Введение к работе
Актуальность темы
Прогресс физики и технологии полупроводниковых приборов привел к широком)' распространению экономичных и простых в эксплуатации инжекщгонных лазеров (ИЛ) [1] не только в различных областях техники, но и в системах обработки информации и волоконной связи, в спектроскопии [2], а также при проведении уникальных экспериментов, имеющих фундаментальное значение, например, получение конденсата Бозе-^йнштейня |3]. и метрологии времени и частоты ИЛ используются для накачки микроволновых стандартов частоты, создания радпо-оптнческнх мостов, связывающих оптический и СВЧ. диапазоны, измерения оптических частот.
Эффективность ИЛ в значительной степени' зависит от монохроматичности их излучения и долговременной стабильности оптической частоты. Задача улучшения спектральных характеристик ИЛ решается путем привязки частоты генерации электронной сервосистемой к стабильному частотному реперу, качество которого во многом определяется отношением сигнал/шум и его шириной. Реперы на оптических переходах атомов и молекул обладают высокой стабильностью и воспроизводимостью спектрального положения, но в этом случае появляется проблема уширения оптических переходов.
Основные методы устранения доплеровского уширения и выделения резонаксов с шириной, близкой к естественной ширине у0, основаны на нелинейности отклика поглощающей среды при взаимодействии с лазерным излучением [4]. Они сформировались в 70-е годы, но продолжают развиваться и обогащаться новыми идеями, о чем свидетельствует большое количество публикаций по нелинейной спектроскопии.
Взаимодействие когерентного полихроматичного излучения с многоуровневой атомной системой является другой актуальной проблемой, которая продолжает привлекать пристальное внимание теоретиков и экспериментаторов на протяжении последних десятилетий. Это и понятно, поскольку при проведении экспериментов по атомной оптике, лазерному охлаждению и удержанию атомов в оптических ловушках [5] и т.п., взаимодействие резонансных оптических полей с многоуровневой атомной системой играет ключевую роль.
Диссертационная работа посвящена решению ряда прикладных задач атомной спектроскопии высокого разрешения с использованием высококогерентных перестраиваемых икжекционных лазеров. Эти задачи нацелены на выделение узких реперных резонансов поглощения и флуоресценции, которые могут использоваться для улучшения спектральных свойств лазеров.
В работе ставились следующие цели и задачи:
-
Исследовать возможность применения ИЛ для решения задач спектроскопии высокого разрешения в видимой части спектра, где ведутся работы по созданию оптического стандарта частоты.
-
Изучить возможности использования "испе^сионных свойств оптически плотных атомных сред для эффективного сужения линии генерации ИЛ путем формирования селективной по длине волны оптической связи лазерного диода с внешним резонатором.
-
Исследовать влияние различных нелинейных механизмов на параметры внутридоплеровских резонансов поглощения на D линиях поглощения атомов щелочных металлов.
-
Осуществить стабилизацию частоты генерации ИЛ с внешним резонатором (ИЛВР) по нелинейным внутридоилеровским резонансам поглощения и исследовать факторы, влияющие на стабильность.
Научная новизна результатов диссертации состоит в следующем:
1. Впервые осуществлена вігутридоплеровская спектроскопия
насыщенного поглощеїшя интеркомбинационных переходов n'So-n3?!
атомов Ва (791 нм) и Sr (689 нм) с субмегагерцовым разрешением.
2. Зарегистрировано явление селективного полного внутреннего
отражения (СПВО) от границы раздела прозрачный диэлектрик -
поглощающий газ. Исследованы спектральные характеристики СПВО.
3. Реализован высококогерентный ИЛ с внешним резонатором (ширина
линии излучения менее 100 кГц), дисперсионноегь которого
обусловлена явлением СПВО на резонансных линиях поглощения
атомарного рубидия (794 нм и 780 нм).
4. Впервые с помощью двух ИЛВР были исследованы резонансы
поглощеіпія, обусловленные когерентным пленением населенности.
Минимальная ширина резонансов не превышала 100 кГц, что много
меньше естественной ширины оптического перехода Уо ~ 6 МГц.
5. Впервые по флуктуациям разностной частоты двух ИЛВР, независимо
привязанных по частоте электронными сервосистемами к резонансам
насыщенного поглощения на D2 линии Cs (852 нм), была определена
величина относительной стабильности оптической частоты.
6. Предложен и реализован новый способ непосредственной стабилизации разности оншческих частот двух лазеров по нелинейным резонансам поглощеїшя суммарного излучения двух лазеров в парах щелочного металла.
Совокупность представленных в диссертации результатов позволяет сформулировать следующие выносимые на защиту положения: 1. Сильная оптическая обратная связь позволяет эффективно перестраивать длину волны генерации и на несколько порядков
уменьшать ширину линии генерации инжекционных лазеров, работающих в диапазоне длин воші 0.66-1.33 мкм, что подтверждается получением внутридоплеровских резонансов насыщенного поглощения и флуоресценции на интеркомбинационных линиях Ва (791 нм), Sr (689 им) и Са (658 нм) с субмегагерцовым спектральным разрешением, а также результатами эксперимента но оптическому гетеродинировашпо излучения лазера ИК диапазона (Х.=1.32 мкм). 2. Способ локализации спектра генерации и повышения когерентности
їТГ"А*'."'Ь'Ттттг\гхих.'і v
lL\JUt-*.mjLLIt*l 11U fkVJl 17JU.*s>VUU-lJLllJ:i /i.LIJL\.H.XLJX
селективного полного вігутреннего отражения от границы раздела прозрачный диэлектрик - пары щелочного металла во внутрирезонатор-ной ячейке.
-
Мощностное уширспие нелинейных внутридоплеровских резонансов поглощения, обусловленных селективной по скоростям атомов оптической накачкой, удовлетворительно описывается зависимостью, получешюй для 2-х уровнсвого атома при не очень большом параметре насыщения G < 10, несмотря на нелокальность зависимости насыщения от интенсивности.
-
В оптической схеме однонаправленных частотно независимых волн на D, и D2 линиях поглощения Rb обнаружены и проанализированы особенности нелинейных резонансов поглощения, обусловленые:
выравниванием населенности возбужденного и основного состояний;
селективной по скоростям атомов оптической накачкой;
когерентным 'пленением населенности.
5. Получение относительной стабильности оигической частоты
ближнего ИК диапазона не хуже 5х10"и при временах усреднения от 0.1
до 10 сек путем электронной привязки генерации высококогерентных
инжекциотшых лазеров к нелинейным внутридонлеровским резонансам
поглощения па D2 линии Cs. Измерєішя стабильности производились
гетеродинным методом.
Практическая ценность.
В работе было показано, что новый тип перестраиваемых высококогерентга.гх лазеров может работать в широком интервале длин волн, обеспечивая относительное спектральное разрешение не хуже 10" . Зги лазеры найдут, и уже находят, широкое применение в атомной физике, атомной н молекулярной спектроскопии, метрологии времени и частоты, т.е. везде, где есть потребность в высококогерентном источнике перестраиваемого по длине волны излучения.
1. Введены в практику спектроскопии в значительной части диапазона длин волн 0.66-1.33 мкм простые в изготовлении и эксплуатации перестраиваемые лазеры, которые обеспечивают субмегагерцовое спектральное разрешение. Разработанные ИЛВР служат прототипом при
создании прецизионных лазерных спектрометров.
-
Предложена схема составного дисперсионного резонатора для ИЛ, обеспечивающая высококогерештгую генерацию в окрестности атомного перехода благодаря селективному зеркалу на нарах щелочных металлов.
-
Предложен способ получения стабильного по частоте сигнала, частота которого равна СТ расщеплению возбужденного или основного состояний либо тонкому расщеплению уровней энергии атомов щелочных металлов.
-
Разработана к изготовлена высокотемпературная кювета, в которой была вьшолнена внутридоплеровская сыектроскония насыщенного поглощения на іштсркомбинациошгьгх переходах атомов бария и стронция.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на научных семинарах Физического института им.П.Н.Лебедева, Института спектроскопии РАН, а также на
- I и II Всесоюзном семинаре по оптической ориентации атомов и
молекул, Ленинград, 1986 и 1989 гг.
IX и X Международной Вавиловской конференции но нелинейной оптике, Новосибирск, 1987 и 1990 гг.
II Симпозиуме по лазерной спектроскопии (г.Печ, Венгрия, 1989 г.)
Научной конференции "Физика полупроводниковых лазеров", Вильнюс, 1989 г.
XI Советско-Западногерманском семинаре по лазерной спектроскопии (г.Байройт, ФРГ, 1990г.)
VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1990 г.
- XTV Международной конференции но когерентной и нелинейной
оптике, С.-Петербург, 1991 г.
- VIII Международной конференции "Оптика лазеров", С.-Петербург,
1995 г.
Публикации.
По результатам диссертации опубликовано 11 научных работ, список
которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 192 страницах, включая 57 рисунков и 3 таблицы. В конце работы приведен список цитируемой литературы из 187 наименовании.
