Теория формирования разновидностей фотонного эха в трехуровневых системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ



МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ -:Л> (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) '

. '. - ■'''-.■ , На правах рукописи

МЕНЬШИКОВА Юлия Вадимовна

ТЕОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАЗНОВИДНОСТЕЙ ФОТОННОГО ЭХА В ТРЕХУРОВНЕВЫХ СИСТЕМАХ

01.04.21 - лазерная физика

... АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание умелой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

Ч-"- Москва -г 1994

■ , ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интерес к изучению явления фотонного эха связан с двумя важными областями его применения. Первая область -оптическая спектроскопия. Характерными особенностями ее являются, во-первых, независимость от влияния неоднородного уширения спектральных :линий, что позволяет выполнять прецизионные измерения внутри контура неоднородно-уширенной спектральной линии; во-вторых, высокая разрешающая способность, что дает возможность при использовании ультракоротких - нано- и пикосёкундных импульсов проводить исследования быстропротекающих релаксационных процессов; ,..- в-третьих, отсутствие действия лазерного излучения та .»сслед^еные-релаксационные процессы. Вторая.область применения явления фотонного эха - запись, хранение и -обработка информации. Перспективность его использования . в- этой области связана, с одной, стороны, со способностью фотонного Гэха и его разновидностей повторять форму одного из возбуждающих импульсов, а с другой стороны, с возможностью быть достаточно большим Хпо; Сравнению с временем релаксации возбужденного состояния) временному интервалу между первыми двумя информационными и третьим считывающим, импульсом в спуча.е формирования сткнуякрованиого фотонного эха (СФЭ) и его разновидностей.. "'. . •.

Важное значение ' 'икеют разновидности {фотонного эха, сформированные в трехуровневых системах. Они имеют определенные преимущества по сравнению с обычным, фотонным зхом и его модификациями . ; в двухуровневых системах как в оптической эхо-спектроскопии, так и при записи и обработке информации. . Например, с помощью трехуровневого фотонного эха (ТФЭ) можно извлекать спектроскопическую информацию о релаксационных характеристиках оптически запрещенного перехода, что невозможно осуществить на основе обычного фотонного эха. Что/касается второй области применения явления фотонного эха, то и здесь у разновидностей фотонного эха в трехуровневых системах возможности шире. Так, было показано, что при определенных условиях сигналы модифицированного стимулированногй фотонного эха (ИСФЭ) и ТФЭ могут не просто воспроизводить форму возбуждающего импульса, а одновременно растягивать (сжимать) ее во времени (газовые среды -

б)ИСФЭ, в случае ; эллиптической поляризации возбуждающих импульсов, в)СФЭ в присутствии продольного магнитного поля дня линейно поляризованных возбуждающих импульсов. Проанализированы поляризационш.т свойства перечисленных разковидностей фотонного эха, важиле для оптической эхо-спектроскопии.

2. Получены формулы, позволяющие извлекать из экспериментальных данных следующую спектроскопическую информацию:

а) релаксационные характеристики мулътипольных моментов оптически запрещённого перехода по отдельности п их разности;

б) времена релаксации населенности, ориентации и ...выстраивания резонансных- уровней по отдельности, а. в некоторых

случаях и их разности.- •';■"' , -т

Такая информация может быть использована для детального выяснения особенностей Потейциала взаимодействия атомов газовой среды и необходима при проектированииразличных лазерных приборов. . . • . .

Использование в оптической эхо-спектроскопии формул для извлечения разностей релаксационных характеристик позволяет снизить требования к точности экспериментов. ;

3. Теоретически предсказали следующие эффекты, которые могут найти применение в системах хранения «обработки информации с использованием явления фотонного эха:

> возможность существования долгоживущего кодифицированного стимулированного фотонного эха (ШЗРЕ) при генерации в среде новых разновидностей МСФЭ - МСФ31 и ИСФЭ2;

б), воспроизведение формы сигнала, одного из возбуждающих импульсов сигналами М1ФЭ, МСФЭ1, МСФЭ2 и ЬМЭРЕ на их основе с одновременным его растяжением (сжатием).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Получены выражения для напряженностей электрического поля сигналов, модифицированного стимулированного фотонного эха (МСФЭ) и модифицированного трехуровневого фотонного эха (МТФЭ) прк произвольных площадях возбуждающих импульсов в рамках двух 'аналйтиче&ки...- решаемых моделей возбуждающих импульсов нопряноу г оль ной формы. Показано, что интенсивности сигналов указанных разновидностей фотонного эха: растут с ростом крутизны фронтов возбуждающих импульсов и максимальны для импульсов

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения, и списка литературы, общий объем диссертации составляет 180' страниц, включая 11 рисунков, одно приложение на 7 страницах и список литературы из 81 наименования на 10 Страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с различными аспектамиформирования^,в* ^газовых средах' следующих разновидностей фотонного эха; кодифицированного' трехуровневого фотонного эха (ИТФЭ), модифицированного стимулированного фотонного эха ШСФЭ) и двух его видов - МСФЭ1 и МСФЭ2.

, Разновидности фотонного эха в трехуровневых системах представляют собой импульсы спонтанного .когерентного; излучения, генерируемые средой, подвергшейся, воздействию трех коротких световых импульсов. В диссертации при описании Взаимодействия с резонансной газовой средой возбуждающих' икпуйьсов совместно решались уравнение Даламбера и квантовомеханическое уравнение для матрицы плотностц резонансных атомов. Такой подход является общепринятым в теории явления фотонного эха. При.решении этих уравнений использовались приближения, которые обычно реализуются в условиях экспериментов по фотонному эху и его разновидностям и в то же время позволяют, получить аналитические выражения для напряженностей электрического поля сигналов .фотонного эха. Во-первых, применялось приближение заданного поля, т.е. пренебрегало«» обратили воздействием среды на возбуждающие импульсы, Во-вторых, длительности импульсов считались много меньшими, чей промежутки времени между ними и времена необратимой релаксации. В-третьих, столкновительный интеграл, входящий в уравнение для матрицы плотности и существенный при описании поляризационных свойств фотонного эха, рассматривался в модели упругих деполяризующих столкновений. При решении ряда задач в диссертации применялось разложение компонент матрицы плотности по неприводимым тензорным операторам, которое часто используется в теории явления фотонного эха. Его удобство объясняется тем, что в этой представлении столкновительный интеграл.в модели упругих деполяризующих столкновений диагонаянзуется при усреднении по скорости резонансных атомов. -

работах, вошедших в настоящую диссертацию. Указанные модели .позволяли исследовать влияние крутизны фронтов -возбуждающих, импульсов на форму и интенсивность сигнала МСФЭ, а также Возможность воспроизведения сигналом этой разновидности фотонного эха формы одного из возбуждающих импульсов:

•'Как уже отмечалось выше, к настоящему вренеии выполнено : много работ по МСФЭ, в ток числе и по его поляризационным. свойствам. ^ Интерес к таким • исследованиям определяется возкожностьюпроведения поляризационной эхо-спектроскопии общего резонансного ..уровня Ь на основе МСФЭ. Однако в этих работах рассматривались лишь линейно поляризованные возбуждающие ИМПуЛЬСЫ.

В диссертации разв'ита теория поляризационных ; свойств обсуждаемой разновидности * фотонного эха, сформированной эллиптически поляризованными . .возбуждающими импульсами малой • площади и произвольной формы. Показано, что при специальном выборе поляризаций возбуждающих импульсов, исследуя на эксперименте затухание одной из компонент напряженности электрического поля сигнала МСФЭ Е^ ~ ехр(-у^К1т2) (к - х, г; . к » 1,2> с ростом промежутка времени т2 между вГгорым и третьим возбуждающими импульсами,, можно измерять времена релаксации ориентации ' 1/гь1' и выстраивания общего резонансного

уровня. Для линейно поляриз ованных возбуждающих импульсов аналогичные условия. были найдены ранее (см. -У^зеуеу .

- Оказалось, что поляризационная эхо-спектроскопия на основе МСФЭ при эллиптической поляризации возбуждающих импульсов имеет, • фи определенных условиях, преимущества по сравнению со случаем линейно поляризованных возбуждающих импульсов. Так, для извлечения спектроскопической информации о времени релаксации ориентации общего резонансного уровня с- экспериментальной точки зрения предпочтительнее использовать поляризованные по кругу первые два возбуждающих импульса, а не, линейно поляризованные. Это объясняется тем, что в рассматриваемом случае для получения времени могут быть использованы либо поляризованные по

кругу в одном направлении, либо линейно поляризованные в несовпадающих плоскостях первые Два» имеющие одинаковую несущую

,поэтому эксперименты с МТФЭ выполнять легче, и результаты, полученные в диссертация, могут иметь более широкое применение. Достоверность соответствующих формул подтверждается тем, что они также получены • в независимо 'выполненной, работе Алексеева с соавторами (J. Phys.BjAt.Mol.Opt.Phys. 1987. V.20. Р.3571-3586).

Обычно в условиях экспериментов по фотонному эху релаксациошвде характеристики мульткпольных моментов оптически запрещенного перехода отличаются не слишком сильно (порядка нескольких процентов).. Поэтому в диссертации предложен второй способ ,. извлечения спектроскопической информации об этих Характеристиках; Он. основан на исследований затухания отношения интенсивностбй МТФЭ (при специально выбранных- поляризациях возбуждающих импульсов) с ростом промежутка, времени т2. Этот метод позволяет при обработке, данных эксперимента получать непосредственно разности релаксационных характеристик оптически запрещенного; перехода и поэтону имеет значительные преимущества перед первым. Он дает возможность снизить требования к точности проводимых экспериментов.

Далее в. диссертации развита теория поляризационных свойств МТФЭ, сформированного' возбуждающими импульсами малой площади я произвольной, формы на атомах с отличным от нуля спином ядра. Необходимость построения этой теории объясняется тем, что - экспериментальное - наблюдение МТФЭ пока осуществлено только в системах с ненулевым спином "ядра резонансных атомов. К таким экспериментальным работам, кроме уже упоминавшейся работы Хартнана с .сотрудниками, относится эксперимент Маннерса ж . Да^ранта (Opt-Comroun. 1986. V.58.' Р.389-394) на резонансных

133 '' ■

атомах Cs. :•.'.'-■■'..'

В диссертации при учете упругих деполяризующих столкновений получено.выражение для напряженности электрического поля сигнала МТФЭ, сформированного возбуждающими импульсами малой площади к 'произвольной - формы ' на резонансных уровнях со сверхтонкой структурой. При этом использовалась модель разрыва сверхтонкой связи во.время столкновения, которая адекватно описывает процесс столкновения атомов с .отличным от нуля спином ядра в условиях экспериментов по фотонному эху. Найдены поляризационные свойства этой разновидности фотонного эха. Были рассмотрены все возможные

.с ее одновременным растяжением во времени.

Следующие разновидности фотонного эха, исследуемые, в диссертации, - два новые вида МСФЭ: НСФЭ1 и НСФЭ2. Как уже отмечалось выше-, , МСФЭ может быть использовано для записи и обработки информации, т.к. его сигнал может воспроизводить форму одного из возбуждающих импульсов с ее одновременным растяжением или сжатиен во времени. Однако, при формировании в среде обычного МСФЭ промежуток времени между вторым и третьим возбуждающими импульсами не может быть большим. Он ограничен временем жизни 1/гаъ возбужденного состояния - Ь по отношению к спонтанному распаду в нижнее состояние а. За это время атомы с возбужденного уровня Ь . переходят в основное состояние а. Поэтому через промежуток времени i/уаЬ уровень Ъ будет полностью опустошен, и к моменту падения на среду третьего возбуждающего импульса мультипольные моменты резонансного уровня Ь . не будут иметь неравновесных модулированных составляющих, которые дают вклад в МСФЭ. Таким образом, в . рассматриваемом случае невозможно формирование в среде долгоживущего модифицированного стимулированного фотонного эха (LMSPE).

В . связи ' с этим в диссертации рассмотрены две новые . разновидности сигналов МСФЭ (сигналы МСФЭ1 к МСФЭ2). Эти разновидности, как и .сигналы обычного МСФЭ, формируются в трехуровневых :системах, : нона системе оптически разрешенных резонансных переходов, характерной для случая формирования МТФЭ. При генерации МСФЭ1(2) первые . два возбуждающих импульса имеют несущую частоту ы^, резонансную частоте. ю0 (и0) оптически разрешенного резонансного перехода b -* а (с -> а), а третий импульс • - несущую частоту ы2, резонансную частоте 50(и0) перехода с -> а(Ь •-» а)'. Сигнал МС.ФЭИ2) формируется в тазовой среде спустя промежуток времени iu1Ju2)xl после прохождения третьего возбуждающего импульса и икеет несущую частоту, равную частоте третьего возбуждающего импульса.

.- Сначала изучается формирование МСФЭ1 и МСФЭ2 на атомах с равным нулю спином ядра. Существенным является тот факт, что при генераций МСФЭ1 и ИСФЭ2, в отличие от обычного МСФЭ, промежуток . .времени между вторым И третьим возбуждающими импульсами т2 может /быть- значительно больше времени , радиационного распада

.поляризационных свойств указанных разновидностей мсфэ и в ытом случае. Показано, ' как в рамках ." этой теории можно объяснить поляризацию сигнала ШЗРЕ1, которая уже наблюдалась в .эксперимент Дгрранта. с'сотрудниками (ОрЬ .Ссттоип. 1992. У.39. Р.1173-1180) . / ' ' "- ■

Исследованы условия генерации . ЬМЗРЕ я системах со . сверхтонкой структурой' резонансных уровней. ' Установлено, что при наличии сверхтонкой структуры ШЗРЁ может' формироваться в случаях 17а - О щ . ¡7Л /1/2- при,., произвольных поляризациях возбуждающих ,. .импул.ь.сов... Однако, при участии в формировании ЬМЗРЕ по одной сверхтонкой компоненте каждого резонансного уровня, для существования. ШЗРВ ;в - указанных случаях необходимо, чтобы спин ядра был больше 1. . ... :.; - . - ' ,

Показано,/ что при ,, формировании ЬМЙРЕ на уровнях со сверхтонкой' ^структурой его временнаяогибающая оказывается . ; промйдулированной ;вследствие интерференции, между несколькими различными переходами. Это приводит к ; искажению информации, записываемой :,'с прмощь?> .ШЭРЕ. : Указан случай, . когда такое искажение отсутствует.

"■' Наконещ, в Приложении к диссертации рассмотрено формирование сфэ в газовой среде в продольном магнитном поле. с учетом упругих деполяризующих столкновений найдены . интенсивность и поляризация сигнала этой разновидности фотонного эха. На основе анализа поляризационных свойств .сфэ указаны экспериментальные условия, которые позволяют получать спектроскопическую информацию о : временах .релаксации резонансных уровней, в случае, когда эти времена-Дибо. близки, ^ибо сильно отличаются друг от друга.

-основные результаты диссертации Сформулируем основные результаты диссертации. 1. Построена теория Поляризационных свойств нтфэ, мсфэ1 и мсфэ2, сформированных на атомах с равным нулю спином ядра линейно поляризованйыми; возбуждающими импульсами,, и мсфэ, в случае эллиптически поляризованных ..возбуждающих икпульсог. в модели упругих деполяризующих столкновений получены выражения для ; напр/икенностёй электрического поля и.сфэ, мсфэ 1 и нсфэ2, генерируемый в разовой среде возбуждающими, импульсами малой площади и произвольной формы, а также мтфэ, в случае как

, МТФЭ при произвольных площ&дях возбуждающих импульсов. Показано, что с; ростом крутизны фронтов. возбуждающих импульсов увеличивается интенсивность- Сигналов МСФЭ и МТФЭ. Наиболее эффективными, при формировании в среде разновидностей фотонного эха являются, прямоугольные возбуждающие импульсы.

6} Предсказан эффект корреляции формы сигнала .МТФЭ, КСФЭ1 я МСФЭ2 е формой" одного из "возбуждающих импульсов. Такая корреляция . имеет место, если „ спектральная линия резонансного перехода . является широкой для1 воспроизводимого-импульса, а для двух других . импульсов соответствующие - спектральные линии резонансных переходов являются узкими. ,,

. 5. ': На основе исследования формирования в газовой среде МСФЭ 1 и . МСФЭ2. предсказан эффект существования долгоживущего модифицированного стимулированного фотонного эха (ШБРЕ). В модели', упругих ' деполяризующих: столкновений построена теория поляризационных свойств " ШЭРЕ, сформированного на атомах как с равным нулю, так и с отличным от нуля спином ядра.

В случае равного нулю спина, ядра резонансных атоиов получены • аналитические, формулы, позволяющие извлекать из эксперимента спектроскопическую информацию о временах релаксации ориентации и выстраивания нижнего резонансного уровня. Показано, что при определенных условиях сигнал ЬМЭРЕ может повторять форму одного из возбуждающих импульсов., причем - такое воспроизведение может сопровождаться одновременным сжатием (растяжением) во времени. Найден»! поляризационные свойства ЬМЗРЕ, сформированного в присутствии продольного „однородного магнитного поля возбуждающими импульсами малой .площади и произвольной формы.

В случае отличного от нуля' спина ядра резонансных атомов, показано, что наличие модуляционных колебаний сигнала ЬМЗРЕ, связанных с учетом сверхтонкой структуры резонансных уровней. Приводит- к искажению записанной информации... Указаны значения спкна ядра .и электронных угловых моментов, когда такое искажение отсутствует.

Исследованы условия существования в газовой среде ЬМбРВ. Для случая равного нулю спина -ядра резонансных атомов обнаружено, что если электронный угловой момент нижнего состояния Jв • О, то формирование ЬМЗРЕ невозможно, а если 'йга .» 1/2, то возможно лишь

■-.'..■.• ' V.'' 17 -. -

. 8. ', Евсеев И . В.., Меньшикова Ю.В. , Цикунов В. Н. Разновидности

фотонного эха в трехуровневой системе, сформированные возбуждающими импульсами с гладкими огибающими. - Так же, с. 68.

9. Евсеев И. В. Меньшикова J0. В. , Цикунов В. Н. О возможности

использования КСФ эха, сформированного возбуждающими импульсами с гладкими огибающими, для внутридоплерсзской спектроскопии ширин молекулярных уровней.-В кн.: Тез. докл. IX Всес. - - ', сикп. по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения. Якутск* 27 июня - 3 июля, 1989 г. Изд-во ТНЦ со АН . СССР, 1989, с. 96. Гд 10.' Евсеев Й. В. , Меньшикова Ю. В. , Федоров М. В. , Цикунов В. Н.

Вторая'аналитически решаемая-модель возбуждающих импульсов в теории явления фотонного эха. - В кн. : Анн. докл. Y Межд. . симп. по избранным проблемам статистической механики. Дубна,

'.' ¿2 - 24 августа 1989 г. Изд-во ОЯЯИ, 1989, с. 20.

11. Yevseyev I.V., Men'shikova Yu.V., Tsikiinov V.N. Photon-echo varieties in three-level systems formed by nonrectangular exciting pulses .of arbitrary area.//J.Mod.Optics. 1990.

V.37. No.7. P.1185-1198.

12. Евсеев И. К. ., Меньшикова Ю, В/ Модифицированное стимулированное фотонное эхо при различной крутизне фронтов возбуждающих Импульсов. - Препринт МИФИ, 034-91. Н, , 1991, 24 с.

13.. Yevseyev I.V. / Men'shikova Yu.V. The theory of the stimulated ■ photon, echo in a magnetic field. 2. -The effect of elastic

depolarising collisions.//Laser Phys. 1991. V.l. No.4, - P.389-398. ,'v - '' -

14. Евсеев- И. В. , Меньшикова Ю. В. 0 возможности использования стимулированного фотонного, эха в магнитном поле для спектроскопии резйнансных уровней, - В кн. : Второй Всес. сем. по атомной спектроскопии и XI Всес. конф. по теории атомов и атомных спектров, 9 - 13 декабря 1991 г. , Суздаль. Тез. докл. » МГ-. ВЙИЙФТРИ, 1991, с. 49.

15. Yevseyev I.V./ Men'shikova Yu.у,, Long-lived modified stimulated photon echo. 1. Atoms with zero nucleus spin.// Laser Phys. 1992. V.2. No.l. P.58-65.