Вынужденное резонансное рассеяние в парах рубидия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

■ государственный комитет по народному образованию ' юс1щшш ордена ленина, ордена октябрьской революции '[¡олдема трудового красного знамени государственный <»с|гг*ций| университет имени м. В. ломоносова

Физический факультет

На правах рукописи УДК С21.373.535

РЯЗАНОВ Сергеи Викторович

ВЫНУЖДЕННОЕ РЕЗОНАНСНОЕ РАССЕЯНИЕ В ПАРАХ РУБИДИЯ

Специальность 01.04.05 — оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 1991

Работа выполнена на кафедре оптики и спектроскопии физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, старший

научный сотрудник В. И. Одинцов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Р. И. Соколовский

кандидат физико-математических наук Б. В. Красников

Ведущая организация: Институт физики АН БССР ^

Защита диссертации состоится « » фе^^съ^-Л- 199^ г. ъ/3 часов

в ауд. 5> " на заседании Снсциализн^ва^го совета Л"а 1 ОЭТФ (шифр

К 053.05.17) в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова.

Адрес: 519899, ГСП, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета

МГУ.

Ученый секретарь Соипл • кандидат физико-математических наук

Автореферат разослан » ^Рс^ 19932г.

Л. С. Штеменко

\

- I

\

. : . !

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из интересных и важных свойств вынужденного рассеяния света (ВР) является эффект обращения волнового фронта пространственно-неоднородной накачки (ОВФ). Практическое использование ОВФ связано со свойством обращенной волны восстанавливать свою структуру при обратном проходе через неоднородную среду, вносящую фазовые искажения, что обусловливает широкое применение этого явления в лазерной физике и адаптивной оптике. Это делает работы по изучению вынужденного рассеяния света весьма актуальными с точки зрения возможного получения эффекта ОВФ. В связи с быстрым расширением области практического применения ОВФ возникает потребность в разработке новых методов ОВФ, использующих новые нелинейные среды, изучении возможности применения новых видов рассеяния.

Большой интерес в этой связи представляет вынужденное резонансное рассеяние света (ВРР). Оно обусловлено модуляцией нассленностей энергетических уровней атомов и может наблюдаться при взаимодействии лазерного излучения с резонансными средами. Наиболее удобными нелинейными резонансными средами для изучения ВРР являются пары щелочных металлов. Они обладают узкими низко расположенными энергетическими уровнями, связанными сильными дипольными переходами. Высокая однородность паров, свойство полностью восстанавливать оптические характеристики после оптического пробоя благоприятствуют их использованию в качестве нелинейной резонансной среды для целей ОВФ. Применимость модели двухуровневой системы для описания взаимодействия атомов щелочного металла с лазерным полем дает сравнительно простую возможность сопоставления теоретических выводов с экспериментальными данными. Применение ВРР для целей ОВФ может быть достаточно перспективным ввиду сравнительно низкого порога его возбуждения.

Цель работы. Основной целью настоящей работы явилось обнаружение и экспериментальное исследование обратного. ВРР в

парах рубидия п получение на его основе ОВФ накачки. Ставилась также задача получения ОВФ при ВРР в режиме параметрической неустойчивости н при использовании петлевых схем с' параметрической обратной связью.

Научная новизна работы.

1. Впервые получено обратное вынужденное резонансное рассеяние с малым частотным сдвигом при возбуждении паров КЬ в смеси с тушащим буферным газом (N2) в условиях отстройки частоты накачки от резонансного перехода б^/г—52Р3*2 атома ИЬ на 20—50 см-1. .Рассеяние возникает при совпадении частоты модуляции населенностей атомных уровнен с обратным временем релаксации на водимой полем решетки населенностей.

2. Впервые экспериментально наблюдалось ОВФ пространственно-неоднородной накачки при обратном ВРР.

3. Теоретически рассчитан коэффициент усиления ВРР. Показано, что получение высокого усиления возможно при добавлении к парам тушащего буферного газа. Произведен учет влияния диффузии атомов, доплеровского эффекта и спонтанного излучения атомов на усиление ВРР.

4. Экспериментально исследованы условия возбуждения ВРР с малым частотным сдвигом. Измерены величины частотного сдвига ВРР. Изучена зависимость направления частотного смещения линии ВРР от перестройки частоты лазерной накачки. Определены пороги возбуждения ВРР и условия его возбуждения в зависимости от концентрации паров. Показана возможность возникновения ВРР и при низком давлении буферного газа с резко отличными характеристикам!!.

5. Осуществлено возбуждение ВРР в петлевых схемах с параметрической обратной связью при малом насыщении среды.

6. Экспериментально исследован режим параметрической неустойчивости при ВРР в схеме со встречными пересекающимися пучками накачки. Обнаружена интерференция волн ВРР при сведении их на делительном зеркале.

7. Экспериментально показаны различия в поглощении слабого встречного пучка при вырожденном взаимодействии двух встречных волн в парах рубидия в условиях высокого насыщения среды при сохранении и нарушении их корреляции.

Практическая ценность.

Результаты работы могут найти практическое применение в случае низкопорогового ОВФ лазерных пучков при создании лазерных установок с ОВФ-зсркалами, ОВФ интерферометров и в ряде других устройств, где используется обращение волнового фронта.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Наблюдение обратного ВРР с малым частотным сдвигом в парах рубидия и ОВФ пространственно-неоднородной накачки,

2. Теоретическая интерпретация явления и расчет порогов возбуждения ВРР.

3. Генерация обратного ВРР в режиме параметрической неустойчивости в схеме со встречными пересекающимися пучками накачки.

4. Возбуждение ВРР с ОВФ накачки с использованием петлевых схем и исследование их характеристик.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на И Всесоюзной конференции «ОВФ-89», Минск 1989 г. и на конференции Совета молодых ученых НИИЯФ МГУ, Москва 1989 г.

Публикации. Основные результаты изложены в опубликованных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы, содержит 1Щ, страниц машинописного текста, 53 рисунка. Список литературы насчитывает 122 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследовании. Дано краткое изложение диссертации по главам.

В первой главе содержится анализ литературных данных по теоретическому и экспериментальному исследованию вынужденного резонансного рассеяния света. Для сопоставления кратко обсуждены некоторые другие виды вынужденного рассеяния. Рассмотрено явление обращения волнового фронта, как одно из своп-свонств вынужденного рассеяния. Обсуждены различные методы получения ОВФ.

Вторая глава посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию обратного ВРР с малым частотным сдвигом в парах рубидия. В отличил от вынужденного трехфотонного рассеяния, возникающего лрл совпадении частоты модуляции насс-лснностсн атомных уровнен с частотой Раби, ВРР обусловлено совпадением частоты модуляции насслснпостен атомных уровней с обратным временем релаксации решетки нассленностей, наводимой полем в среде.

Показано, что достижение высокого коэффициента усиления ВРР возможно при добавлении к парам тушащего буферного газа (N2), сокращающего время релаксации решетки населенностей Т\ и уменьшающего среднюю длину свободного пробега атомов.

Рассмотрено влияние доплеровского смещения частоты на усиление ВРР и учтен вклад диффузии возбужденных и невозбужденных атомов и спонтанного излучения в релаксацию решетки на-селенностей.

Обратное ВРР наблюдалось при отстройке частоты лазера на красителе от рабочего перехода б^/г—52Рз'г в атоме ИЬ (1 — 780 им) на Д^ =20—50 см-1. Температура паров составляла 1 = 310— 340°С (М»2-^5Х1016 см-3), давление азота в холодной кювете ~0,8 ат. Пучок накачки диаметром 4 мм с расходимостью Ю-3 рад фокусировался линзой Г = 9 см в кювету длиной 1 = 5 см на расстоянии I,- =3 см от заднего окна. Ширина линий накачки составляла — 0,02 см1. Порог возбуждения ВРР при =40 см"! составлял 100—150 кВт I! незначительно уменьшался с уменьшением ¿ц . Линия ВРР имело стоксово смещение от линии накачки при положительном значении Д^ и антистоксово смещение при перестройке лазера в область отрицательных Д^ . Величина сдвига составляла 0,1—0,4 см-1, а спектральная ширина линии ВРР -0,3 см1. Длительность импульса накачки —15 не. ВРР имело поляризацию, совпадающую с накачкой. Излучение ВРР, проходя через фазовую пластину, восстанавливало угловую расходимость накачки и наблюдался эффект обращения волнового фронта. Качество ОВФ было не стабильным. Коэффициент преобразования ио энергии не превышал 1%.

Экспериментально была показана возможность возбуждения обратного ВРР в условиях высокого насыщения среды при низком давлении буферного газа (~3 мм рт ст) и температуре паров 1=160—190°С. (КТ~2Х1014 см-3). Величина частотной отстройки накачки в этих условиях составляла 0,2—1,2 см-1. Частотное смещение линии ВРР не превышало 0,05 см-1, а направление сдвига было противоположным к его направлению в условиях возбуждения ВРР при высоком давлении буферного газа. Пороговые значения интенсивности накачки для возбуждения ВРР в этом режиме составляли ~50 КВт/см2. В силу высокого насыщения среды ОВФ отсутствовало.

В этих же условиях обычно наблюдалось возбуждение вынужденного трехфогонного рассеяния. Для сопоставления экспериментальных данных с теоретическими оценками порогов возбуждения ВРР экспериментально измерялись времена продольной и поперечной релаксации среды. В условиях возбуждения ВРР при 1 = 330°С, Р,^2 =0,8 ат. значения времен релаксации составили: Т, = 15 не, Та = 0,02 не. При 1=190°С, РМч=3 мм рт. ст., Тх = 50 не, Т2 = 4 не.

В третьей главе исследовалась возможность получения ОВФ при ВРР в петлевых схемах (ПС) с параметрической обратной связью. Экспериментально изучалась работа двух петлевых схем (см. рис. 1а, б)

Рис. 1

(а)

(б)

Длина кюветы с парами Rb составляла 6 мм. Давление азота ~0,7 ат. Частота накачки имела отстройку от резонансного перехода на 20—50 см1. Длительность импульса накачки равнялась 30 не. Пучки накачки пересекались в кювете под углом ~0,05 рад. Длина петли обратной связи варьировалась от 5 до 80 см. При работе ПС типа (а) ВРР возбуждалось с ОВФ достаточно высокого качества -0,8. Качество ОВФ отличалось высокой стабильностью. При частотной отстройке ~40 см-1 порог возбуждения ВРР составлял -15 кВт. Коэффициент преобразования накачки в ВРР был 1%. Длительность импульса ВРР составляла «i20 не. Наблюдалась временная задержка импульса ВРР. Изучена ее зависимость от длины петли. Спектральная линия ВРР имела сдвиг -0,05 см"1 и ширину ~0,1 см-1. ВРР с высоким качеством ОВФ возбуждалось в схеме (а) и при ширине линии накачки 0,2 см1, при ширине линии накачки 2,5 см-' ВРР возбуждалось при тон же пороговой мощности, но со значительным ухудшением качества ОВФ.

Приблизительно так же ВРР возбуждалось и в ПС (б) однако при ширине линии накачки 2,5 см-1 генерации ВРР в ней не наблюдалась. Теоретически были проведены оценки коэффициентов усиления ВРР для его возбуждения в ПС. Получено хорошее согласие с экспериментом.

В четвертой главе представлено исследование режима параметрической неустойчивости (ПН) при ВРР. ПН изучалась в схеме со встречными пересекающимися пучками накачки (см-, рис. 2). ВРР в режиме ПН возбуждалось с ОВФ в направлениях обратном к каждому из пучков накачки. При отстройке Л, =40 см-1, До>[_ =0,02 см1 (t = 320°C) суммарная пороговая мощность пучков LT , L- (диаметры пучков в среде соответственно 1,3 мм и

рис. 2.

1 мм) составляла ~30 кВт, что приблизительно в 2 раза превышало порог ВРР в петлевых схемах. Оценка коэффициента преобразования в данной схеме показала, что он лежит в пределах 0,1-0,5%.

Спектральная линия ВРР при ПН была несколько шире, чем в случае петлевых схем. Смещение линии составляло — 0,1—0,2 см"', а ширина ~0,15 см*1.

При изучении работы схемы ПН была обнаружена интерференция пучков И 1 , И* на делительном зеркале. При сохранении в среде соотношения интенсивности пучков накачки I; /1'~0,7 было установлено, что интерференция проявляется в явно выраженном ослаблении пучка И, идущего к лазеру. Отношение интенсив' ностей пучков И', К составляло в среднем ~4. При приближенном равенстве интенсивностей I " и I" и равенстве длин путей «а» и «в», из соображений симметрии следует, что сводимые делительным зеркалом пучки К г и И" могут быть или строго в фазе пли в противофазе. К тому же выводу приводит и общее рассмотрение ПН, основанное на решении уравнения, выражающего условия возникновения Г1Н.

Пятая глава посвящена последованию вырожденного взаимодействия встречных пучков в парах рубидия. Экспериментально было изучено поглощение слабого светового пучка при взаимодействии двух встречных волн с одинаковой частотой в резонансной среде. При различных значениях плотности паров и параметра насыщения среды было показано, что в случае корреляции встречных волн поглощение слабого пучка в режиме насыщения заметно уменьшается по сравнению со случаем некоррелированных волш Экспериментально были реализованы как случай пространственного нарушения корреляция пучков, так и случай нарушении их корреляции во времени за счет увеличения ширины частотного спектра лазерного излучения.

Если в резонансной среде'распространяются две встречные световые волны: сильная Е1 и слабая Е2 (Е2<Е1), можно пока-

зать, что при отсутствии корреляции Е2 и Е1 в условиях высокого насыщения среды коэффициент поглощения для поля Е2 будет пропорционален (1+5)-'. Б — параметр насыщения среды. В случае коррелированных воли, коэффициент поглощения для слабого поля будет меньше и пропорционален (Н-Э)"2. Теоретически был рассмотрен случаи плоских волн и пространственно-неоднородной накачки. Проведенный расчет коэффициентов поглощения слобоп п сильной волн при различной степени насыщения среды показал, что изменение поглощения слабой волны в случае пространственно-неоднородной накачки слабо отличается от случая глоских волн,

Полученные экспериментальные данные дали качественное согласование с теоретическими выводами.

В заключении в виде выводов сформулированы основные результаты работы:

1. Впервые получено обратное вынужденное резонансное рассеяние (ВРР) с малым частотным сдвигом при возбуждении паров рубидия в смеси с тушащим буферным газом (азот). ВРР возбуждалось фокусированной лазерной накачкой при концентрации паров Н«5-101В см3 и давлении азота -0,7 ат. Отстройка «астоты возбуждающего излучения лазера на красителе от резонансного перехода 525]/2—52Р3/2 атома ЯЬ составляла 20—50 см-1. Частотное смещение линии ВРР составляло 0,05—0,4 см1, а его направление зависело от знака расстройки относительно резонансного перехода. Наблюдался эффект обращения волнового фронта накачки.

2. Теоретически рассчитан коэффициент усиления ВРР при больших резонансных расстройках. Показано, что получение высокого усиления возможно при добавлении к парам тушащего буферного газа, сокращающего время релаксации Т! населенностей и уменьшающего среднюю длину свободного пробега атомов. Произведен учет диффузии возбужденных и невозбужденных атомов, доплеровского эффекта и спонтанного излучения атомов на усиление ВРР.

3. Для проведения сравнения экспериментальных данных с теоретическим расчетом измерены времена продольной и поперечной релаксации н Т2 нелинейной среды. Проведено сопоставление порогов возбуждения, направления и величины частотного смещения ВРР с расчетными значениями. Получено хорошее согласие.

4. Экспериментально исследованы условия возбуждения обратного ВРР с малым частотным сдвигом при низких давлениях буферного газа ~4Х10 3 а г. Обнаружено изменение знака частотного смещения ВРР, по сравнению с его возбуждением при высоких

давлениях буферного газа. ОВ.Ф накачки не наблюдалось, что объясняется высоким насыщением среды. Одновременно с ВРР наблюдалось эффективное возбуждение вынужденного трехфотон-пого рассеяния.

■5. Осуществлено возбуждение ВРР с использованием петлевых схем с параметрической обратной связью. Показано, что порог возбуждения ВРР может быть снижен ~ на порядок. В этих условиях при низком насыщении среды получено стабильное ОВФ накачки высокого качества.

6. Экспериментально исследован режим параметрической неустойчивости при ВРР в схеме со встречными пересекающимися пучками накачки. Теоретически определены пороговые условия возникновения параметрической неустойчивости. Полученные экспериментальные данные находятся в хорошем согласии с теоретическими расчетами, проведенными на ЭВМ.

7. Экспериментально обнаружена интерференция волн ВРР в схеме с параметрической неустойчивостью, при сведении их на делительном зеркале- Дано теоретическое объяснение наблюдаемого эффекта.

8. Изучено поглощение слабого светового пучка при вырожденном взаимодействии двух встречных волн в резонансной среде. Показано, что в случае корреляции встречных волн, поглаще-ние слабого пучка в режиме насыщения среды заметно уменьшается, по сравнению со случаем некорремированных встречных волн. Дано теоретическое описание эффекта.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1: Одинцов'В. И., Рязанов С. В. Обращение волнового фронта при вынуж-ченном резонансном рассеянии света с малым частотным сдвигом. Письма в ЖЭТФ, т. 48, в. 2, с. 64—66, 1988.

2. Одинцов В. И., Рязанов С. В. ОВФ при вынужденном резонансном рассеянии. Сб. «Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах», под ред. А. С. Рубанова. Ин-т физики АН БССР, с. 156—161, 1989.

3. Одинцов В. П., Рязанов С. В. Вынужденное резонансное расселине спета на свободных атомах. Тезисы конференции совета молодых ученых НИИЯФ МГУ. М., 1989.

Тираж 100 экз.

Заказ 3937,

ТППО,