говоря, разрушает "ЧГйке и, следовательно, сам эффект КПН. Тем не менее, существует определённые геометрические условия (взаимное направление магнотного поля и эллипса поляризации света), когда КПН возможен и при наличии магнитного поля, что может быть использовано для создания нового типа светоиндуцированных поляризационных решёток в лазерных полях с неоднородной поляризовацией (§8). Найдена новая ось квантования ("естественный" базис), связанная с эллипсом поляризации, которая позволяет существенно упростить рассмотрение некоторых задач оптической накачки.

В закгачезши сформулированы опювкш результаты, полученные в .диссертации:

1. Проведён общий геометрический анализ сигнала в нелинейной поляризационной спектроскопии для ограниченных световых пучков, при этом найдены такие геометрические условия эксперимента (поляризации и направления распространения волн в среде), которые позволяют выделять различные составляющие (скалярную, магнитодипольную, квадрупольнуто) светоиндуцированного тензора рассеяния по отдельности.

2. Получены аналитические р1'ратания для поляризационных сигналов в схеме "сильной" и "слабой" волн, учитывающие: сверхтонкую структуру атомных уровней и их выровденнооть по зеемановским подуровням, пролетные эффекты,'связанные о огр.-1-

ниченностьс световых пучков, оптическую накачку ' в основном состоянии;

3. Для ограниченных световых пучков рассмотрен нелинейный эффект Фарадея в слабом, произвольно, направленном магнитном поле с учётом оптической накачки в основном состоянии и сверхтонкой структуры. Получено, что угол врашэняя поляризации монет достигать аномально больших значений.

4. Проведён анализ прецессии (свободной и вынужденной) светоиндуцированных мультишльных моментов основного состояния в слабом магнит"ом поле. При этом получены новые зависимости, существенно отличающиеся от результатов широко распространённого феноменологического подхода, в котором пролётные эффекты учитываются вводом "пролётной релаксации" (у„р) для мульти-по.л>ньа моментов ранга в основным состоянии.

5. Построена теория эффекта когерентного пленения населён-ностей (КПН) в эллиптически поляризованном . резонансном свете для дипольных оптических переходов с произвольными значениями

■ полных угловых моментов. Шказано, что в основе КПН лекат ста: ционарные когерентные состояния (СКС) "ЧГ^лй • Удовлетворяющие операторному уравнению VXjf^j, «О (Ф--(Е-сЗ)). Пэ наличию эффекта КПН проведена классификация всех дипольных переходов.

6. Еайдены геометрические условия (взаимное расположение магнитного поля и эллипса поляризации СЕетового поля), когда аффект ШТН воз молен и при наличии магнитного поля, которое в обдам случае разрушает СКС (Ш-состояния). '

7. Предложен иоеый ("естественный") базис, связанный с параметрами эллипса поляризации, в которой существенно упрода-ется рассмотрение некоторых задач взаимодействия поляризованного света в вырожденными атсыами.

- 14 -

Осжшма результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Крашенинников U. В.. Смирнов BL С.. Султанов М. Е , Тумайкин А.к, Кйин RИ. Аномальное сашвращение плоскости поляризации ограниченного светового пучка в газе в слабом магнитном поле// КЭТФ. 1988. Т. 94. Вып. 1. С. 203-209.

2. Крашенинников ЕЕ. Смирнов Е С., Султанов 11 Е , Тумайкин К. U., Юдин Е И. О механизмах прецессии светоиндуцированного квадрупольногп момента основного состояния в слабом магнитном поле // ЮТФ. 1S89. Т.94. Efcra.il. 0.23-22.

а Акульшин А. М., Велячанский Е Л., Краюкинникрв U. Е Саутён-ков ЕА., Смирнов ЕС., Тумайкин A. It, Юдин Ей. Шляризацион-ные эффекты в нелинейной поляризационной спектроскопии атомов со сверхтонкой структурой // ЯЭТФ. 1989. Т. 96. С. 107-114.

4. Смирнов ЕС., Гумайкин A.-1L, Юдин ЕЙ. Стационарные когерентные состояния атомов при ревонансном ввйимодействии с эллиптически поляризованным светом . /ЯЭТФ. 1889. Т. 96. С. IBISES.

5. Тумайкин A. U., Кйия Е И. Стационарные когерентные состояния атомов в присутствии магнитного поля J J ЮТФ. 1990. Т. 98. С. 81-88. ' '. '

6. Тайченачев А. Е . Тушйкин A. U., Ольшный М. А., Кйин Е И. Реализация атомов в резонансном поле аа счёт- когерентного пленения населённоетей /УПисьма в ЮТФ. 1991. T.5á С. 336-338.

7. Turraikin А. М. , Yudin V. I. Supercondaottvity (superfluidity) arid optical traasparensy effect <n atomic gases // J. Phys, B. 1991. '/.175. P. 161-16S.' '

a Taichenachav A./., Tumaikln А. Ш» Yudin V. I.. Ol'shanli HA. Localization and superdeep cooling: of atoms as the result of a coherent trapping of population. In a nonuniform!у polarized field // Laser physics. 1992. V.2. P.32-39'. Q. Тайчеиачев A. a , Туыайкин A. M., Юдин Ъ. И. Динамика медленных атомов в условиях когерентного п; ;нения населённостей в неоднородно поляризованных полях // Новосибирск - 1992 г. (Препринт НГУ, N 190).

10. Акулышш А.М., Ве.ччанский Е Л . Крашенинников ЕЕ, Сау-тёнков Е А., Смирнов В. 0., Тумайкин A. U., К&ин Е И. Щюявдэнлз аффектов оптической ориентации в нелинейной внутридоплеровской спектроскопии атомов со сверхтонкой структурой // Доклад на ВСООАЫ-2, Ленинград - 1989 г.

11. Смирнов Е С., TyvaSratH A. М. , Юдин Е И. Естественный базис для задач. взаимодействия эллиптически поляризованного света с атоыаш // Доклад на ВСООАЫ-2, Ленинград - 1989 г.

12. Тумайкин А.М., Юдин ЕЯ Эффект когерентного пленения населёкносге* (общая теория) // Доклад на Х-й йэгздукародной Вавиловской конференции по когерентной и нелинейной оптике, швоскбирок -. 1990 г. 1 .

13. Туыайкин А. Ы., }С|дин Е И. Эффект КПН в присутствии магнитного .поля // Доклад на Х-й Швднародной Вавиловской конф&рен-ции по когерентной и нелинейной оптике, Новосибирск - 1990 г.

14. Тайченачев А. Е , Тумайквд А. Ы., Ольшацый hi А., Юдин R И. Использование эффекта когерентного пленения населанноетей для локализации атомов в неоднородно' поляризованном поде, ft Доклад на XIV-й ¡йяздшародной конференции по кслрэнтиой и нелинейной оптике (КиШ-91), С.-Штербург - 1991 г. (Сб. тез. Т. 3. 0.86-87.