Содержание к диссертации
Введение 4
1 Полупроводниковые лазеры и их применение в атомной спектроско
пии 17
Введение 17
Спектральные свойства полупроводниковых лазеров 18
Установка для исследования спектра генерации полупроводниковых лазеров 19
Исследование стабильности частоты генерации полупроводниковых лазеров 25
Флуктуации частоты полупроводниковых лазеров в режиме свободной генерации 27
Внешний резонатор полупроводникового лазера 31
Выводы 36
2 Эффект выстраивания в спектроскопии рубидия 38
Введение 38
2.1 Теоретическая модель для эффектов ориентации и выстраивания .... 40
Ориентация 40
Выстраивание 43
Экспериментальная установка 44
Результаты экспериментов ' 48
Выводы 60
3 Нелинейный интерференционный эффект: когерентное пленение насе
ленности и электромагнитно индуцированная прозрачность 62
Введение 62
Основные эксперименты и области применения нелинейных интерференционных эффектов 65
Теоретические модели процессов интерференции для эффектов КПН и ЭИП 69
Схема экспериментальной установки 80
Экспериментальные результаты 82
3.4.1 Невырожденная схема переходов 82
/
3.4.2 Квазивырожденная схема переходов 86
3.5 Нелинейные интерференционные резонансы ЭИП в четырехуровневой спек
троскопии рубидия 93
Выводы 99
4 Поляризационные резонансы при спонтанном переносе анизотропии 101
Введение 101
Экспериментальная установка 103
Результаты эксперимента и обсуждение 108
Выводы 114
5 Микроволновая спектроскопия холодных атомов рубидия 115
Введение 115
5.1 Экспериментальная установка для лазерного охлаждения атомов рубидия
в магнитооптической ловушке 116
Экспериментальные результаты по лазерному охлаждению атомов 85Rb . 121
Экспериментальная установка для микроволновой спектроскопии .... 128
Результаты экспериментов и обсуждение 131
Выводы 135
Заключение 137
Приложение 140
Список использованной литературы 147
Введение к работе
Изучение когерентных и нелинейных явлений в атомной спектроскопии было начато в первой половине 20 века [1,2]. Характерными их примерами являются такие эффекты, как пересечение уровней [3], эффект Ханле [1,4], квантовые биения [5-8], квантовые резонансы [9-12], т.е. явления, которые связаны с квантовой интерференцией атомных состояний [13]. Наряду с этим интенсивно исследуются другие явления, открытые сравнительно недавно, а именно: нелинейный интерференционный эффект [14] и когерентное пленение населенности [15,16], лазерный захват и охлаждение нейтральных атомов (см. [17] и ссылки там), конденсация Возе-Эйнштейна [18], усиление и генерация без инверсии [19].
Значительный прогресс в этой области физики был связан с появлением полупроводниковых лазеров как перестраиваемых источников лазерного излучения [20]. Спектры генерации полупроводниковых лазеров как нельзя лучше подходят для спектроскопии основных линий поглощения большинства атомов щелочных металлов [21], которые уже многие годы привлекают внимание спектроскопистов и служат основным объектом для изучения когерентных и нелинейных явлений. Интерес к щелочным металлам связан с наличием только одного свободного электрона на внешней электронной оболочке этих элементов. Благодаря полупроводниковым лазерам в последние годы спектроскопия таких щелочных металлов как рубидий, цезий, калий и литий получила широкие возможности для эксперимента при относительной простоте экспериментальных установок по сравнению с установками, использующими другие типы лазеров (лазеры на красителях, твердотельные и газовые лазеры).
Предметом исследований настоящей диссертации является спектроскопия когерентных и нелинейных явлений в атомах рубидия с использованием полупроводниковых лазеров.
В основе большинства таких явлений лежит квантовая интерференция атомных состояний. Это явление можно интерпретировать на основе аналогии с интерференцией в оптике. Для оптических полей справедлив принцип суперпозиции (для двух волн с одинаковой поляризацией): амплитуда А поля в любой точке пространства равна сумме амплитуд полей Л» в этой точке, обусловленных различными источниками. Если между составляющими полями разность фаз постоянна, или меняется по строго определенному закону, то поля называются когерентными, а мощность или интенсивность колебаний результирующего поля не равна сумме мощностей составляющих полей:
ж=и|2=|$:л|2=5:|л,|2+ед^^Е1^12 (в.і)
В квантовой механике также справедлив принцип суперпозиции. Волновая функция атома представлена разложением по собственным состояниям гамильтониана. Амплитуда вероятности результирующего состояния равна сумме амплитуд составляющих состояний:
Ф(г,0 = СпФп, (В.2)
где Сп - амплитуда вероятности собственного состояния фп. Величина |Ф(г,t)\2 -определяет вероятность найти электрон в заданной точке пространства в заданный момент времени. Вероятность этого события равна
іфі2 = еодїф»*; ф |с«1а1ф»12 (в-3)
Между сложением полей и суперпозицией волновых функций существует полная аналогия: появление недиагональных членов СпС% в (В.З), которые представляют собой элементы так называемой матрицы плотности рп* [9]. Необходимым условием их появления является фазовая связь между атомными подуровнями. Таким образом, недиагональные члены матрицы плотности характеризуют когерентность атомных состояний, а их проявление в процессах сопровождается интерференционными явлениями.
Когерентные состояния образуются в среде под влиянием анизотропного облучения поляризованным или направленным резонансным излучением или любым другим анизотропным воздействием на атомы [13]. Интерференция состояний может проявляться в спонтанном или вынужденном испускании или поглощении атомами. Она изменяет временные и поляризационные характеристики излучения.
Оптические явления, связанные с квантовой интерференцией атомных состояний, можно разбить на следующие группы:
1. Квантовые биения. Квантовые биения могут наблюдаться при когерентном импульсном возбуждении атомных состояний с небольшим энергетическим зазором между ними. Интенсивность спонтанного излучения [5] и поглощение [22,23] затухают во времени по экспоненте, показатель которой задается скоростью релаксации возбуждения. Вследствие квантовой интерференции для некоторых направлений интенсивность оказывается модулированной периодическими колебаниями, которые и представляют собой квантовые биения. Частота биений определяется энергетическими зазорами между интерферирующими состояниями.
Пересечение уровней. Эффект пресечения уровней может иметь место при стационарном возбуждении во внешнем электрическом или магнитном поле. В отсутствие поля интерферирующие состояния вырождены по энергиям. Спонтанное излучение поляризовано, и его интенсивность зависит от направления. При снятии вырождения изменяются интенсивность и поляризация излучения в заданном направлении. Это изменение с увеличением магнитного поля представляет сигнал пресечения уровней [24].
Квантовые резонансы. Квантовые резонансы возникают при периодически модулированной интенсивности [5,25] (или других параметров) возбуждающего процесса, а также при модуляции энергетического зазора между интерферирующими состояниями [26]. Спонтанное излучение изменяет свою интенсивность с частотой модуляции возбуждения, а амплитуда этого периодического изменения достигает максимума при совпадении частоты модуляции с энергетическим зазором между интерферирующими состояниями.
По угловым зависимостям и характеру поляризации излучения интерференцию состояний можно разбить на группы, связанные с так называемыми поляризационными моментами [27].
Нулевой поляризационный момент соответствует изотропному распределению насе-ленностей и фаз магнитных подуровней атомных состояний. В таких условиях квантовая интерференция не наблюдается.
Первый поляризационный момент называется ориентацией, он образуется при возбуждении светом круговой поляризации. Физически он соответствует макроскопическому магнитному моменту, наведенному внешним возмущением в атомном ансамбле. Если магнитный момент направлен вдоль оси квантования, то ориентация называется продольной, если перпендикулярно, то поперечной. В присутствии магнитного ПОЛЯ момент начинает прецессировать, что вызывает периодическую модуляцию излучения с частотой прецессии. Поперечная ориентация соответствует интерференции вырожденных состояний с магнитными квантовыми числами, различающимися на единицу. Эффект проявляется при наблюдении поглощения или излучения круговой поляризации [28].
Второй поляризационный момент называется выстраиванием, он соответствует интерференции состояний с магнитными квантовыми числами, различающимися на два. Выстраивание возникает при облучении линейно поляризованным светом, при этом ось выстраивания параллельна, либо ортогональна вектору поляризации [29]. Выстраивание описывается тензором второго ранга. Если ось выстраивания направлена по оси
квантования, выстраивание называют продольным, и оно описывается перераспределением населенностеи по зеемановским подуровням с проекцией магнитного момента т. При поперечном выстраивании возникает интерференция состояний с магнитными квантовыми числами, различающимися на два: Am = ±2.
Поперечная ориентация и поперечное выстраивание разрушаются при снятии вырождения уровней достаточно сильным внешним полем, в обоих случаях это разрушение сопровождается изменением диаграммы направленности излучения с приближением ее к сферической симметрии [13,30].
Процесс выстраивания изучался задолго до появления лазеров. Обычно исследовались сигналы флуоресценции в заданном направлении. Выстраивание наблюдалось под действием поляризованного излучения газового разряда в разрядных трубках [13,29,31], а также при возбуждении атомов электронным ударом [32]. Наряду с этим, велись исследования выстраивания в результате атомных столкновений [33, 34]. Теоретическому исследованию выстраивания посвящены многочисленные публикации (например [13,35-37]).
В указанных исследованиях, главным образом, был проявлен интерес к выстраиванию возбужденных состояний атомов (так называемое выстраивание плазмы), и только выстраивание столкновениями и газовым разрядом были областями, где изучалось выстраивание атомов в основном состоянии. Именно такой тип выстраивания способен влиять на поглощение света атомами, причем он характеризуется большим временем жизни выстраивания [13]. Это связано с тем, что атомы в основном состоянии испытывают релаксацию в основном вследствие столкновений, вероятность которых гораздо ниже вероятности спонтанного распада возбужденного состояния.
В более поздних работах исследовалось выстраивание атомов при взаимодействии с поляризованным лазерным излучением [30,38-41]. В этих работах обычно использовались лазеры с широкой линией генерации, поэтому влияние выстраивания на спектры поглощения (например, спектры насыщенного поглощения), оставалось слабо изученным. Первое наблюдение выстраивания в спектрах насыщенного поглощения атомов было сделано в работе Хэнша с соавторами в экспериментах с атомами Na [42]. Для атомов Rb некоторое внимание эффекту выстраивания в спектроскопии насыщенного поглощения было уделено [43,44]. Эти работы были выполнены относительно недавно с применением полупроводниковых лазеров в качестве источников поляризованного излучения.
Необходимо отметить, что эффекты выстраивания и ориентации атомов чрезвычай-
но чувствительны к магнитным полям (например [13,45]). Влияние магнитных полей на указанные явления затрагивает такую фундаментальную область исследования, как лазерное охлаждение нейтральных атомов. Дело в том, что явления ориентации и выстраивания могут быть представлены как одни из основных механизмов ухода атомных ансамблей из взаимодействия с резонансным излучением [10,13,37]. Для лазерного охлаждения, как известно, важным требованием к лазерным полям, взаимодействующим с атомами, является обеспечение циклического взаимодействия с резонансным излучением [17,46-48]. Только в этом случае можно достичь заметного изменения импульса атома, который по крайней мере в 105 раз больше импульса фотона. Для лазерного охлаждения необходимы два условия - формирование тормозящей силы (обычно сила светового давления) и сортировка атомов по знаку проекции скорости. Последнее необходимо для того, чтобы тормозящее излучение не ускоряло атомы, имеющие со-направленные с этой силой проекции скорости. В лазерном охлаждении эту функцию выполняет градиент магнитного поля вдоль волнового вектора двух встречных охлаждающих лазерных полей.
Поэтому необходимо знание влияния магнитных полей на процессы выстраивания и ориентации, которые в определенных условиях могут нарушать цикличность взаимодействия и препятствовать охлаждению и захвату атомов.
Наряду с явлениями, связанными с интерференцией состояний, в атомах могут наблюдаться разнообразные нелинейные процессы. В нелинейной спектроскопии трехуровневых схем переходов обычно исследуется поглощение слабого (пробного) поля в условиях, когда на другом (смежном) переходе действует интенсивное электромагнитное поле, насыщающее атомный переход. В этом случае в поглощении пробного поля могут наблюдаться особенности, обусловленные нелинейным взаимодействием атомов с насыщающим световым полем. Работы в этом направлении лежат в основе современной лазерной спектроскопии высокого разрешения. Основные из них представлены в общеизвестных монографиях [9-12,49-51].
С появлением перестраиваемых лазеров в конце семидесятых годов значительно возрос интерес к исследованиям трехуровневых систем. Было обнаружено новое явление, которое имеет место при оптическом возбуждении трехуровневых (и вообще говоря, многоуровневых) атомов на смежных переходах двухчастотным световым полем излучения, - нелинейный интерференционный эффект (НИЭФ), или когерентное пленение населенностей (КПН) [14-16].
При изучении этого явления выяснилось, что многоуровневый атом не всегда мож-
но возбудить на верхний уровень, поскольку при одновременном взаимодействии с несколькими световыми полями, в атоме возникают особые суперпозиционные состояния, не взаимодействующие с резонансным излучением. Эти состояния являются суперпозицией уровней квазиэнергии, возникающей в результате возмущения электромагнитным полем энергетических уровней атома [52]. Такие состояния играют роль только при наличии вполне определенных условий на частотные отстройки световых полей от резонансов и интенсивности световых волн. При выполнении этих условий система находится в состоянии когерентного пленения населенности и практически не взаимодействует с полем. Подчеркнем, что такое поведение присуще системам, в которых имеются условия для интерференции нескольких каналов возбуждения.
Простейшей схемой переходов, в которой наблюдается эффект КПН, является трехуровневая Л - система энергетических уровней, взаимодействующая с двумя световыми волнами. Она состоит из двух нижних уровней |1) и |2), связанных оптическими переходами на верхний уровень |3).
При одинаковых условиях резонанса для смежных переходов |1) - |3), |2) - |3), т.е. при равенстве частотных отстроек световых волн от частот соответствующих переходов (точный рамановский резонанс), вероятность обнаружить атом в верхнем состоянии |3) в стационарных условиях оказывается близкой к нулю. Именно по этой причине, например, в экспериментах, где изучался спектр флуоресценции в Л - системе [15], наблюдается провал или "темный резонанс" в сигнале флуоресценции. Это свойство трехуровневой системы и получило название когерентного пленения населенностей (coherent population trapping) [53].
При КПН вся населенность Л - системы распределяется между нижними уровнями, именно так следует понимать термин "пленение" или "захват". Эффекту КПН сопутствуют также и другие нелинейные интерференционные явления. В частности, при исследовании спектров поглощения в схемах, аналогичных схемам наблюдения КПН, возникает эффект электромагнитно индуцированной прозрачности (ЭИП) [54] в виде узких контуров пропускания на фоне поглощения. Его причина та же самая, что и для эффекта КПН - при точном рамановском резонансе в трехуровневой Л - системе населенности пленяются на нижних уровнях, следовательно, уменьшается не только флуоресценция, но поглощение резонансного излучения [55,56].
В условиях КПН изменяются и поляризационные свойства атомных ансамблей [57]. Поскольку атомы не взаимодействуют с резонансным излучением, они не могут воздействовать и на поляризацию излучения. При выходе из рамановского резонанса про-
исходит возбуждение атомов, сопровождающееся их ориентацией или выстраиванием. В результате в среде возникает анизотропия, наведенная излучением, т.е. показатель преломления среды становится анизотропным и она вращает поляризацию.
По этой причине в наиболее раннем теоретическом описании явления КПН [9,14] (Попов, Раутиан, Соколовский и др.) было предложено название нелинейный интерференционный эффект (НИЭФ) (как всеобъемлющего) для описания явлений, обусловленных интерференцией каналов возбуждения многоуровневой системы.
К настоящему моменту исследование эффекта КПН приобрело большую актуальность благодаря разнообразным применениям. Например, с помощью КПН удалось объяснить процессы, происходящие при сверхглубоком охлаждении атомов в стоячей волне ниже температуры предела отдачи (Recoil limit) [47]. Было показано, что в стоячей волне возможно возникновение состояний когерентного пленения населенности, благодаря которым снимается ограничение предельной температуры атомов эффектом отдачи [58]. В обычных условиях атом, поглотивший фотон, снова его излучит и приобретет ненулевой импульс. В случае КПН резонансные атомы не испускают фотоны, т.е. на них эффект отдачи не распространяется, а, следовательно, их температура может быть более низкой [17].
Наряду с лазерным охлаждением, эффект КПН нашел приложение в работах по созданию так называемых лазеров без инверсии [19]. В таких лазерах возможно усиление пробного поля на переходе с возбужденного уровня на основной при отсутствии инверсии населенностей в условиях КПН для нижних состояний. Данный эффект можно объяснить через возникновение в квантовой системе особых суперпозиционных состояний, через которые происходит выключение населенности нижнего состояния из взаимодействия [55,59]. Тогда населенность нижних уровней перестает иметь значение, и важна только населенность возбужденных.
В период подготовки настоящей диссертации в литературе наметилась тенденция к усложнению оптических схем переходов для изучения когерентных и нелинейных процессов, что дает возможность применить методы, изобретенные в нелинейной оптике [10,12] в резонансных явлениях в атомных средах. Например, в ряде последних работ [60-64] число оптических полей, вовлеченных в интерференционные процессы, было увеличено. Это позволило авторам предсказать и наблюдать эффекты, связанные с начальными фазами когерентных состояний атома.
В частности, в работе Акульшина с соавторами [64] была реализована N - схема переходов с использованием переходов между зеемановскими компонентами сверхтонкой
структуры атомов 85Rb. В данной схеме авторы наблюдали резонансы электромагнитно наведенного поглощения на переходах между сверхтонкими подуровнями, вырожденными по магнитному моменту. Позднее она была проанализирована в работе Тумайкина с соавторами [65]. Они показали, что в случае вырождения имеет место взаимная когерентность верхних подуровней в N - системе, которая в результате процессов спонтанного испускания может переноситься на нижние подуровни, вызывая их интерференцию, результатом чего является увеличение поглощения, вместо увеличения пропускания.
Наряду с оптическими переходами, в экспериментах по изучению интерференционных явлений все больше рассматриваются смешанные схемы переходов, в которых используются как оптические, так и радиочастотные переходы. Это связано, с применением последних в атомных стандартах частоты (например [66]). Явление КПН позволило создать самые точные на сегодня атомные часы, работающие на микроволновом переходе основного состояния атомов по методу биений Рамзея. В их основе используется фонтан холодных атомов цезия, сформированный из магнитооптической ловушки.
Сказанное выше обуславливает актуальность выбранной темы диссертации.
Цели работы:
Исследование спектральных свойств полупроводниковых лазеров на основе гете-роструктур AlGaAs/GaAs и InGaAsP/GaAs для применения в лазерной спектроскопии атомов щелочных металлов.
Экспериментальное исследование спектров насыщенного поглощения атомов Rb в присутствии магнитного поля.
Экспериментальное исследование нелинейных многофотонных и интерференционных резонансов при взаимодействии атомов Rb с многочастотным лазерным излучением.
Разработка и создание экспериментальной установки для лазерного охлаждения атомов Rb в магнитооптической ловушке.
СВЧ спектроскопия холодных атомов Rb в магнитооптической ловушке.
Научная новизна работы:
1. Впервые в спектрах насыщенного поглощения D2 линии изотопа 87Rb обнаружены и экспериментально исследованы узкие резонансы поглощения, обусловленные эффектом выстраивания.
Изучено влияние интенсивности лазерного излучения и магнитного поля на форму и знак резонансов, обусловленных выстраиванием. Показано, что знак резонансов определяется направлением магнитного поля и поляризацией лазерного излучения. Форма резонансов, обусловленных выстраиванием, слабо зависит от интенсивности излучения в случае насыщения перехода, однако с ростом интенсивности наблюдается увеличение их амплитуды. При этом амплитуда резонансов растет быстрее, чем амплитуда основных резонансов насыщенного поглощения.
Предложена оригинальная методика определения сдвига частоты резонанса электромагнитно индуцированной прозрачности (ЭИП) в магнитном поле с использованием в качестве репера сигнала биений двух лазеров.
Впервые обнаружены и исследованы резонансы электромагнитно индуцированной прозрачности в невырожденной четырехуровневой схеме переходов N - типа с использованием ВЧ модуляции тока инжекции полупроводниковых лазеров. Изучено влияние магнитного поля и частоты ВЧ - модуляции на положение резонансов.
Впервые исследовано влияние резонансного СВЧ излучения на сигнал флуоресценции облака холодных атомов в магнитооптической ловушке.
Практическая ценность работы:
Получены новые экспериментальные данные о поведении кросс-резонансов и резонансов ЭИП в слабом магнитном поле. Узкие резонансы выстраивания в спектрах насыщенного поглощения рубидия могут быть использованы в качестве высококонтрастных реперов для частотной привязки лазеров. Также показана их пригодность для исследования ориентации слабых магнитных полей.
Сигнал биений двух лазеров позволяет определять сдвиг частоты резонанса ЭИП в магнитном поле относительно точного рамановского резонанса.
Применение ВЧ - модуляции тока инжекции полупроводниковых лазеров позволяет исследовать резонансы, возникающие на переходах V типа в атомах.
Методика оптико-микроволновой спектроскопии может применяться для неразру-шающей диагностики облака холодных атомов в магнитооптической ловушке.
Апробация работы:
Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:
11 Международной Вавиловской конференции по Нелинейной Оптике (г. Новосибирск, 1997 г.); 16 Международной Конференции по Атомной Физике (ICAP16) (г. Виндзор, Канада, 1998 г.); Международной Конференции по Когерентной и Нелинейной Оптике (КиН098) (г. Москва, 1998 г.); 2 Международной Конференции по Диодной Лазерной Спектроскопии (TDLS98), (г. Москва, 1998 г.); 16-ой Конференции по Фундаментальной Атомной Спектроскопии (ФАС-ХУ1)(г. Москва, 1998 г.); Международной Конференции молодых ученых и специалистов "Оптика 99", (г. Санкт-Петербург, 1999 г.); 17 Международной Конференции по Атомной Физике (ICAP17) (г. Флоренция, Италия, 2000 г.); 32-ой Международной Конференции Европейской Группы по Атомной Спектроскопии (EGAS 32) (г. Вильнюс, Литва, 2000 г.); Международной Конференции по Квантовой Электронике (CLEO/IQEC2000) (г. Ницца, Франция, 2000 г.); Международной Конференции по Современным Проблемам Лазерной Физики (MPLP-2000) (г. Новосибирск, 2000 г.); КиНО2001(г. Минск, Беларусь, 2001 г.); EGAS 34 (г. София, Болгария, 2002 г.); CLEO/IQEC 2003 (г. Мюнхен, Германия, 2003 г.); ЮАР 2004 (г. Рио-де-Жанейро, Бразилия, 2004 г.); 8-ой Европейской Конференции по Атомной и Молекулярной Физике (ЕСАМР8) (г. Рен, Франция, 2004 г.); Международной Конференции по Фундаментальным Проблемам Оптики (ФПО2004)(г. Санкт-Петербург, 2004 г.).
По теме диссертации опубликовано 28 работ включая 9 статей в российских и зарубежных научных журналах.
Краткое содержание диссертации по главам:
В первой главе рассмотрены основные характеристики полупроводниковых лазеров, важные для применения в спектроскопии высокого разрешения. Описана экспериментальная установка для исследования спектров генерации и перестроечных характеристик полупроводниковых лазеров. Приведены спектры генерации, характеристики перестройки частоты и частотные шумы полупроводниковых лазеров. Исследованы характеристики перестраиваемых лазеров с внешним резонатором, используемых для спектроскопии атомов Rb.
Во второй главе изучается влияние эффекта выстраивания на спектры насыщенного поглощения атомов рубидия. Приведена простая теоретическая модель описания процессов перераспределения населенностеи в случае выстраивания и ориентации на примере перехода F = 1 —* F' = 1. Описана экспериментальная установка для спек-
троскопии насыщенного поглощения D2 линии рубидия. Представлены экспериментальные результаты по исследованию эффекта выстраивания, возникающего при взаимодействии атомов рубидия с линейно поляризованным светом накачки на переходах 5Si/2(F = 1) —> 5Pz/2(F = 0,1). Исследовано влияние поляризации и интенсивности излучения, а также лабораторных магнитных полей на резонансы выстраивания.
В третьей главе рассмотрены нелинейные интерференционные эффекты, возникающие в многоуровневых атомах при взаимодействии с многочастотным лазерным излучением. Приводится обзор литературных данных по указанной проблеме. Рассмотрены варианты теоретического описания явления в рамках модели амплитуд вероятности и матрицы плотности. Описана экспериментальная установка для наблюдения эффекта электромагнитно индуцированной прозрачности и когерентного пленения населенности на D2 линии 87Rb. Приводятся результаты исследования влияния интенсивности лазерного излучения и слабых магнитных полей на нелинейные резонансы электромагнитно индуцированной прозрачности в трехуровневой схеме переходов. Представлен эксперимент по наблюдению электромагнитно индуцированной прозрачности в невырожденной четырехуровневой схеме переходов на D2 линии 87Rb, выполненный с использованием модуляции тока инжекции на частоте сверхтонкого расщепления возбужденного состояния. Показано, что резонансы обусловлены трехфотонным взаимодействием. Исследовано влияние отстроек лазерных полей и магнитных полей на резонансы.
Четвертая глава посвящена исследованию наведенной в процессе спонтанного испускания анизотропии заселения сверхтонких подуровней по магнитным подуровням атомов, взаимодействующих с поляризованным резонансным излучением по трехуровневой схеме переходов в эксперименте по поляризационной спектроскопии. Продемонстрировано качественное согласие с теорией процесса спонтанного переноса анизотропии.
В пятой главе описан эксперимент по получению холодных атомов рубидия методом лазерного охлаждения и захвата в магнитооптической ловушке. Представлены результаты экспериментов по исследованию влияния отстроек лазерных полей на число захваченных атомов, кинетики атомов в магнитооптической ловушке и микроволновой спектроскопии холодных атомов. Получено охлаждение до 2-Ю7 атомов при температуре ~100 мкК. В эксперименте по микроволновой спектроскопии исследовано влияние резонансного СВЧ-поля на сигнал флуоресценции холодных атомов и спектр СВЧ-резонансов. Показано, что микроволновая спектроскопия может быть использована для исследования пространственного распределения атомов по состояниям в магнитооптической ловушке.
Основные материалы двух первых глав были опубликованы в работах: [23], [67-74]. Основные результаты, рассмотренные в главе 3, вошли в работы: [75,76]. Результаты, рассмотренные в главе 4, были опубликованы в работах [77-80]. Результаты, описанные в главе 5, опубликованы в работах [81-87].
Защищаемые положения:
Эффект выстраивания вызывает в спектрах насыщенного поглощения Б2-линии атомов рубидия возникновение высококонтрастных кросс-резонапсов, знак и амплитуда которых определяются поляризацией излучения и ориентацией лабораторного магнитного поля.
Сигнал интерференционных биений служит частотным репером для нулевой разностной частоты излучений двух лазеров при исследовании электромагнитно индуцированной прозрачности (ЭИП) в Л-схеме переходов с вырожденными нижними уровнями, что позволяет измерять сдвиги частот резонансов ЭИП в слабом магнитном поле.
При высокочастотной модуляции тока инжекции одного из двух полупроводниковых лазеров на частоте сверхтонкого расщепления возбужденного состояния 5Рз/2 на Бг-линии атомов Rb наблюдается эффект ЭИП в невырожденной четырехуровневой N-схеме переходов. Положение трехфотонных резонансов ЭИП зависит от частоты модуляции и может изменяться в пределах контуров насыщенного поглощения.
Магнитные подуровни основного состояния 5Si/2(F=l) заселяются анизотропно при спонтанных переходах из возбужденного состояния 5Рі/2 в атомах 87Rb, возбуждаемых непрерывным линейно поляризованным лазерным излучением. Степень анизотропии определяется выбором типа возбуждающего перехода (F—»F-1 или F—*F) и интенсивностью лазера накачки, что проявляется в различии сигналов оптического дихроизма для пробного излучения.
Форма радиооптического спектра для магнитодипольных переходов 5Si/2(F=2)<-> 5Si/2(F=3) между сверхтонкими подуровнями холодных атомов 85Rb в магнитооптической ловушке, регистрируемого по сигналу флуоресценции, определяется выбором типа перехода для лазера перекачки в схеме лазерного охлаждения. При настройке лазера на "темный" переход 5Si/2(F=2)-> 5P3/2(F=2) спектр представляет собой резонанс в виде провала на невозмущенной частоте, в то время как для "светлого" резонанса 5Si/2(F=2)— 5Рз/г(Р=3) наблюдаются два симметрично сдвинутых пика.
Объем и структура работы:
Текст диссертации состоит из 160 страниц печатного текста, включающих 52 рисунка, 2 таблицы, и содержит введение, 5 глав, заключение, приложение и список литературы.
