Взаимодействие многоуровневых атомов в сильном лазерном поле с внешним магнитным полем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ
|
Карагодова, Тамара Яковлевна
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Саратов
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1996
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.05
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
РГС 0;:
7 '
На правах рукописи Карагодова Тамара Яковлевна
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МНОГОУРОВНЕВЫХ АТОМОВ В СИЛЬНОМ ЛАЗЕРНОМ ПОЛЕ С ВНЕШНИМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
01.04.05 - ОПТИКА
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико - математических наук
САРАТОВ 1996
Работа выполнена в Саратовском государственном техническом Университете.
Официальные оппоненты: доктор физико - математических наук
профессор Овсянников В.Д.,
доктор физико - математических наук профессор Мельников Л.А.,
доктор физико - математических наук профессор Уманский И.М.
Ведущая организация:
Институт физики АН Беларуси
Защита состоится " 30
ОД, 1997г. в
час. не
заседании диссертационного совета Д.063.74.01 при Саратовско! государственном университете им.Н.Г.Чернышевского, г.Саратов ул. Астраханская, 83
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Саратовского государственного университета
Автореферат разослан 1996 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат физ.~ мат. наук
Аникин В.М.
3 ,,>.■ от .. . ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Предметом. исследования являются нелинейные резонансные магнитооптические эффекты,
возникающие при взаимодействии сильных полей излучения с плотностью мощности вплоть до гигаватт на квадратный сантиметр с системой, представляющей из себя атомарный газ невысокой концентрации. Атомная система находится во внешнем магнитном поле, напряженность и ориентация которого могут изменяться. *• К рассматриваемым в диссертации явлениям относятся:
а)Поляризационные эффекты в магнитном поле и сильном поле излучения при одно - и двухфотонном резонансе ( эффект Фарадея в сильном поле излучения, вращение плоскости поляризации линейно поляризованного излучения и круговой дихроизм в сильном поле излучения различной поляризации, в том числе в магнитном поле (двухфотонный резонанс); самовращение плоскости поляризации и самоиндуцированный круговой дихроизм эллиптически поляризованного на входе в среду излучения);
б)Резонансная-флуоресценция в магнитном поле;
в)Резонансное комбинационное рассеяние (РКР) в магнитном поле. Изучение этих эффектов привлекает внимание исследователей,
так как является актуальным как с точки зрения решения фундаментальных проблем нелинейной спектроскопии, так и с точки зрения решения прикладных задач.
Со времени открытия ' эффекта Зеемана магнитооптические эффекты интенсивно изучаются на протяжении ста лет. Много внимания уделено в течение последних нескольких лет изучению поляризационных эффектов в слабых магнитных полях, создающих расщепления уровней, сравнимые с шириной линии. Такие эффекты широко изучены на уровнях сверхтонкой структуры атомов. Создание перестраиваемых в широком диапазоне частот лазеров высокой мощности стимулировало эксперименты по исследованию магнитооптических эффектов, как классических поляризационных, так и эффектов резонансной флуоресценции и комбинационного рассеяния во внешнем магнитном поле.
Теоретическая интерпретация результатов таких экспериментов недостаточна. Реальный атом является многоуровневой системой. В
основном, теоретические исследования нелинейных резонансных магнитооптических эффектов в атомах ограничиваются двух- или трехуровневым приближением или . использованием теории возмущений. Этот подход оправдан при рассмотрении эффектов в слабом магнитном поле, но ограничивает возможности обнаружения и исследования характеристик новых нелинейных магнитооптических эффектов, возможных в сильных полях излучения и сильных магнитных полях.
Такие эффекты связаны с изменениями электронной структуры атома (сдвигами, расщеплениями уровней, изменениями населенностей). Так как среда - атомарный газ, оптический пробой при рассматриваемых высоких значениях плотност и мощности отсутствует. Вследствие малости концентрации атомов при решении динамической квантово - механической задачи возможно пренебречь столкновениями и, следовательно, учитывать только спонтанную релаксацию.
В сильных полях излучения, для которых величины взаимодействия с атомами сравнимы с интервалом тонкой структуры в легких атомах, возникает перемешивание состояний системы и теория возмущений неприменима. Наиболее удобным является метод квазиэнергий. При этом в резонансном приближении задача сводится к стационарной задаче определения собственных чисел характеристической матрицы (квазиэнергий) и собственных векторов, позволяющих найти амплитуды вероятности для рассматриваемой системы: атом в магнитном поле и сильном поле излучения, которое может состоять из нескольких компонент. При этом для многоуровневой системы возможно только численное решение задачи о взаимодействии атомов в магнитном поле с сильными полями■излучения.
Ликвидация существенных пробелов в теоретической интерпретации .имеющихся экспериментов по исследованию поляризационных эффектов, эффектов резонансной флуоресценции и резонансного комбинационного рассеяния, относящихся к области на стыке нелинейной спектроскопии и атомной физики, открывает возможность установления закономерностей при взаимодействии интенсивных полей лазерного излучения с атомарными газами е присутствии внешнего магнитного поля произвольной
напряженности, когда возможен переход от эффекта Зеемана к эффекту Пашен-Вака, что представляет интерес благодаря следующим обстоятельствам:
1. В области нелинейной спектроскопии открывается возможность
получения информации об изменениях электронной
структуры реального многоуровневого атома в сильных полях излучения и магнитном поле с использованием спектров вращения плоскости поляризации и кругового дихроизма, а также спектров резонансной флуоресценции и резонансного комбинационного рассеяния. ' " '
2. В области физики и техники лазеров ожидаемые результаты теоретического исследования и компьютерного моделирования поляризационных эффектов вращения плоскости поляризации могут быть использованы в фазово - поляризационном методе управления спектром генерируемого излучения лазеров, а результаты исследования эффекта резонансного комбинационного рассеяния могут быть полезными при разработке методов преобразования частоты генерации лазеров, основанных на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния (ЗКР)
3. Ожидаемые результаты расчета зависимостей характеристик магнитооптических эффектов в сильных полях излучения от параметров могут быть использованы для создания устройств, управляющих излучением (оптические затворы и модуляторы), а также для разработки новых методик контроля магнитных полей. К настоящему времени методы контроля магнитных полей в больших эбъемах разработаны достаточно, в то время как контроль магнитных полей в тонких каналах, узких щелевых зазорах и полей зложной топографии остается нерешенной проблемой.
Цель работы
- развить теорию взаимодействия' атомов с сильными полями *злучения (вплоть до гигаватт на квадратный сантиметр-! и магнитным полем произвольной ориентации и напряженности, при <отором возможны как эффект Зеемана, так и эффект Пашен - Бака 1 промежуточный случай для объяснения результатов существующих экспериментов по исследованию поляризационных эффектов;
- распространить модель на более широкий класс эффектов.
возможных для наблюдений при взаимодействии атомов с сильными полями излучения и магнитным полем произвольной ориентации и напряженности (новые поляризационные эффекты, эффекты резонансной флуоресценции и резонансного комбинационного рассеяния);
- используя разработанную модель, получить и проанализировать зависимости характеристик поляризационных эффектов от параметров (интенсивностей и расстроек резонанса полей излучения, поляризации поля накачки, величины напряженности магнитного поля), апробировать метод расчета путем сравнения с экспериментальными результатами и результатами расчетов других авторов и выработать рекомендации по применению их в физике и технике лазеров, в методиках контроля магнитных полей для случаев, когда традиционные методы непригодны;
- обнаружить закономерности влияния магнитного поля и сильных полей излучения на характеристики эффекта резонансной флуоресценции;
- обнаружить закономерности влияния магнитного поля и полей излучения на характеристики резонансного комбинационного рассеяния.
Научная новизна и значимость работы. Представленные в диссертации исследования являются оригинальными. Обнаружен ряд новых нелинейных резонансных магнитооптических эффектов и новых закономерностей известных.эффектов с использованием построенной теории взаимодействия реального атома с одним или двумя монохроматическими полями излучения произвольной интенсивности и поляризации и магнитным полем произвольной напряженности и ориентации и разработанного метода численного расчета характеристик нелинейных резонансных магнитооптических эффектов для многоуровневых атомов. Развитая теория единым образом описывает эффекты для однофотонного и двухфотонного резонансов при произвольных поляризациях, расстройках резонанса и интенсивностях полей излучения и при отсутствии или наличии магнитного поля произвольной напряженности и ориентации.
Автором впервые предсказаны новые поляризационные эффекты: - увеличение угла вращения плоскости поляризации пробного излучения в магнитном поле в присутствии линейно
оляризованного поля накачки, резонансного смежному переходу; изменение характера спектра самовращения плоскости поляризации' присутствии магнитного поля, проявляющееся в том, что дисперсионный" характер зависимости угла самовращения лоскости поляризации эллиптически поляризованного излучения и резонансный" характер самоиндуцированного дихроизма, которые меют место в отсутствии магнитного поля, меняются местами в ткосктельно слабом магнитном поле
Впервые в магнитном поле получены элементы ' матрицы ассеяния для двухуровневой системы и показано влияние агнитного поля на релаксационные характеристики атомов в ильном поле излучения и на форму спектра резонансной луоресценции. 1 <
Впервые -для реального многоуровневого атома в магнитном оле рассчитан спектр резонансной флуоресценции в условиях дно- и двухфотонного резонансов.
Впервые рассчитана зависимости сечений резонансного' омбинационного рассеяния (РКР) для атомов в магнитном поле от эсстройки резонанса падающего излучения (спектры возбуждения), том числе в присутствии поля накачки для различных режимов ключения взаимодействия и исследовано влияние магнитного поля поля накачки на характеристики спектров РКР.
Полученные автором спектры фарадеевского вращения и агнитного кругового дихроизма, спектры вращения плоскости оляризации и кругового дихроизма пробного излучения в сильном оле излучения различной поляризации, в том числе, в рисутствии магнитного поля, спектры самовращения плоскости оляризации и кругового дихроизма эллиптически поляризованного злучения для реальных многоуровневых атомов позволяют провести пробацию разработанного метода расчета путем сравнения с звестными экспериментальными результатами.
Рассчитанные автором зависимости. угла поворота плоскости оляризации от напряженности магнитного поля позволяют выявить инейные и нелинейные области на графиках, обуславливающие собенности применения эффектов: линейные области могут быть спользованы в методиках контроля магнитных полей, а нелинейные при создании оптических затворов и модуляторов.
Полученная автором зависимость эффекта Фарадея от интенсивности излучения позволяет установить закономерности, подтвержденные экспериментом, а именно, уменьшение угла вращения плоскости поляризации излучения в магнитном поле с ростом интенсивности излучения.
В "оптическом" эффекте Фарадея (повороте плоскости поляризации пробного линейно поляризованного излучения, распространяющегося параллельно циркулярно поляризованному излучению накачки) рассчитанные.автором зависимости эффекта от интенсивности для различных поляризаций циркулярно поляризованного излучения, полученные впервые для реальных многоуровневых атомов, дают согласие с расчетами, известными из литературы, проведенными для модельных трехуровневых систем.
Таким образом, проведенные теоретические исследования позволили изучить новые свойства известных эффектов и обнаружить новые эффекты.
Разработанный численный метод расчета, позволяющий исследовать характеристики различных нелинейных резонансных эффектов в одном или двух монохроматических полях излучения произвольной интенсивности и магнитном поле произвольной напряженности и ориентации для многоуровневых атомов, апробирован путем их сравнения с имеющимися экспериментальными результатами и расчетами других авторов.
Результаты диссертации относятся к фундаментальным исследованиям в области нелинейной оптики и спектроскопии.
Практическая ценность. Рассчитанная дисперсия эффекта Фарадея в случае одно- и двухфотонного резонансов может быть использована при разработке новых принципов получения' узкой линии генерации с использованием фазово - поляризационного метода:
а)без применения нерезонансных фарадеевских вращателей (с использованием "черной линии" в спектре фарадеевскога вращения);
б)в новой области частот за счет изменения спектра фарадеевского вращения при двухфотонном резонансе.
Предлагается использовать поляризационные эффекты для контроля сильных магнитных полей в случаях, когда традиционные
методы непригодны, например, в тонких каналах, узких зазорах и полей сложной топографии.
Для повышения чувствительности методик контроля продольной составляющей магнитного поля предлагается использовать новый
эффект - увеличение угла вращения плоскости поляризации пробного излучения при наличии поля накачки линейной поляризации, резонансного смежному переходу.
Нами предлагается для целей контроля магнитных полей использовать в качестве активной среды воздух 'с примесью
ч 12 — 3
щелочных атомов невысокой концентрации * 10 см ,
обладающих высокой нелинейностью в.силу больших"-величин "сил
осцилляторов для переходов в видимой области спектра. В качестве источника излучения предлагается - использовать перестраиваемые лазеры высокой мощности с узкими пучками диаметром < 1 мм. Создание таких методик контроля магнитных полей важно как для разработки электронных приборов СВЧ, так и в медицине, где в последнее время появились методы лечения раковых опухолей с применением магнитных полей, и при создании бытовых приборов аудиотехнкки Использование полей накачки различной поляризации дает возможность применять эффекты, повышающие чувствительность предлагаемых для контроля методик и осуществлять локальный контроль.
Теория нелинейных резонансных эффектов при взаимодействии атомарных газов с сильными полями излучения и магнитным полем и разработанный метод численного расчета характеристик этих эффектов могут быть использованы для .любых атомов, для которых известны спектроскопические параметры.
Показано,что в случаях наличия или отсутствия ттипересечений квазиэнергий в зависимости от параметров задачи алгоритмы расчетов характеристик нелинейных резонансов различны. Полученные алгоритмы и программы позволяют решить шнамическую квантово - механическую задачу взаимодействия шогоуровневого атома в магнитном поле с двумя (онохроматическимк полями излучения произвольной интенсивности, ■засчитать и провести анализ зависимостей характеристик гелинейных резонансных магнитооптических эффектов от параметров >ассматриваемой системы.
Достоверность полученных результатов следует из адекватности используемой математической модели и подтверждается согласием с известными из литературных источников экспериментальными результатами и результатами расчетов других авторов.
На защиту выносятся следующие группы результатов:
1. Новые эффекты при взаимодействии сильных полей излучения с атомарным газом невысокой концентрации в магнитном поле, заключающиеся в условиях однофотонного резонанса в полном изменении спектра самовращения плоскости поляризации и самоиндуцированного дихроизма в относительно слабом магнитном поле и, в условиях двухфотонного резонанса, в увеличении угла фарадеевского вращения плоскости поляризации при наличии поля накачки линейной поляризации, резонансного смежному переходу.
2. Теоретическая интерпретация экспериментов по наблюдению новых закономерностей в поляризационных эффектах при взаимодействии сильных полей излучения с атомарным газом невысокой концентрации в магнитном поле, заключающихся в случае однофотонного резонанса в уменьшении угла фарадеевского вращения с ростом интенсивности излучения и, в условиях двухфотонного резонанса, в качественном изменении спектров вращения плоскости поляризации и кругового дихроизма в зависимости от расстройки двухфотонного резонанса.
3. Новый эффект при взаимодействии сильных полей излучения с атомарным газом в магнитном поле, заключающийся в изменении релаксационных характеристик атома в сильном поле излучения вследствие влияния магнитного поля на оптические столкновения.
4. Новые эффекты при взаимодействии сильных полей излучения с атомарным газом в магнитном поле в .условиях однофотонного и двухфотонного резонанса, заключающиеся в изменении формы спектров возбуждения резонансной флуоресценции и резонансного комбинационного рассеяния для многоуровневой системы в зависимости от интенсивностей полей излучения, расстройки резонанса поля накачки, напряженности и ориентации магнитного поля.
5. Установление связи между зависимостью рассматриваемых эффектов от частот и интенсивностей полей излучения.
напряженности магнитного поля и структурой квазиэнергетического спектра.
Совокупность научных результатов, изложенных в диссертации, можно рассматривать как значительный вклад в развитие научного направления на стыке атомной физики и нелинейной спектроскопии, связанного с : исследованием взаимодействия реальных многоуровневых атомов с магнитным полем и сильными полями излучения в условиях динамического эффекта Штарка, когда возникают новые эффекты и новые закономерности в зависимостях характеристик нелинейных резонансных магнитооптических эффектов от параметров.
Рассматриваемая в диссертации проблема была сформулирована и решалась в ходе выполнения х/д тем в соответствии с тематическим планом МЭП СССР , а затем в рамках г/б тем по §53 и по §47.
Апробация работы.Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на I Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света (г.Киев,1975 г.), на Конференции по теории атомов и молекул (Вильнюс, 1979), на
III Вавилонской конференции по нелинейной оптике ( Новосибирск, 1973 г ), на 7-ой Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск, 1982), на XX Всесоюзном Съезде по спектроскопии (Киев, сентябрь 1988), на Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике ( Санкт -Петербург, сентябрь, 1991), на Международном Семинаре по компьютерному моделированию в нелинейной оптике (CSN0'93, Москва - Нижний Новгород, июнь-июль 1993), на Четвертом семинаре по атомной спектроскопии (Москва, декабрь,1993), на Международной научно - технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (4-7 октября 1994 г..Саратов), на 15 Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт - Петербург, июнь - июль 1995), на XXI Съезде по спектроскопии (Звенигород, Моек.обл.,2-6 окт.1995г.), на Международном симпозиуме по биомедицинской оптике (BiOS'96, 27 January-2 Februery 1996, San Jose, California, USA) , на 28-й конференции Европейской группы по атомной спектроскопии (28 EGAS, Грац, Австрия, 16 - 19 июля 1996), на 15-й
Международной конференции по атомной физике, посвященно столетней годовщине эффекта Зеемана (15 г1САР, Амстердам, 5 -августа 1996).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы 40 работах, из них 22 статьи, в том числе 7 - без соавторов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит и
введения, в котором дана общая характеристика работы, пяти гла и заключения, в котором сформулированы основные результаты выводы. Объем диссертации 278 стр., включая 95 рис., 5 таблиц список литературы из 239 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Решение динамической квантово-механической задач нахождения уровней энергии и волновых функци
многоуровневого атома в двух монохроматических полях излучени и внешнем постоянном магнитном поле.
В сильных полях взаимодействие с полями излучения може быть сравнимым с взаимодействием с магнитным полем и интервалом тонкого расщепления, например, . в случае щелочни атомов, и становится существенным перемешивание магнитны подуровней. При этом теория возмущений неприменима, необходимо точное решение задачи определения квазиэнергий амплитуд состояний системы. В то же время результаты, которк можно получить с помощью теории возмущений, получаютс непосредственно в рамках используемого метода в случг слабых полей. Так как мы рассматриваем сильные поля (излучена и магнитные), сверхтонким расщеплением пренебрегав!:
Поскольку реальная атомная система является многоуровнево£ возможно только численное решение задачи нахождею квазиэнергий и волновых функций системы "атом в полях излученр и магнитном поле".
Гамильтониан системы в общем случае включает спин орбитальное взаимодействие, взаимодействие с двуь монохроматическими полями излучения и магнитным полем. Ее; спин - орбитальное взаимодействие велико, оно включается
невозмущенный гамильтониан.
Такой подход позволяет рассмотреть разнообразные соотношения величин магнитного и спин-орбитального взаимодействия, приводящие к эффектам Зеемана, Пашен-Бака или
промежуточному случаю.
В зависимости от рассматриваемых уровней энергии атома и геометрии опыта система уравнений для определения коэффициентов разложения волновой функции по невозмущенным состояниям, полученная в резонансном приближении, распадается на ряд подсистем и в матричной форме может .быть записана в виде'.
X = ¿X, (1)
где элементы матрицы Ь, порядок которой определяется числом уровней рассматриваемой системы, зависят от напряженностей полей, расстроек резонанса, частот переходов, матричных элементов электрического и магнитного дипольных моментов, постоянной спин-орбитального взаимодействия и вводимых феноменологически коэффициентов затухания для рассматриваемых состояний. При расчете элементов матрицы использована связь сил осцилляторов для рассматриваемых переходов с приведенными матричными элементами операторов электрического дипольного момента, формула для вероятности магнитодипольного перехода, спектроскопические данные для атомов (факторы Ланде, постоянные спин - орбитального взаимодействия, частоты переходов, значения сил осцилляторов).
Собственные значения матрицы Ь являются квазиэнергиями атома и находятся как корни уравнения
аеМЬ -а1)=0. (2)
Здесь I- единичная матрица.
Используя выражение для волновой функции решения системы, находим выражения для базисных функций атома, взаимодействующего в общем случае монохроматическими полями излучения и магнитным полем
Решение уравнения Шредингера запишем в виде
и общие волновых с двумя
«Фл . о:
1=1
где II - число базисных функций, а коэффициенты с[ зависят о-, начальных условий и режима включения взаимодействия.
При численном решении динамической квантово-механическо! задачи для атомов, взаимодействующих с двумя сильным! монохроматическими полями излучения и магнитным поле» проводятся построение и анализ зависимостей квазиэнерг^ системы от параметров (расстроек резонанса и интенсивносте{ полей излучения, напряженности 'магнитного поля). Эт! зависимости получены с помощью программы сортировки,
использующей одношаговый интерполяционный многочлен Ньютона.
Составленные программы позволяют с помощью проведения сортировки собственных чисел характеристической матрицы I построения графиков зависимости ■ квазиэнергий от параметро! определять наличие или отсутствие областей антипересечени{ квазиэнергий, что, в свою очередь, определяет дальнейший выбог расчетных формул для моделирования рассматриваемых эффектов.
2. Новые эффектыиновые закономерности вращения плоскости поляризации и кругового дихроизма.'
В третьей главе рассмотрены различные эффекты поворота плоскости поляризации линейно' или эллиптически поляризованногс на входе в среду излучения как в присутствии магнитного поля,так и без него для случаев однофотонного и двухфотонногс резонансов. Все возможные случаи допускают рассмотрение е рамках единого метода.
Для нахождения угла поворота плоскости поляризации
излучения используем известные укороченные уравнения:
-»
зг-с" "Л • (4)
где - амплитуда нелинейной поляризации на частоте и . Ее
рассчитываем как среднее квантово-механическое значение оператора электрического дипольного момента, умноженное на плотность атомов:
РК1-=Н<$|Н|$>, (5)
где Ф - собственная функция гамильтониана Н, включающего спин -орбитальное взаимодействие, взаимодействие с полями излучения и
магнитным полем.
В случае слабого пробного поля (отсутствия антипересечений в графиках зависимости квазиэнергий от расстройки резонанса пробного поля) получено выражение для угла поворота на единицу длины плоскости поляризации излучения на частоте ,
резонансной переходу 3(4)5 - 3(4)Р ,,ДЛЯ натрия (калия):
1/2 1/2(3/2)
* / /"э\ i/2 R R З6 2 R B6+-¿B6+—ÍB6 1 ,
1 U3J 1 2 ут 3 /2
(6)
где А - амплитуда вектор - потенциала поля излучения на частоте , А*, В* - нормированные компоненты собственных векторов L, и R2 - приведенные матричные элементы оператора электрического дипольного момента для переходов между состояниями 3(4)Si^,2, 3(4)Р1^г или 3(4)Рз^г для натрия (калия).
Мнимая часть р = Im$ определяет _ вращение плоскости поляризации, а действительная часть в — Re$ описывает круговой дихроизм. Показано, что вдали от резонанса эта формула сводится к полученной в работе [Арутюнян В.М., Папаз.ян Т.А.,Адонц Г.Г. и др. Резонансное вращение плоскости поляризации в парах калия // ЖЭТФ.-1975,- Т.68. -вып.1.-С.44-49 ].
В сильном пробном поле формула для расчета угла поворота плоскости поляризации пробного излучения изменится. В соответствии с тем, что волновые функции при адиабатическом режиме разные на различных участках значений расстройки резонанса пробного поля, разными будут и формулы для угла поворота плоскости поляризации. В зависимости от интерпретации квазиэнергий формула для угла поворота плоскости поляризации будет либо совпадать с формулой для случая слабого пробного поля, либо содержать часть ее членов.
При исследовании вращения плоскости поляризации и круговогс дихроизма различных типов при одно- и двухфотонном резонансе получены результаты, позволяющие провести апробаци« разработанной теории и Метода расчета, а так»«
установить" новые закономерности эффектов и обнаружить новые эффекты (рис.1-5).
Показано, что величина угла вращения плоскости поляризацт уменьшается с увеличением интенсивности излучения в согласии с ,экспериментом [ Мовсесян Й.Е., Дрампян Р.Х. Влияние интенсивности излучения на вращение плоскости поляризации £ магнитном поле // Доклады АН Арм. ССР.-1976.-Т . ЬХШ .-С. 91-951. 1г Зависимость <р(Н) в сильных полях имеет типичную форм^ сигналов пересечений и антипересечений атомных уровней. Ширина сигналов пересечения не зависит от.: теплового-движения атомов и, при небольших концентрациях 1С1013 см-3 - от столкновений, тс есть определяется только естественной шириной возбужденногс состояния [Показаньев В.Г.- , • .Скроцкий Г.В. Пересечение V антипересечение атомных уровней и их применение в . атомно® спектроскопии // УФН.-1972,- Т. 107. - вып. 4. - С. 623 - 656..]. Поэтому можно ожидать совпадения результатов возможных экспериментальных исследований р(Н) с приведенными зависимостями. 1
Заметим, что зависимость р (Н) на линейном участке может быть использована в магнитометрии для измерения напряженности магнитных полей, а зависимость,имеющая нелинейный характер -при создании оптических затворов, ^ентилей и модуляторов:; ' •
Проведено исследование вращения .плоскости поляризации при двухфотонном резонансе при наличии поля накачки на частоте , резонансной переходу 3(4)Р -5(б)Б - для натрия или
1/213/2) 1/2
калия. Расчет показал,что спектры симметричны для разных циркулярных поляризаций относительно горизонтальной оси при одинаковых расстройках резонанса' с^.Сильное поле накачки не только влияет на появление двухфотонного резонанса, но и меняет форму однофотонных резонансов (рис.2).'
Исследование вращения плоскости поляризации в сильном поле излучения циркулярной поляризации и магнитном поле показало,что в сильном поле излучения правой и левой круговых поляризаций и
0.15 e.i в.es
¡Р(РАЦ/СМ)
-1-r-
1-7
a)
9 (pAA/CM)
—"■■■ I Г" i i
[
-28 -te в ib га
-га -ib а ib га
i i.s nU
«la-3 (crcel
(CM-')
1.5
«i»-3 (cree)
Рис.1, а), б) - спектры ФВ и МКД в сильном поле излучения в области D-линий натрия.
а)1 ~105Вт/см2, Н=103Э. 6)1 ~104Вт/см2, Н=5*104Э.
L1 13 -3
Концентрация атомов N=10 см , интенсивность излучения на
частоте u I ~103Вт/емг, релаксационные константы для Р
L1 LÍ2-1 -1-1 подуровней "5'10 см , для Р_ "10 см
3/2
(эти значения приняты для всех рассмотренных примеров на, рис.1-4,6). в) Зависимость ФВ, МКД от вектор - потенциала поля излучения для калия в области -линии. N=3'101Зсм"1, длина кюветы 1=20см, расстройка резонанса е1=-21,5см-1, Н=8'103Э.
! _Л
< \ л
0
ЭВ 35 ЧИ 45
4—-У
Зв 35 40
«
(см~'>
Рис.2. Спектр вращения плоскости поляризации и кругового дихроизма пробного излучения в сильном поле накачки левой круговой поляризации и магнитном поле вблизи О^линии калия при большой расстройке сгдвухфотонног'о'резонанса (а,б) и малой (в).
а) I ~103Вт/см2, I ~109Вт/смг, е =20см-1, релаксационные
1*1 2 21 константы подуровней бЭ1/гсостояния -"5'10" см"
б)1 ~109Вт/см2, остальные значения параметров те же, что в а); 1.2 р
в)с=-36см"1, I =109Вт/смг. 2 1-гР
1.5 i
e .5 в
-в. 5 -1 -l.S
(cree) (cree)
Рис.3.-а) Зависимость ФВ и МКД от напряженности магнитного поля при однофотонном резонансе в натрии. I ~104Вт/смг,ci=14cm_1
б) Зависимость вращения плоскости поляризации и кругового дихроизма пробного излучения от расстройки резонанса поля накачки правой круговой поляризации. I ~103Вт/смг, I ~108Вт/смг, с --7СК'1,Н=0, релаксационные константы подуровней состояния - 5'10_2см*1 (для всех рассмотренных примеров) •
в) Зависимость вращения плоскости поляризации и кругового дихроизма пробного излучения от вектор - потенциала поля накачки, с =■-10см~1, с =-7,5см"1, Н=5'103Э.
2 I
УСгРАД)
1
; |
11А
' ; 1 1 —
4ев
-28 -10 в
-20 -16 в
|Н = 0
зи гв 18 в
-1В
—20 -30
а)
зи 20 10 8 -10 -20 £у -30
б (ГРАД)
! 1 И
и............
НМо'э
га -10 в
(см"';
1И гв
; Н-0
28 -10 В
^(РАД/СМ)
в (РАО. /см)
; 1
- • ■;-• : Аг-о; ........
-з
—I
—.....-
; ;
Ац=йКю~3сг<е
-
Рис.4. а) Спектр самоиндуцированного присутствии Л
■ю~3, Ы=1014см~3
самовращения плоскости поляризации и кругового дихроизма, в том числе, в магнитного поля в натрии для эллиптичности 1=20см;
б) Спектры вращения плоскости поляризации и кругового дихроизмг для натрия при одно- и двухфотонном резонансе (в
присутствии поля накачки линейной поляризации). М=1013см~3, Н=*1,5' 102Э , 1ь1~103Вт/см2 .
Л-1
(п-1)Ю'
2.5
2) -15 -И -5 в 5 18 15 21
Л)
5)
т
Рис.5.а) Зависимость показателя преломления от длины волны из [Зейликович И.С., Комар В.Н.Пулькин С.А. Изучение спектра показателя преломления атомов калия в резонансном световом поле // МЭТФ.-1986.-Т.91.-вып.5(11).-С.1585-1589. ] (вертикальные отрезки - эксперимент).
б) Рассчитанная нами зависимость показателя преломления от волны пробного излучения. Плотность мощности накачки
длины
I = 4,55'107 Вт/см2, Г, = 1 1-2 * Зейликович И.С. и др., ЖЭТФ.,1986),
I ~103Вт/см2.
и 1
8'1011с"1(данные из
26,5
статьи
сильном магнитном поле вблизи линий D или D при частоте
i г
сильного излучения uL2 вдали'от двухфотонного резонанса форма спектра меняется незначительно при изменении поляризации излучения. Изменения формы спектра при изменении напряженности магнитного поля в сильном магнитном поле являются типичными для эффекта Фарадея.
Следовательно,можно сделать вывод, что вращение в случае,когда частота поля накачки далека от двухфотонного резонанса, определяется ,в основном, сильным магнитным полем.
Если же частота поля накачки вблизи двухфотонного резонанса,то:
1)форма спектра в относительно слабом магнитном поле существенно изменяется при изменении поляризации поля накачки;
2)появляется двухфотонный резонанс дисперсионной формы;
3)форма однофотонного резонанса может изменяться. Полученные результаты находятся в соответствии с
экспериментами [Арутюнян и др. Исследование явления индуцированного поворота плоскости поляризации в условиях нестационарного взаимодействия // Резонансные взаимодействия излучения с веществом: Сб.научн.тр./ Ер. ГУ. - Ереван, 1985. -С.93-109 ].
Зависимость угла поворота плоскости поляризации пробного излучения от расстройки резонанса поля накачки, полученная в диссертации, показывает наличие асимметрии за счет двухфотонного резонанса в согласии с экспериментом_[ Liao Р.,F., Bjorklund G.С. Polarization rotation effects in atomic sodium vapor // Phys. Rev. A. - 1977. - Vol.15. - N 5,- P.2009-2018]. Зависимость <p ( Al2) аналогична приведенной в [ Kaftandjian V.P..Klein L. Two photon . magnetooptic effects // Phys.Lett.-1977.-Vol.62A.-N 5.-P.317-321 ]. Зависимость угла поворота плоскости поляризации пробного излучения от интенсивности поля накачки аналогична зависимости от напряженности магнитного поля в эффекте Фарадея. Этот результат отмечен и в вышеупомянутой работе (рис.3). Эта аналогия является проявлением принципа спектроскопической стабильности Гейзенберга.
Исследован эффект самовращения плоскости поляризации.
наблюденный в эксперименте [Bakhramov S.A., Berdiculov А.Т., Kokharov A.M., Tikhonenko V.V. Self-induced polarization rotation of a laser beam in a resonance media // Appl.
Phys.-1988. -Vol.B48.- P. 243-244] для излучения, обладающего слабой эллиптичностью на входе в среду. Результаты проведенных расчетов при соответственных значениях параметров согласуются с экспериментом. Исследование влияния магнитного поля на этот эффект показало, что для эллиптичности Д = 6'Ю-3 уже при значении Н = 102Э спектры практически не зависят от знака эллиптичности. Обнаружен также новый эффект, который заключается в том, что характер дисперсии угла поворота плоскости поляризации (р и самоиндуцированного кругового дихроизма 0 резко меняется при Н > 102 Э (рис.4а). Это свидетельствует об изменении механизма создания гиротропии в среде при наличии магнитного поля.
При теоретическом исследовании эффектов вращения плоскости поляризации при двухфотонном резонансе нами также обнаружен до сих пор неизвестный эффект. Он заключается в увеличении угла вращения плоскости поляризации пробного излучения в магнитном поле в присутствии поля накачки линейной поляризации, резонансного смежному переходу. Известно, что поле накачки линейной поляризации, распространяющееся параллельно пробному полю, не меняет гиротропных свойств среды и не может вызвать поворот плоскости поляризации пробного излучения. Эффект можно объяснить тем, что наличие сильного поля накачки линейной поляризации хотя и не приводит к расщеплению уровней, приводит к их сдвигу и изменению населенностей, зависящим от расстройки резонанса. В магнитном . поле из-за снятия вырождения по m расстройки резонанса для + m подуровней становятся разными, что приведет к разным населенностям за счет сильного поля излучения и, следовательно, к возникновению дополнительной
намагниченности (рис.46).
Достоверность разработанного метода компьютерного моделирования подтверждается не только качественным, но и количественным совпадением результатов с экспериментом и расчетами других авторов (рис.5а,56).
С; (оти. ел.)
Л i
1 \ Н-Ю59
/
....... /
8.1
В .ВО 8.06 ^В.В4 В.В2
А .................(;...
......д
.............<1
!\
/ N___
и
1н га -га -1в в 1в гв
Ац-О Н=5ЧО*э
5)
а.э е. 25
е.г
В. 15 В.1
е.вэ в
а.2
в. 15 в.1 е. 05
-гв -1в
|
■ ц, , 1 [ А
-гв -1в
Ю~2сгсб, £г = -Ю СМ~1
18 гв с/
гслт';
Н=510* Э
Рис.6. а) Зависимость сечений РКР при однофотонном резонансе в таллии от расстройки резонанса е и напряженности магнитного поля Н, I ~107Вт/см2.
б) Спектры возбуждения РКР в натрии при двухфотонном резонансе. Интенсивность падающего излучения I ~105Вт/.см2.
3. Изменение характеристик эффекта резонансной флуоресценции в магнитном поле и сильных полях излучения.
В четвертой главе исследуется влияние магнитного поля на спектр резонансной флуоресценции. Невозмущенный гамильтониан включает гамильтониан свободного атома, спин-орбитальное взаимодействие, взаимодействие с монохроматическим полем излучения и внешним магнитным полем. Гамильтониан взаимодействия включает взаимодействие атома с бесструктурной частицей. Для элементов матрицы рассеяния в приближении, когда частица В не вызывает переходов между состояниями свободного атома, получена система уравнений для многоуровневого атома: п п . =Т Б с'с е1'А111 У А'*А" IV I* >. (?)
1 Ц к 1 к ¿11 11 АВ1 1
1 =п>
|с=п>
В (7) значения индексов к, 1, определяющих магнитные подуровни
атома, связанные излучением, зависят от поляризации излучения.
Коэффициенты с , с , А1 , Ак определяют собственные функции 1 к 1 1
невозмущенного гамильтониана, ¡¡I - волновые функции свободного атома
Эта система решается аналитически для случая двухуровневого атома, который можно рассматривать, используя, например, циркулярно поляризованное излучение. В квазистатическом пределе, когда ДА >> Р - обратного времени столкновений, нами получено решение системы уравнений для матрицы рассеяния. Используя формулы для интенсивностей и ширин линий триплета флуоресценции из работы [ Бакаев Д.С., Вдовин Ю.А., Ермаченко В.М., Яковленко С.И. Оптические столкновения и спектр атома в сильном резонансном поле//ЖЭТФ,- 1982,- Т.83.- С.1297-1309] проведены оценки интенсивностей и ширин компонент триплета резонансной флуоресценции в магнитном поле. Из приведенных оценок следует, что форму линий триплета флуоресценции можно изменять, меняя величину напряженности магнитного поля при заданном наборе параметров.
В случае многоуровневой системы проведен расчет спектров возбуждения к частот мультиплета резонансной флуоресценции в сильных полях излучения, в том числе, в магнитном поле. Рассмотрены случаи Е - и Д - систем т-выроаденных в отсутствие
взаимодействий уровней: 3(4)Б -3(4)Р -5(6)3 для
1/2 1/2(3/2) 1/2
щелочных атомов (натрия, калия) и 6Р - 6Р - 7Б уровней
1/2 3/2 1/2
для атомов таллия.
Интенсивность испускаемого в процессе резонансной флуоресценции излучения на частоте пропорциональна
вероятности перехода
- Я ~ |)<*"х|Зв?|* »«И;!8, (8)
о
где Ф = Ф |пз>, *11= Ф 1п3+1>- Ид* " собственная функция гамильтониана свободного поля излучения, пз - число фотонов испускаемого излучения, Ф - собственная функция гамильтониана Н, включающего в общем случае спин - орбитальное взаимодействие, взаимодействие с полями излучения и магнитным полем (3).
Собственная функция Н без учета взаимодействия с полем рассеянного излучения, которое считается слабым, ищется в виде разложения по состояниям невозмущенного атома. Система уравнений для коэффициентов этого разложения определяет вид матрицы Ь.
Рассмотрены следующие геометрии опытов:
1) для щелочного атома е х Н, е хН, к II к II Н;
^ 1-1 ь2 ^ Ы 1.2 н
2) для атомов таллия Н= {0,0,Н}, А1_1= А {0,зз.П(р,со8у1, А^г= А2{0,з1п(Р,соз(р] ,
где <р - угол между направлением магнитного поля и единичными векторами поляризации , ^ для линейно поляризованных на
входе в среду двух волн, распространяющихся перпендикулярно Н,
к й к х Н. е, 1 е . ь 1 - ^ \.г и 11 ¡.г
Матрицы Ь для этих случаев имеют 10-й и 8-й порядок соответственно.
При вычислении вероятности перехода появляется б — функция, определяющая значения частот мультиплета резонансной флуоресценции.
Расчет относительных вероятностей для процесса резонансной флуоресценции показал, что согласно правилам отбора возможно появление 90 компонент мультиплета резонансной флуоресценции в
случае рассмотренной системы уровней и геометрии опыта для щелочного атома. В случае рассмотренного примера атомов таллия и указанной выше геометрии опыта для этих атомов возможно появление 32 компонент. Не все из разрешенных правилами отбора
компоненты имеют заметные относительные интенсивности, поэтому реальные спектры будут содержать намного меньше компонент. Наши расчеты показали, что для фиксированной частоты возбуждающего излучения относительные интенсивности для различных компонент могут отличаться на несколько порядков. Относительные интенсивности компонент мультиплета резонансной флуоресценции зависят от параметров рассматриваемой системы (атом в магнитном поле + два сильных поля излучения), и для фиксированных параметров сильно зависят от начальной заселенности.
Для щелочных атомов в случае рассмотренной геометрии 10 эллиптически поляризованных и 8 линейно поляризованных компонент имеют несмещенную частоту рассеянного излучения резонансную переходу ~ 3(4)Р1 (з ) . Смещенные
компоненты имеют частоты и> - ДЛ где ДХ - разности
Ы 1 к 1 к ^
квазиэнергий взаимодействующих состояний.
Расчеты для атомов таллия показывают, что 4 компоненты из 32 для рассматриваемой системы уровней и геометрии опыта имеют несмещенную частоту рассеянного излучения , резонансную
переходу 6Р1/2 - 731/2- Смещенные компоненты имеют частоты
ы — ДА Ь2 1 к
Построенная теория и разработанный метод компьютерного моделирования позволяют исследовать зависимость относительных интенсивностей компонент мультиплета резонансной флуоресценции от расстроек резонанса, интенсивностей и поляризаций полей накачки, ориентации и напряженности внешнего магнитного поля для различных схем атомных уровней для реальных многоуровневых атомов.
4. Изменение характеристик резонансного комбинационного рассеяния (РКР) в сильных полях излучения и магнитном поле.
В пятой главе исследовано влияние магнитного поля на характеристики процесса КР в атомах в магнитном поле. Ранее нами были получены новые правила отбора для процесса КР, в
том числе, в атомах в магнитном поле и проведены расчеты и оценки коэффициента усиления ВНР в атомах ртути [1-8].
В сильных полях излучения и магнитном поле в результат« перемешивания атомных состояний в спектре комбинационногс рассеяния происходят существенные изменения.
Интенсивность ' спонтанного к? определяется известно1 формулой:
11г=(4о* /Зс3)|К1Г|2, (9)
где и>з~частота испускаемого света, матричный элемент
переходного дипольного момента.
Вид волновых функций состояний, участвующих в процессе К?, зависит от состояния системы: интенсивности поля излучения, наличия начального возбуждения определенного подуровня (есл! учесть возможность присутствия радиочастотного поля ил! оптической накачки),и т.д.
Проведен расчет спектров возбуждения для процессг антистоксового рассеяния с переходом 6Р I
таллии, при этом частота излучения лежит в УФ области. Так ка! в рассматриваемом случае интервал тонкого расщеплени? составляет ~ 7000 см"1, спин - орбитальное взаимодействие включено в невозмущенный гамильтониан. Взаимодействие ■ с
магнитным полем Н и двумя монохроматическими полями на частота? падающего и рассеянного излучения включено в гамильтониа* взаимодействия. Собственная функция гамильтониана без учетг поля излучения на частоте рассеянного излучения находится бег применения теории возмущений, а взаимодействие с этим полек учитывается по теории возмущений.
Рассматриваем случай, когда Н= {0,0,Н}, А{0,г1Пр,СО8у>}, где <р - угол между направлением магнитного поля и единичнык вектором поляризации {^линейно поляризованного на входе в среду
излучения, распространяющегося перпендикулярно Н .
Учет слабого поля рассеянного излучения в первом порядке теории возмущений и правил отбора для матричных элементов векторов позволяет получить выражения для сечений РКР прр мгновенном режиме включения взаимодействия. Для перехода 'не подуровень гп = +1/2 состояния 6Р возможны правоциркулярная I
линейная поляризации рассеянного излучения. Сечения для соответствующих частот антистоксового излучения правой поляризации пропорциональны величинам:
^ ~ |(l/2)ciA> <P1/2|HJf_1/2>|2. (Ю)
где для значений j от 1 до 4 индексы 1 принимают значения 1 = 1, 2, 3, 5 соответственно, а частоты определяются выражениями и = и + и +А , (11)
SJL1317'
при этом к | Н.
Для линейной поляризации kgi Н и сечения пропорциональны
величинам:
с ~ 1С А1 <<р IR If >12, (12)
J. ' 1 & М/21 О1 1/2 1 '
а частоты определяются выражениями (11), где для значений j от
5 до 8 индексы 1 принимают значения 1 =2, 3, 4, б соответственно. Здесь |f >, \<р > - невозмущенные состояния атома с энергиями Ег, Е .
При учете правил отбора для матричных элементов векторов получено, что в спектре КР в таллии с переходом 6Рз/г~» 6Р (+1/2) возможно появление четырех компонент рассеянного излучения правой поляризации, распространяющегося параллельно Й с частотами, отличающимися на величины Xi (i=l,2,3,5), и четырех компонент рассеянного излучения линейной поляризации, распространяющегося перпендикулярно Й с частотами, отличающимися на величины (i=2,3,4,6).
Для перехода 6Р 6Р (-1/2) в спектре КР возможно
появление четырех компонент рассеянного излучения левой поляризации, распространяющегося перпендикулярно Й с частотами, отличающимися на величины (i=2,3,4,6), и четырех компонент рассеянного излучения линейной поляризации, распространяющегося параллельно Й с частотами, отличающимися на величины Л{ (i=l,2,3,5).
Число линий и их интенсивности в спектрах РКР зависят от частоты, интенсивности, поляризации возбуждающего излучения, напряженности и ориентации магнитного поля.
Результаты расчета зависимости сечений сг от с для различных значений Й, Й и к = cos <р приведены на рис.6а,
Рассмотрен также процесс резонансного комбинационного рассеяния с переходом ^^(-1/2) Б1/2(1/2) между магнитными подуровнями щелочного атома в магнитном поле и сильном поле излучения, резонансном смежному переходу ЗР - 5Б в N3 (4Р -
при линейной
6Э в К). Так как для перехода ЗБ -ЗБ
-» 1/2
поляризации поля излучения А согласно
линейной
правилам отбора
возможен только случаи
поляризации
рассеянного
излучения на стоксовой частоте, причем к5 х Н, кз 1 к^, в общем случае двухфотонного резонанса спектр РКР состоит из 16 компонент различной интенсивности, сечения для которых определены выражениями:
~ КМ^В^ПА^+АЧу2, 1=1-4,
12|в;|г|А^1+А^2|2, к-9-12,
(13)
^ ~ \^5г\КГ\аА+КК\ ' 1=13-16.
Результаты расчета спектров возбуждения РКР в мгновенном режиме включения взаимодействия в случае двухфотонного резонанса приведены на рис.66.
Увеличение числа линий в спектрах возбуждения РКР в сильных полях падающего излучения объясняется тем, что происходит взаимодействие состояний, приводящее к заселенности возбужденных уровней. Наличие поля накачки, резонансного смежному переходу, приводит к дополнительной заселенности взаимодействующих подуровней и, следовательно, к появлению новых интенсивных линий в спектре возбуждения. Сильное магнитное поле сдвигает магнитные подуровни, тем самым нарушая условия резонанса, при которых происходит эффективная передача населенности, что приводит к уменьшению числа линий в спектре возбуждения.
Резонансы в графиках зависимости сечений КР от параметров наблюдаются в точках пересечений или антипересечений состояний, связанных сильным полем, поэтому исследование графиков квазиэнергий позволяет делать предварительные заключения о форме спектра. Полученные формулы и программы позволяют рассчитать число линий и их частоты, исследовать зависимость
сечения КР от параметров и изменения в спектрах при изменении параметров.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Полученная совокупность результатов исследования, включающая новые физические эффекты при взаимодействии сильных полей излучения и магнитного поля с многоуровневыми атомами, новые закономерности в поведении характеристик аффектов при таком взаимодействии, новые рекомендации по практическому применению новых эффектов и новых закономерностей свидетельствует о том, что итогом работы является крупное достижение в развитии научного направления на стыке атомной физики и нелинейной спектроскопии, связанного с исследованием взаимодействия реальных многоуровневых атомов с магнитным полем и сильными полями излучения в условиях динамического эффекта Штарка.
В диссертационной работе показано, как интенсивности полей излучения, расстройки резонанса, напряженность и ориентация магнитного поля влияют на характеристики эффектов вращения плоскости поляризации и кругового дихроизма для пробного излучения, линейно или эллиптически поляризованного на входе в среду - атомарный газ, эффектов резонансной флуоресценции и резонансного комбинационного рассеяния в случае однофотонного и двухфотонного резонанса.
Все основные защищаемые научные положения обоснованы и подтверждены путем сравнения результатов проведенных расчетов с результатами известных из литературных источников экспериментов и результатами расчетов других авторов.
Более детально основные результаты работы можно сформулировать следующим образом.
Получены формулы и программы расчета - характеристик эффектов вращения плоскости поляризации и кругового дихроизма различных типов, резонансной флуоресценции, резонансного комбинационного рассеяния для многоуровневых атомов в магнитном поле и одном или двух монохроматических полях излучения, основанные на разработанном методе численного расчета
характеристик нелинейных резонансных магнитооптических эффектов. В рамках метода проводится анализ зависимостей квазиэнергий от параметров задачи, полученных на основании расчетов по составленным программам. Этот анализ позволяет определить значения интенсивностей излучения пробного поля и поля накачки, напряженности магнитного поля, расстроек резонанса, при которых происходит перемешивание состояний системы, и, следовательно, выбрать правильный алгоритм решения задач расчета характеристик различных нелинейных резонансных МО эффектов. На основе полученных формул и программ:
1) установлена форма спектров магнитооптического вращения, магнитного кругового дихроизма, исследована зависимость угла вращения плоскости поляризации и кругового дихроизма от напряженности магнитного поля и интенсивности поля излучения при однофотонном резонансе и проведено сравнение с имеющимися экспериментами для щелочных атомов;
2) установлена форма спектров вращения плоскости поляризации пробного излучения и кругового дихроизма при двухфотонном резонансе, в том числе в магнитном поле в щелочных атомах, получены зависимости угла поворота плоскости поляризации • и кругового дихроизма от напряженности магнитного поля, интенсивности и расстройки резонанса поля накачки и проведено сравнение с экспериментом;
3) установлена форма спектров самовращения, согласующаяся с экспериментом, и самоиндуцированного кругового дихроизма для калия, натрия и исследовано влияние магнитного поля на спектры;
4) с целью обоснования достоверности используемых теоретических положений и метода компьютерного моделирования проведен расчет дисперсии показателя преломления атомов калия вблизи X) — линии в сильном квазирезонансном поле излучения лазера на рубине и слабом зондирующем излучении лазера на красителе, действующих на смежных переходах, показавший согласие полученных нами и экспериментальных результатов;
5) получено уравнение для элементов матрицы рассеяния для щелочного атома. Для двухуровневой системы аналитически рассчитаны элементы матрицы рассеяния и относительные
интенсивности и ширины триплета резонансной флуоресценции. Впервые показано, что сильное магнитное поле изменяет форму спектра резонансной флуоресценции;
6) впервые проведен расчет спектра возбуждения и частот мультиплета резонансной флуоресценции для многоуровневых
атомов в сильных полях излучения и магнитном поле;
7) впервые проведен расчет основных характеристик спектров резонансного комбинационного рассеяния в сильных полях излучения и магнитном поле на примере щелочных атомов и таллия и исследовано влияние на эти характеристики магнитного поля и поля излучения, резонансного смежному переходу.
В результате проведенного теоретического исследования взаимодействия сильных полей лазерного излучения с атомами в магнитном поле обнаружены новые эффекты;
1) Увеличение угла вращения плоскости поляризации пробного излучения в магнитном поле при наличии поля накачки линейной поляризации, резонансного смежному переходу. Этот эффект можно объяснить тем, что наличие поля накачки линейной поляризации хотя и не приводит к расщеплению уровней,.приводит к их сдвигу и изменению населенностей, зависящим от расстройки резонанса. В магнитном поле из-за снятия вырождения по т расстройки резонанса для ^ го подуровней становятся разными, что приводит к разным населенностям за счет сильного поля излучения и, следовательно, к возникновению дополнительной намагниченности.
2) Изменение формы спектра самовращения, выражающееся в том, что характеры зависимостей от расстройки резонанса угла поворота плоскости поляризации (дисперсионная форма спектра <р (с)) и кругового дихроизма (резонансная форма спектра 6 (с)) под влиянием относительно слабого магнитного поля меняются местами..Это свидетельствует об изменении механизма создания гиротропии в среде при наличии магнитного поля.
3) Изменение интенсивностей и ширин линий триплета резонансной флуоресценции для двухуровневой атомной системы за счет влияния магнитного поля на элементы матрицы рассеяния к, следовательно, на релаксационные характеристики системы.
4) Изменение числа линий, их положения и относительных
интенсивностей в спектрах возбуждения резонансной флуоресценции для многоуровневой системы в зависимости от интенсивностей полей излучения и напряженности и ориентации магнитного поля. 5) Изменение числа линий, их положения и относительных-интенсивностей в спектрах возбуждения резонансного комбинационного рассеяния в магнитном поле и в сильном поле накачки, резонансном смежному переходу (при его наличии) в зависимости от режима включения взаимодействия, от интенсивности пробного поля, напряженности магнитного поля и интенсивности, поляризации и расстройки резонанса поля накачки.
Результаты исследования позволили сделать следующие выводы.
1.Форма спектра фарадеевского вращения в магнитном поле и сильном поле излучения зависит не только от напряженности магнитного поля, но и от интенсивности излучения, отражая изменения электронной структуры' атома в сильном поле излучения. Сточки зрения практического применения представляет особый интерес наличие при определенном наборе параметров "черной линии" в спектре фарадеевского вращения. Этот результат может-быть рекомендован для использования в фазово - поляризационном методе селекции частот генерации лазера, новым элементом которого является устранение необходимости нерезонан'сного фарадеевского вращателя.
2.Зависимость угла фарадеевского вращения от напряженности магнитного поля носит линейный характер в отсутствии пересечений и антипересечений квазиэнергий состояний, участвующих в переходе, и нелинейный (дисперсионный) при их наличии. Количество и положение таких пересечений и антипересечений зависят от интенсивности поля излучения, расстройки резонанса и напряженности магнитного поля. Линейный характер зависимости фарадеевского вращения от напряженности магнитного поля рекомендуется к использованию в методиках контроля магнитных полей, а нелинейный - при разработке новых принципов работы оптических затворов и модуляторов. З.Угол фарадеевского вращения с ростом интенсивности излучения уменьшается вследствие динамического эффекта Штарка, что
является источником систематических погрешностей при измерениях спектроскопических параметров с использованием эффекта Фарадея. 4.Основные черты спектров вращения плоскости поляризации при двухфотонном резонансе зависят от расстройки резонанса поля
накачки. Вращение в случае, когда частота поля накачки далека от двухфотонного резонанса, определяется, в основном, сильным магнитным полем. Если не частота поля накачки вблизи
двухфотонного резонанса, то:
а)форма спектра в относительно слабом магнитном поле существенно изменяется при изменении поляризации поля накачки;
б)появляется двухфотонный резонанс дисперсионной формы;
в)форма однофотонного резонанса может изменяться. Полученные результаты расчетов дисперсии эффекта Фарадея
рекомендуются к использованию в фазово - поляризационном методе
селекции частот для целей расширения диапазона возможных частот генерации.
5 Проведенные расчеты позволяют понять экспериментальные результаты исследования эффектов вращения плоскости поляризации, например, асимметрия кривой зависимости угла вращения плоскости поляризации пробного излучения от расстройки резонанса поля накачки легко объясняется наличием двухфотонного резонанса.
6.Результаты расчетов позволяют продемонстрировать проявление фундаментального принципа спектроскопической стабильности Гейзенберга в том, что зависимость угла вращения плоскости поляризации пробного излучения от интенсивности излучения накачки циркулярной поляризации при больших значениях интенсивности аналогична зависимости от магнитного поля, носящей дисперсионный характер в сильном магнитном поле. 7.Число линий в спектрах возбуждения резонансной флуоресценции и резонансного комбинационного рассеяния в сильных полях падающего излучения увеличивается вследствие того, что происходит взаимодействие состояний, приводящее к заселенности возбужденных уровней. Наличие поля накачки, резонансного смежному переходу, приводит к дополнительной заселенности взаимодействующих подуровней и, следовательно, к появлению новых интенсивных линий в спектрах возбуждения. Сильное
магнитное поле сдвигает магнитные подуровни, тем самым нарушая условия резонанса, при которых происходит эффективная передача населенности, что приводит к уменьшению числа линий в спектрах возбуждения. Следовательно, изучение спектров возбуждения РФ и РКР в сильных полях излучения и магнитном поле может служить методом детектирования изменений электронной структуры атомов в сильных полях излучения и магнитном поле.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЙАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ
1. Иевлева Л.Д., Карагодова Т.Н. Свойства симметрии тензора гиперполяризуемости четвертого ранга и некоторые его применения //Оптика и спектроскопия. - 1967. - Т.23. - вып.6. - С.991-992.
2. Иевлева Л.Д., Карагодова Т.Н., Ковнер М.А. Свойства симметрии ,. тензора гиперполяризуемости четвертого ранга и обращенное вынужденное комбинационное рассеяние // Известия ВУЗов, сер. физика. -1970. - Т.9. - С.155-158.
3.Карагодова Т.Я. Теория эффекта -Зеемана в магнитном поле световой волны и ее применение к вынужденному комбинационному рассеянию на атомных ' уровнях // Аннотации докладов, представленных на V Всесоюзную конференцию по нелинейной оптике (Кишинев,10-15 ноября 1970г.).-М.-Изд-во МГУ.-1970.-С.14 -15.
4.Ковнер М.А., Карагодова Т.Я., Иевлева Л.Д. Расчет восприимчивости вынужденного комбинационного рассеяния на зеемановских подуровнях атомов в постоянном магнитном поле// Тезисы докладов на XVII Всесоюзном съезде по спектроскопии "Лазерная спектроскопия и спектроскопия твердого тела" (г.Минск, 5-9 июля 1971 г.).-Минск.-1971.-С.26.
5.Иевлева-Л.Д., Карагодова Т.Я., Ковнер М.А. Эффект Зеемана и электронное вынужденное комбинационное рассеяние// ЖЭТФ,- 1972. - Т.62. - N5.- С. 1681-1685.
6.Ковнер М.А., Иевлева Л.Д., Карагодова Т.Я. Вынужденное комбинационное рассеяние в сильном световом и постоянном магнитном поле// Тезисы докладов на VI Всесоюзной конференции по нелинейной оптике ' (Минск, 27 июня- 1июля 1972 г.).-Минск.-1972.-С.196.
7. Иевлева Л.Д., Карагодова Т.Я., Ковнер М.А. Вынужденное комбинационное рассеяние на магнитных подуровнях атомов// Нелинейные процессы в оптике: Труды II Вавиловской конф. по нелинейной оптике, Новосибирск, 1972 г. /Новосибирск. - 1972.-
С. 246-249.
8. Иевлева Л.Д., Карагодова Т.Я., Ковнер М.Д. Вынужденное комбинационное рассеяние на магнитных подуровнях атомов// Опт. и спектр,- 1972,- Т.33,- N2.- С.367-369.
9. Карагодова Т. Я. Явления Фарадея, естественной и
индуцированной оптической активности и Коттон -Мутона// Некоторые вопросы нелинейной оптики, теоретической
спектроскопии и квантовой химии: Сб. статей / Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1972. - С.5-25.
10. Карагодова Т.Я. О перестройке частоты ВКР в постоянном магнитном поле // Аннотация депонированной в ВИНИТИ статьи/ ЖПС,- 1973. - Т.XVIII. - вып.б. - С.1083.
11. Иевлева Л.Д..Карагодова Т.Я., Свердлов Л.М. Вынужденное комбинационное рассеяние на атомах в скрещенных. магнитных и световых полях // Сб. "Нелинейные процессы в оптике" /Новосибирск. - 1973,- вып. 3.-С.253-259.
12. Карагодова Т.Я., Потапов С.К. Расчет вероятности резонансного процесса ВКР на магнитных подуровнях атома в постоянном магнитном поле // Сб. "Исследования по нелинейной оптике и спектроскопии".Саратов:Изд-во Сарат.ун-та,1973.-С.3-6 .
13. Карагодова Т.Я., Ковнер М.А. 0 влиянии динамического эффекта Штарка на параметры ВКР в постоянном магнитном поле //Сб. "Исследования по нелинейной оптике и спектроскопии"/ Саратов: Изд-во Сарат.ун-та, 1975.- вып.2.-С.3-9.
14.Карагодова Т.Я., Карагодов А.И. Расчет влияния постоянного магнитного поля на характеристики ВЭКР в парах калия // Сб. "Вынужденное комбинационное рассеяние света".-Киев,- 1975,- С.89.
15.Карагодова Т.Я., Карагодов А.И. Влияние сильного поля излучения и постоянного магнитного поля на структуру электронных оболочек атомов // "Современное состояние теории атомов и молекул" (Тезисы докладов конференции по теории атомов и молекул.Часть I.) -Вильнюс.- 1979,- С.78.
16. Карагодова Т.Я., Карагодов А.И. Расчет смещения линии ВКР в постоянном магнитном поле для трехуровневого атома // СО. "Нелинейная оптика" ( Труды 7-ой Вавиловской конференции )/ Новосибирск. - 1982. - С.238-243.
17. Карагодова Т.Я., Карагодов А.И. Расчет сдвигов магнитных подуровней атомов калия в постоянном магнитном поле и электрическом поле лазерного излучения различной поляризации
//Оптика и спектроскопия.- 1982. Т.53,-вып.2,- С.206-210.
18.Суркин Р.И., Бахрах В.Л., Иевлева Л.Д. , Карагодова Т.Я., Свердлов JI.M. Определение сечения комбинационного рассеяния окиси углерода при возбуждении в ультрафиолетовой области // Аннотация депонированной в ВИНИТИ статьи/Журнал прикладной спектроскопии.-1983.-Т.XXXVIII.-вып.3.-С.516.
19. Карагодова Т.Я., Карагодов А.И. Исследования влияния постоянного магнитного поля на оптические столкновения атомов в сильном резонансном электромагнитном поле // Тезисы докладов на 9-й ВКАЭС. -1984.-С. 92. ''
20. Карагодова Т.Я. Влияние постоянного магнитного поля на релаксационные характеристики атома в резонансном поле
излучения // Опт; и спектр.-1986.- Т.61, вып. 3. С.457-460.
21. Карагодова Т.Я. Влияние магнитного поля на спектр резонансной флуоресценции. //Тезисы доклада на XX Всес.съезде по спектр. ч.1./Киев, 1988.- С.130.
22. . Карагодова Т.Я.Влияние магнитного поля на спектр резонансной флуоресценции // Оптика и спектр. - 1990. - Т.68. -вып.3.- С. 593-596.
23. Карагодова Т.Я.,Макаров В.А..Карагодов А.И. Расчет эффекта Фарадея в сильных полях излучения// Опт.и спектр.-1990.-Т.69.-вып.2.-С.389-392.
24. Карагодова Т.Я., Захаров А.А, Колпаков A.B. Расчет спектров Фарадеевского вращения в атомах в сильных полях лазерного излучения// Изв. РАН, серия физическая.- 1992.-Т.56С.209-214.
25. Карагодова Т.Я., Захаров A.A., Колпаков A.B. Дисперсия эффекта Фарадея при двухфотонном резонансе// Опт. и спектр.-1993. Т.74. -вып.6. - С.1137-1142.
26.Karagodova Т.Ya.Calculation of resonant polarization plane rotation effects in alcaline atoms using quasienergetic states treatment// SPIE. Proceedings on CSNO'93 International Workshop, 27 June-4 July 1993, Moscow - Nizhny Novgorod.-1994. -V.2098. -P.79-85.
27. Карагодова Т.Я. Компьютерное моделирование резонансных магнитооптических эффектов для щелочных атомов в сильных полях излучения // Тезисы доклада на Четвертом Семинаре по атомной спектроскопии 14-16 декабря 1993 г.М. - 1993. - С.20.
28. Карагодова Т.Я.Численное исследование резонансного эффекта Фарадея в щелочных атомах в бихроматическом поле //
Язв. РАН, сер.физическая. - 1994. - Т.58. - N 8. - С.180 - 184.
29. Карагодова Т.Я. Компьютерное моделирование резонансных эффектов вращения плоскости поляризации для щелочных атомов в сильных полях излучения //Опт.и спектр. - 1994,- т.77-. - N 4.-
С.664-667.
30. Karagodova Т.Y.Numerical investigation of resonance Raman spectra for alcaline atoms in the constant magnetic field // Proceedings of the XIV International conference on Raman spectroscopy, Hong-Kong, August 22-26, 1994. Additional Volume. - 1994. - P. A-69.
31. Карагодова Т.Я., Захаров А.А., Колпаков А.Б. Оптические методы в измерениях параметров магнитных систем ЗВП СВЧ // Тезисы доклада на Международной научно - технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (4-7 октября 1994 г.,Саратов).-С.137.
32. Карагодова Т.Н., Захаров А.А., Колпаков А. В. Исследование и разработка методик измерений магнитных полей сложной топографии на основе нелинейных резонансных магнитооптических эффектов // Научно - исследовательские разработки и высокие технологии двойного применения. Часть 2. Материалы 1-й Поволжской научно - технической конференции (21 -23 февраля 1995 г.). Самара. - 1995.- С.27 -28.
33. Карагодова Т.Я. Применение метода квазиэнергий к исследованию новых нелинейных магнитооптических эффектов в сильных полях излучения // Тезисы доклада на XXI съезде по спектроскопии (2-6 октября 1995 г.). Звенигород, Моск. обл. -1995. - С.227.
34. Karagodova Т.У. Computer simulations on resonant fluorescence spectra in atomic gases in two monochromatic laser fields of arbitrary intensity and magnetic field // T°chn. Abstract Digest BiOS'96 (An Int. Symp. on Biomedical Optics, 27 January -2 February 1996, San Jose, California USA).-P.142.
35. Karagodova T.Ya. Displaying of modifications of electronic structure of atoms due to intense radiation fields and external magnetic field at the resonant fluorescence spectra // Europhysics Conference Abstracts (28 EGAS Conference, Graz, 16-19 July 1996). - P.171.
36. Karagodova T.Y. The theory and simulations of the influence of the external magnetic field on the characteristics of nonlinear resonant magnetooptical effects
for atomic gases // Abstracts of Contributed P.apers. 15th International Conference on Atomic Physics ¿eeman Effect Centenary ( 15th ZICAP, Amsterdam, 5-9 August ,1996). R. TuE6.
37. Карагодова Т.Я., Захаров А.А. Применение нелинейных резонансных магнитооптических эффектов для ' амплитудной модуляции света // Актуальные проблемы электронного приборостроения (Тезисы доклада на международной научно -технической конференции, Саратов, 10-12 сентября 1996 г.). Саратов. -1996.- С.6-7.
38.Карагодова Т.Я. Расчет сечений резонансного комбинационного рассеяния в атомах в сильных полях излучения и магнитном поле //Опт.и спектр.- 1996. - Т.81.- N 1. - С.12-16.
39.Karagodova Т.У. Computer simulations on resonant fluorescence spectra in atomic gases in two monochromatic laser fields of arbitrary intensity and ' magnetic field // SPIE Proc. Fluorescence Detection IV, PW'96.- 1996.- V.-2705.-P.53-62.
40.Karagodova T.Y. Calculation of nonlinear resonant Raman effect cross-sections in intense laser and magnetic fields // SPIE Proc. Nonlinear Frequency Generation and Conversion, PW'96.- 1996.- V.-2700.- P.498-507.
КАРАГОДОВА Тамара Яковлевна
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МНОГОУРОВНЕВЫХ АТОМОВ В СИЛЬНОМ ЛАЗЕРНОМ ПОЛЕ С ВНЕШНИМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ Автореферат
Ответственный за выпуск к.ф.-м.н. О.М.Паршков Корректор О.А.Панина
Лицензия ЛР № 020271 от 15.11.96
Подписано в печать ' 26.12.96 Формат 60x84 1/16
Бум. оберт. Усл.-печ.л. 2.0 Уч.-изд.л. 2.0
Тираж 100 экз. Заказ 348 Бесплатно
Саратовский государственный технический университет 410054 г.Саратов, ул. Политехническая, 77 Ротапринт СГТУ, 410054 г.Саратов, ул. Политехническая, 77
