Светоиндуцированные электродинамические и кинетические эффекты в атомарных газах с вырожденным основным состоянием при взаимодействии с резонансным поляризованным излучением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

КОМИТЕТ ВЫСПЕЛ ШКОЛЫ МИНИСТЕРСТВА НШИ! ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И

' технической политики российской федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВШШ УНИВЕРСИТЕТ

От.535.342 + 530.145 На правах рукописи

ТАЯЧЕЕ1АЧЕВ Алэксэй Владимирович

СШЕТОШЩУЦ ^ОВАНШВ ЭЛШТРОДИЙЙШЕШШ! И КШШИЧЕСКИЕ Э5ЮЕКТЫ В АТОМАРНЫХ ГАЗАХ О ЕЫРОВДЕННЫМ ОСНОВКНМ СОСТОЯНИЕМ ПРИ ВЗШОДШСТВШ С РЕЗОНАНСНЫМ ПОЛЯРИЗОВАННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ.

01.04.02 - Теоретическая и математическая физика

Авторефэрат диссертации на соисканаа ученой стьдвни, кандидата физяко-матвмвтотвскиг нвук

Томск - 1992

Работа выполнена » Новосибирском государственном университете

Научные руководагели: доктор физико-математических наук, В.С.Смирнов,

доктор фиэикогматематически1 наук

A.М.Тумайкнн

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук О.Н.Уленоков,

кандидат физико-математических наук

B.Я.Эпп

Ведущая организация: Московский иЕганерно-фшческий институт

Защита состоится __1992 в ЧиС.

на ааседанвд сповдализированног-о совета Д 063.53.07, в Томском государственном университете (634010, Томск, пр.Ленина, 36).

О диссертацией «о»но ознакомиться в научной библиотека' Томского государственного университета

Автореферат разослан "_г_1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д 063.53.07

кэн.Ехдят физико-матемакнееких наук С-Е-Дя*05"'

Общая характеристика работы.

Диссертация посвящеп исследованию електроданамических и астатических. явлений в атомарных газах с вырожденным основным состоянием при взаимодействии с рэзонансным поляризованным ■излучением. Это направление развития лазерой физики шеет практическое значение для решения актуальных задач [) поляризационной лазерной спектроскопии; 3) лазерного сверхглубокого охлаждения и. пространственной покализации атомов;

3) эффективного управления движением атомных пучков при помощи зветовых полей.

Перспективность именно этого направления обусловлена дагкалыгоЗ . возможность» существенного изменения электродинамических и кинетических свойств среды прй передаче упорядочения от света атомам в процессе рассеяния толяризованного излучения. В газах светоиндуцированная анизотропия основного состояния является долгоживущей (X т 10"® - 10гс), что позволяет многократно усиливать 8ф$ектн, вызванные слабыми полями, за счет увела .ения времени взаимодействия атомов с полем. Индуцированный и спонтанный эффекты отдачи приводят к корреляции мезвду внутренними и тоступательными степенями свободы. Вследствие этого анизотропное распределение атомов по подуровням основного зостояния оказывает глубокое влияние на кинетику газа. Цричэм, как показали первые' экспериментальные и теоретичесткие работы,

использование световых полой с неоднородной (меняющейся. на размерах прядка длины водны) поляризацией существенно расошря диапазон мехахлесного действия лазерного излучения на атомы Значительный интерес обусловленный возможностью охлавдения атошЕ до температуры юша однофотонной энергии отдачи, (Aspt;ct A., Arlmondo £., Kalaer R., et.al. Phy3.Re?.Iett, 1933.V.61. P,826-829.) вызывает движение атомов в условиях когерентного пленения населенностай (КПП), когда существует суперпозиций подуровней основного состояния |ф >, на взаиыодействущая (в резонансном приближении) с шлем: V¡ V - О-

Проблема взаимодействия вырожденных атомов с резонанса поляризованным излучением затрагивает широкий круг фнзическзга явлений от аномального проявления? взаимодействия статических нолей с основным состоянием до существенно квантовых особенностей импульсного и пространственного распределений атомов в условиях КШ в неоднородно поляризованном поле. Эффекты, оОсукдаемие в диссертации, доступны наблюдению в пределах возможностей современной экспериментальной техники. Полученные результаты имеют фундаментальное и прикладное значение.

Цель»/ работг является приложение метода квантового самосогласованного описаны взаимодействия поляризованного излучения с вырожденными атомами к решению ряда конкретных

задач электродинамики и кинетики оптически упорядоченных сред, з которых рассматриваются

I) аномальное, не связанное с раадеплениеь, линии излучения (поглощения), проявление аффекта Штарка в слабом электростатическом пола при оптической накачке (ОН) основного состояния;

г) оптические и кинетические проявления эффекта КПП в полях различной конфигурации и на различных атомных переходах; 3) динамика медленных атомов в условиях КПН в неоднородно поляризованном поле.

Даучная новизна рьооты заключается в следующем.

Получены мулышолътв разложения , описывавшие влияние сйектов отдачи при излучении спонтанных фотонов на тензорную структуру релаксационных членов в квантовом кинетическом уравнении для атомной матрицы плотности с учетом радиационных переходов различной мультшолшостн.

Впервые поставлена и решена задача об аффекте КПН в резонансном монохроматическом поле, имеющем произвольную статистику, в общем случае, па совпвдатую ^ статистикой когерентных состояний.

Предложены новые конфигурации полей, индувдрувдиэ трехмерное сверхглубокое охлаздение атомов.

Предсказан новый физический еффэкт - локализация атомов в каустиках (особенностях ) неоднородно поляризованного чоля за

счет кпн.

Предложен ноша метод описания динамики медленных атомов в условиях КПН г неоднородном поле , основанный нв использовании локального (адиабатически следящего за вектором поляризации поля) базиса внутреннего атомного пространства и концепции локального (в координатном представлении) интеграла движения системы квантовых кинетических уравнений для атомной матрицы плотности.

Наутаад м практическая ценность.

Результаты исследования явления КПН в некогеренгноы поле имеют важное практическое значение ввиду возможного использования в различных экспериментах по КПН полей со статистикой отличавдэйся от статистики когерентного поля (например, святых состояний овета).

Исследования особенностей импульсного и пространственного распределения атомов в условиях КПН могут быть использованы при разработке вкогеримвнтоз по трехмерному сверхглубокому охлаадению атоыов, а также для развития эффективных методов управления поступательным движением атомов.

Разработанные в диссертации метода аналитического описания дашеш медленных атомов при КПП в неоднородно поляризованных полях п отличие от численных методов дают наглядную физическую картину явления и могут сл.кить основой приближенного решения задач о взаимодействии атомов с резонансными полями сложной

пространственной конфигурации. Ца защиту выносятся гдедугоие положения.

1. Эффекта отдачи при испускании спонтанных фотонов приводят:

а) к интерференции вероятностей переходов различной мультипольности и одинаковой четности;

0) к возникновению четных атомных мульгипольных моментов в основном состояния-

в) к анизотропной диффузии атомов в импульсном пространстг".

2. В условиях оптической накачки основного состояния возможно аномальное несвязанное с расщеплением линии излучения (поглощения) проявление квадратичного эффекта Штарка в слабом -электростатическом поле ~ 10*- Юэ В/см, обусловленное прецессией светоивдуцированных атомшх мультшюлышх моментов основного состояния.

3. Когерентное пленение населенностей в неоднородно поляризованном поле предоставляет ноше возможности управления поступательным движением атомов. Наиболее яркий пример - новый физический эффект ' - локализация атомов в каустиках (особенностях) неоднородно поляризованного резонансного поля. Такая локализация является результатом интерференции атомных сототшй с различными направлениями импульса и на имеет интерпретации в терминах сил,действующих на атом. Энтропийное происхождение этого эффекта сближает его с хорошо известным светоиндуцированным дрейфом (СИЛ). Локализованные атомы не

- 7 -

ьзаимодвйстауют с внешние н вакууышш полями (отсутствует половое п естественное ушр-зшэ), тшют пулевую температуру (отсутствует доплеровскоэ утирание). Отсутствие осношмх видов уълреша делает привлекательным их использование в различных приложениях. 4. Использоваипэ локального связанного с направлодаэы поляризации пачя базиса внутреннего атомного пространства значительно упрцавт задачу о динамике иедланных атомов в неоднородно поляризованном шла. В частности, свер:.глубокое оладденкэ атомов на переходах ■* с прнзволышм целим З в рззонансноы "> - о_ шла после перехода в локальный базис описывается уравнением тана Фокнара-Планка. Асимптотическое по времени ншульсное распределение ккевт вид обобщенного лоренцевского пика с характерной шириной, пропорциональной импульсу фотона Ьк.

Апробация работа. Часть результатов диссертации была доложена на Всесоюзной конференция по теории атомов и атомных спектров (Тонек, 1939) и на Шздународной конференции по. когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1991); обсуадалась на семинарах кафедр теоретической Змзики ТГУ и ДВГУ, кафедра физики ДВ^, лаборатории оптики 1ОДЧ ПТУ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и списка литературы. ПоляыЙ объем диссертации составляет 159 страниц в включает 15

рисунков на 12 страницах, три ирнлог'эпия, на 5 страницах а сшска литературы из 73 пвпмепованЕЯ на 7 стр&штцок.

еойашшш шшь.

Во введения обоувдена актуальность т<зш диссертации, сформулирована цель и основнкэ сэдачи работы дана еэ общая характеристика.

В задачах о резонансном взаимодействия поляризованное о пз-учонля с внрондэяннки ото нами, прэдставлзшшх в диссертации, существенную роль кгр&ет радшациотвя релаксация, последовательное описание которой требует квантового рассмотрения всэх щлдоссов в система ''атом +■ полз*. В 5§1,2 общая теория квантового самосогласованного описания электромагнитного поля и срзда предста^ена в ®ор;з, одокватпой дальнейшим применениям. Далее (§3) проведано раэлозкэнзэ атомннх токоэ по электронным вдльтапольш!,! момептем электрического (Еш) п магнитного (1^,) типов, которые эпрздоляют вкшттуды радиационных перэходов соответствуй^ мультипольностн и четности. Б §4 исследуется тензорная структура оператора радиационной резаке В1ц$я - построено его разложение по кульшпольнш номэнтвм атока Особое

внимание уделено последовательному учету корреляций, эбусловлешшх аффектом отдачи при ¡испускания спонтанных: Стонов на пара ходах различной мудьтшолъности, ьпнду зоетупателышш (г,р> я внутренними } степенями свобода

ачша. Амплитуда переходов раличной мультидальности интегрируют (из-за неортогоьальности векторных сферических функций разного ранга). Усреднение втих поправок по направлениям вылета спонтанных фотонов обращает их в нуль. Учет аффекта отдачи приводит к принципиальной возможности проявления интерференционных членов в анизотропном распределении атоиов по подуровням. Вследствие ортогональности поляризации спонтанных фотонов направлению вылета отдача индуцирует в основном состоянии мульттаюльные моменты четного ранга. .В ксазиклассическом приближении для движения центра инерции атома спонтанная отдача сводится к анизотропной диффузии в импульсном пространстве.

Хорошо известно, что линейно поляризованный свет индуцирует в основном состоянии атомов квадрупольный момент рг<}. Квадратичный аффект Штарка в электростатическом поле вызывает прецессию СБетоивдуцированных мультипольных моментов, приводящую к переориентации квадруполя и образованию мультипольных моментов всех, разрешенных правилом отбора ае £ 23 рангов. Во второй- главе (§§5-8) показано, что такой механизм делает возможным аномальное проявление слабых ¡электростатических полей в анизотропии диэлектрической восприимчивость газа. Величина штаркоьского расщепления Па при этом должна сравниваться не с доплзровской Кг или естественной 7 ширинами, а с временем пролета атомов через луч

^ Наблюдение враиенил плоскости поляризации в статическом

поле становится возможным при 1, т.е. в полях

Е ~ 10* - 10э В/см. о

В последние годы нолзгпство работ, посвященных различным аспектам явления КПН, быстро увеличивается . Несмотря на существенные различия в постановках звдач, все авторы рассматривают взаимодействие атомов ( или молекул) с когерентным э. эктромагнитным полем, что отражено в названии явления - когерентное пленение населенностей. Сам аффект КПН при атом связывается со свегоиндуцироваяной атомной когерентностью мекду подуровнями. На основе, полученных в первой главе кинетических уравнений обнаружен ЛШ-эф$ект при взаимодействии атомного перехода 1 * Зв= 1(8- основное состояние,е - возбужденное) с монохроматически некогеренрным частично поляризованным полем. В этом случае явление КПН обусловлено накоплением корреляция мекду полем и атомами, (т.е. когерентность содержится в неприводимых атомно-полевых корреляционных функциях), которые в стационарном предече I * <» не являются малыми и, следовательно, не могут быть учтены в рамках теории возмущений по энергии взаимодействия цазке в отсутствие эффектов насыщения в<< 1 (в - параметр насыщения).В 59 получен явный аид случайной матрицы плотности атомов , который отвечает КПН-состоянта) в нокогерентном поле. В случае плоской волны, найдена зависимое",ь

- И -

от времени населенности возбужденного состояния N®(t). В отличии от случая когерентного ноля, когда Ne« exp(-7Gt) (уО -характерная скорость ОН), а нэ кого рентном поле при t © , Г« Г3.

В §410,11 рассматриваются существенно квантовые особенности и?я1ульсного и пространственного распределений атомов в КПН-состояшях в когерентном неоднородно поляризованном полз. В отличие от развиваемой в (Asnect А., Arimondo Е., Kaiser Е., et.al. J.Opt.Soc.iicer. eer.B.1989.V.6.P.2112-2124.) концепции "closed faffllly" задача анализируется в координатном представлении дпя произвольной конфигурации поля. В §t О выделены классы конфигураций поля ивдуцирупцив трехмерное сверхглубокое охлазденяе на переходах, íg=3/2 Je=1/2 и Зе=2 За=1. Пространственное распределение атомов,

находящихся в КПП-состояниях, рассматривается в §11 на нагл -.дном примере J =1 Зо=1 перехода. Предложен новый механизм образования свэтоиндуцироввшшх трехмерных поляризационных сверххолодша атсжшых решеток. Кратко обсгэдаются возможные влоктродкна,йчэш!о проявления таких posmoK. Пок&зано, что плотность атомов в КПН-с^стоянии пропорциональна локальной плотности энергии поля. Предсказан HoBitfí физический аффект - локализация атомов в каустиках (особенностях) неоднородно поляризованного поля.

В четвертой главе (§§12-16) развивается новый подход к

задаче о динамка захвата а теш а в КПП-состояние в неоднородно поляризованном поле. До свж пор вта задача анализировалась I з основе численного интегрирования системы кналтешл кинетических уравнений для атомной матрицы плотности. Полученные к настоящему времени результата относятся линь к случаю взагаюдоПстЕля о - а поля с атошшш переходили 3 =1 -

т

3Э=0, ■> Зе=1, За=3/2 * Зэ=1/2, -» Зо=1. Обобщение

такого штода на более слохнш конфигурации поля и на другие ?:иш 'атомшх переходов весьма проблематично. Наа метод заключается в перехода в локальный связанный с направлением поляризации поля базис внутреннего атомного пространства. В §12 получен явный взд операторов взаимодействия, релаксант и кинетической энергии в локальном базисе. Соотвэтсвущиа кинетические уравнения для атомной матрица плотности приведены в §13. Посла перехода в локальн"й базис физическая картина ззаимодействия становится более прозрачной, что позволяет удалить несколько атвпов вволвции функции распределения этомов:

I )тСг'1>>1, куч <<1 , когда перемещением атомов вдоль геодаородностей поля ьюхно пренебречь. Б этом пределе найдено ;§14) решение задачи о точном учете афректов спонташой и шдуцироьанной отдачи при рассеянии атомов о^- о_полем. :) 70г1»1, ку^я, т1е жЗ|Ч1«1 (О - частота Раби, ег -'Нергия отдачи) - эта область является новой (т.к. 7(3г1>>«)

областью когерентного взаимодействия атомов со светом. Атомы находятся в локальном КПН-состоянии 1ф0(г)> и движутся в эффективном потенциале не зависящем от дипольного момента атома, который обусловлен градиентом . поляризации поля. Пространственные модуляции этого потенциала значительны в нолях, конфигурация которых . близка к стоячей волне. Показано, что в спектр атома, движущегося в таком потенциале, образуются энергетические щели шириной порядка еу. 3) Кинетический этап 71ег/йП1' . Для достаточно широких начальных распределений! Др^»^ изменение функции распределения на первых двух этапах пренебрекимо малы.

Накопление холодных атомов в состоянии 1ф (г)> является более

1 р

медленным процессом, который связан с увеличением времени жизни атома в этом состоянии при уменьшении егс кинетической энергии: то~ [ар!+ Ь(№)' ]"' .Распределения атошв во взаимодействующих с полем ■ состояниях при этом остается "горячим" СЛр^ » Ыс). Таким обрааом, атомный ансамбль разделяется на две подсистемы с существенно различными температурами - импульсное распределение в локальном базисе имеет вид узкого пика вблизи р = О (вклад КШ-подсистемы) V Нифоких крыльев малой амплитуда. Б §16 локальный базис используется для анализа проблемы сверхглубокого охлакдения атомов на переходах .1=3 ■* 3в=3 с произвольным целым 3 в о+-о_ поле. Показало, что в локальном Оазисе с хорошей степеяы

точности процесс сверхглубокого охлаждения описывается уравнением типа Фоккэра-Планка. Найдено асимптотическое по времени импульсное распределение, которое в локальном базисе имеет вид обобщенного л ренцевского контура о характерной шириной Ар пропорциальной импульсу фотона 1ж: Ар ~ hktU + 2)(3 - nr'VB.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

QgfiQWW ШШШШЬ.

1. На основе квантового самосогла соваяного описания взаимодействия поляризованных полей с етомамя, энергетическим уровни которых внрогдаш по проекции полного ыомента, найден общий вид оператора радиационной релаксации атома с учетом атомных и электронных ыультиполышх моментов всех рангов.

2. lía основе анализа формирования мультшгалышх моментов основного состояния при оптической накачке в присутствие электростатического поля показана возможность аномального, не связанного с расщеплением линии электродинамического проявления квадратичного эффекта Шгарка.

3. Рассмотрены особенности просветления атомарной среды при резонансном взаимодействии J = 1 * За- 1 перехода с частитло когерентным излучением.

4. Решена задача о веодаородаах стационарных когерентных состояниях атомов, которые в резонансном приближении обращают в нуль оператор взаимодействия атомов с неоднородно поляризованным полем. Исследованы . существенно квантовые особенности импульсного и пространственного распределений в етих состояниях.

6. Показано, что использование локального, связанного с локальным значением вектора лазерной поляризации, базиса внутреннего атомного пространства позволяет успешно решать различные задачи динамики атоынсо ансамбля в условиях когерентного пленения населенностей в полях с градиентом поляризации.

Основное результата диссертации опубликованы g работах:

1. Смирнов B.C., Тайчевачев A.B.', Тумайкш A.M. Мультипольноэ разложение оператора радиационной релаксации атоюв. //Изв. вузов. сер .Физика. 1987 ,$10. С.30-40.

2. Смирнов B.C., Тайченачев A.B., Тумайкш A.M. Особенности просветления атомарной среда в вллипткчг ски поляризованном све.э в условиях квазилинейной оптической самонакачкн.//Оит. и спектр.1987.Т.63.С.175-178.

Смирнов B.C., Султанов Ы.Б., Тайченачев A.B., Тумайкик A.M. Аномальное проявление статического эффэкта Штарка в основном состоянии атомарных- газов. /7ЖЭТФ.1989.Т.95. С.1222-1229.

4. Смирнов B.C., Султанов М.Б., Тайченачев А.В. Намагничивание атомарных газов при взаимодействии с постошг i электрическим полем и полем неполяризовашюго светового луча.//Оптика атмосферы.1VJ9.Г.2.С.593-596.

5. Тайченачев А.В., Тумейюш А.Ы., Олыяаннй М.А., Юдин В.И. Локализация атомов в резонансном неоднородно поляризованном полз за счет когерентного пленения населенностей.//Письма в ЖЭТФ.1991Л.53.С.336-338.

6. TaichenacheY A.V., rumalkin A.M., Yudln V.I., Ol'shanll M.A. Localization and superdeep cooling of atoms as the result of a coherent trapping of population In a nonmlformly polarized flelcV/Laser phy3lca.1992.V.2.P.32-39.

7. Тайченачев А.В., Туыайкнн A.M., Олыпаный M.A., Юдин В.И. Использование эффекта когерентного пленения населепностей для локализации атомов в неодародао поляризованном поле.//Тезисы докладов XXV Международной конферегщии по когерентной и нелинейной оптике, Ленинград , 1991.Г.3.С.86-0?.