Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время магнитооптическая ловушка (МОЛ) обеспечивает один из самых простых и надежных способов охлаждения и удержания атомов. Преимуществами при работе с магнитооптической ловушкой являются низкие температуры и скорости атомов, возможность управления их движением, высокая локализация в пространстве, практически полное подавление эффекта Доплера, а также уверенный контроль за абсолютным количеством атомов и их концентрацией. Захват и охлаждение атомов в МОЛ используется как первая стадия охлаждения и накопления атомов в задачах прецизионной спектроскопии, метрологии (стандарты частоты, определение фундаментальных констант), при создании конденсированных состояний, в задачах квантовой информации и атомной интерферометрии. Холодные атомы, приготовленные в МОЛ также используются при создании ридберговских атомов, холодных молекул (в том числе экзотических), а также при создании высококолли-мированных монохроматических атомных пучков.
Спектроскопические исследования атомов в МОЛ позволяют в ряде случаев значительно повысить точность измерений положения уровней и сечений, получить информацию о виде потенциалов взаимодействий между ультрахолодными атомами, а также выполнить уникальные исследования в экзотических атомах, например, в атоме франция, не имеющего стабильных изотопов [1]. Спектроскопия атомов в работающей МОЛ обладает определенной спецификой, поскольку атомы находятся в сильном охлаждающем лазерном поле, влияющем на структуру атомных уровней.
На сегодняшний день фемтосекундные лазеры находят все более широкие области применения, в том числе в спектроскопических исследованиях. Основными достоинствами использования импульсно-периодического фемтосекундного излучения (ФИ) для задач спектроскопии являются их широкий спектр излучения, фазовая когерентность и малая спектральная ширина мод излучения, а также большая пространственная яркость. Эти особенности оказываются уникальными при решении задач спектроскопии высокого разрешения в широком спектраль-
ном диапазоне. Так, например, авторы работы [2] использовали излучение фемтосекундного лазера при спектроскопии молекулярных образцов методом Фурье-анализа, что увеличило чувствительность, повысило точность и на порядки сократило время измерения. В свою очередь, в работе [3] излучение импульсно-периодического фемтосекундного лазера было разложено в спектр с использованием метода скрещенных дисперсий, причем удалось разрешить отдельные частотные моды лазера. Помещая молекулярные поглотители, авторы регистрировали спектры молекул в широком спектральном интервале, по которым молекулы можно за малое время однозначно идентифицировать.
Одной из актуальных научных задач является исследование взаимодействия атомов в магнитооптической ловушке с излучением фемтосекундного лазера. В ряде крупных лазерных центров были выполнены работы по исследованию двухфотонных переходов в МОЛ [4,5], представляющие интерес для задач метрологии. В настоящей диссертационной работе выполнена спектроскопия однофотонных переходов между уровнями 5Р и 5D в магнитооптической ловушке для атомов рубидия-87.
Цель диссертационной работы. Основной целью диссертационной работы является исследование взаимодействия атомов, захваченных в магнитооптическую ловушку, с импульсно-периодическим излучением фемтосекундного лазера.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
Создать магнитооптическую ловушку для атомов рубидия-87.
Исследовать структуру уровней 5Si/2, 5Рз/2, 5D3/2,5/2 в атоме рубидия и расщепление Раби 5Рз/2 уровня, возникающего при взаимодействии с охлаждающим излучением.
Исследовать взаимодействие атомов в ловушке с импульсно-периодическим излучением фемтосекундного лазера.
Научная новизна работы
Разработана новая методика исследования структуры уровней ато
мов с высоким разрешением в лазерном поле магнитооптической ло
вушки. С ее помощью исследовано расщепление Раби уровня 5Рз/2-
Продемонстрировано соответствие с теоретическими предсказаниями.
Впервые исследовано взаимодействие холодных атомов рубидия с излучением фемтосекундного лазера в магнитооптической ловушке в спектральном диапазоне 770 - 820 нм. Показано, что излучение фемтосекундного лазера взаимодействует с атомами в магнитооптической ловушке и как набор спектральных компонентов, и как мощное широкополосное излучение, влияющее на вид регистрируемых спектров.
Разработана новая модель резонансного заселения подуровней сверхтонкой структуры уровня 5D5/2 отдельными модами фемто-секундной гребенки с учетом ионизации всеми модами.
Реализована новая методика абсолютного измерения населенности уровня 5T)5/2(F" = 4) по зависимости скорости потерь холодных атомов от мощности фемтосекундного излучения. Методика может быть использована в тех случаях, когда прямое измерение по сигналу флюоресценции затруднено или невозможно.
Основные положения, представленные к защите
Создана магнитооптическая ловушка для атомов рубидия-87 со следующими параметрами: число атомов - 10 , максимальная концентрация — 1011 см-3, температура - 300 мкК.
В магнитооптической ловушке расщепление 5Рз/2 уровня рубидия линейно зависит от отстройки частоты охлаждающего поля в диапазоне от —20 МГц до —6 МГц от частоты резонансного перехода.
Зависимость потерь холодных атомов за счет ионизации излучением фемтосекундного лазера позволяет определить абсолютное значение населенности уровня 5D5/2- Чувствительность метода составляет Ю-4 для абсолютной населенности атомов в состоянии 5D5/2, что соответствует 100 атомам в условиях эксперимента.
Фемтосекундное излучение взаимодействует с облаком холодных атомов одновременно как отдельными резонансными узкими спектральными модами, так и всем спектром в целом.
Научная ценность работы состоит в разработке новых спектроскопических методик, применимых к облаку атомов в магнитооптической ловушке. Получены и проанализированы спектры взаимодействия фем-тосекундного излучения с холодными атомами.
Достоверность и обоснованность полученных результатов базируется на использовании апробированных методик, развитых ведущими лабораториями мира, и подтверждается публикациями в рецензируемых научных журналах и обсуждениями на международных конференциях.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на конференциях:
International Conference on Coherent and Nonlinear Optics/on Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT), May 28 - June 1 2007, Minsk, Belarus.
XVIII Конференция по Фундаментальной Атомной Спектроскопии, 22 - 26 октября 2007, Звенигород.
The 40-th European Group for Atomic Physics conference (EGAS), 2 -5 July 2008, Graz, Austria.
XIX конференция по Фундаментальной Атомной Спектроскопии, 22 - 29 июня 2009, Архангельск-Соловки.
XXIV Съезд по спектроскопии, 28 февраля - 5 марта 2010, ФИАН ИСАН, Москва.
Личный вклад автора
Автор внес решающий вклад в результативную часть диссертационной работы. Им разработан и собран экспериментальный комплекс для лазерного охлаждения атомов рубидия-87, а также выполнены исследования расщепления Раби и исследования взаимодействия атомов с фем-тосекундным излучением.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 85 страниц. Диссертация содержит 34 рисунка. Список цитируемой литературы состоит из 78 наименований.
