Введение к работе
Актуальность
Процессы нелинейного смешения частот в газообразных средах дают исследователям как источники когерентного излучения в областях спектра от далекого ИК до ультрамягкого рентгеновского, так и средства изучения нелинейных характеристик собственно атомных и молекулярных- газовых сред. Нелинейный отклик атомов и молекул, по-существу, единственная на сегодня возможность быстрого управления фазой световых колебаний в схемах коррекции волнового фронта,.в адаптивных оптических системах, в компрессорах световых импульсов, работающих на длинах волн короче 300 нм. Поэтому имеется непреходящий интерес к исследованию нелинейных свойств атомно-молекулярных систем.
В резонансных условиях на эффективность нелинейного смешения существенное влияние оказывают сопутствующие конкурирующие процессы,'такие как резонансное поглощение, многофотонная ионизация, фазовый сдвиг и нежелательные нелинейности, приводящие, например, к самофокусировке или самодефокусировке. Таким образом, в сильных лазерных полях кзртина нелинейного взаимодействия изменяется кардинальным образом по сравнению с предсказаниями по теории возмущений. Исследованию влияния указанных эффектов на эффективность процессов резонансного смещения частот посвящено большое число публикаций, но проблема до сих пор еще не исчерпана из-за многообразия и слож- -пости протекающих процессов. К тому же в резонансных условиях эффективность преобразования зависит от временных, пространственных, спектральных и статистических характеристик лазерного излучения.
При резонансном взаимодействии лазерного излучения с атомами и молекулами важную роль играют эффекты квантовой когерентности и интерференции. Актуальность исследования квантовых интерференционных эффектов в процессах нелинейного смешения частот связана, в первую очередь, с тем, что они могут существенным образом влиять на характеристики нелинейно-оптических преобразователей (ухудшать или улучшать) и поэтому должны учитываться как при разработке методов генерации когерентного ИК и ВУФ излучений, так и в спектроскопических исследованиях методами нелинейной оптики. С другой стороны, они приводят к существенному обогащению и углублению фундаментальных представлений о характере взаимодействия резонансного излучения с веществом.
Квантовая интерференция приводит к таким эффектам как электромагнитно-индуцированная прозрачность (ЭИП), когерентное пленение населенностей (КПН), адиабатический перенос населенности (АПН), безынверсное усиление (БУ) и генерация, индуцированные структуры в континууме, увеличение показателя преломления при отсутствии поглощения и др. Эти явления существенно изменяют оптические свойства среды. Например, среда перестает поглощать излучение даже на переходе, который является ре-
зонансным приложенному полю, или испытывает увеличенный показатель преломления с исчезновением поглощения на резонансном переходе, оказалось возможным усиление оптического излучения даже в отсутствие инверсии населенности на рабочем переходе. Таким образом, квантовая интерференция является важной и неотъемлемой частью полной физической картины взаимодействия света с атомно-молекулярными системами.
С другой стороны, эти эффекты открывают новые перспективы в резонансной нелиней
ной оптике и позволяют полнее реализовать ее потенциальные возможности. Перечислен
ные эффекты уже используются для управления показателем поглощения и преломления,
разделения изотопов, в технике ультрачувствительных фазовых измерений и оптической
интерферометрии, для измерения слабых магнитных полей, Стабилизации частоты излу
чения квантовых генераторов света, для охлаждения атомов и др. (см., например, обзоры
[1, 2, 3]). Определенные перспективы связывают с безынверсным усилением и генерацией
света. "
В последнее десятилетие в связи с развитием экспериментальной техники интерес к перечисленным выше явлениям резко возрос, о чем свидетельствует большое число публикаций, появившихся в этот период, они постоянно обсуждаются на тематических симпозиумах и секциях в рамках регулярных международных конференций по лазерной физике и квантовой электронике. С ними связывают перспективы создания новых источников лазерного излучения в вакуумно-ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах, лазерных ускорителей атомных частиц, микроскопов с повышенной разрешающей способностью, сверхчувствительных магнетометров и др.
Целью работы является комплексное исследование некоторых аспектов резонансного нелинейного взаимодействия лазерного излучения с двух-, трех- и четырехуровневыми атомными системами, направленное на выяснение условий эффективного преобразования. Они включают два направления, связанных между собой объектом и методами исследований:
1. Исследование совместного-влияния эффектов насыщения, штарковского сдвига и
многофотонной ионизации, которые сопровождают процессы нелинейного резонансного
смешения частот мощного лазерного излучения, а также анализ роли немонохроматичнос
ти и пространственной неоднородности лазерного излучения на двухфотонно-резонансное
смешение частот с целью улучшения характеристик нелинейно-оптического преобразова
ния; поиск новых путей увеличения эффективности смешения в традиционных схемах; те
оретический анализ одно-, двух- и трехфотонно-резонансных процессов смешения мощных
лазерных излучений и исследование роли полевого расщепления уровней и интерференции
квантовых переходов, а также связанных с ними эффектов КПН и ЗИП на эффективность
преобразования. Этому посвящена основная (большая) часть диссертации (1-4 главы).
2, Исследование некоторых особенностей и закономерностей светоиндуцированного
дрейфа атомов в поле широкополосного излучения и анализ его возможностей для раз-
деления изотопов (5 глава).
Научная новизна
В основу диссертации положены теоретические разработки, идеи и предложения, позволившие получить ряд новых результатов предсказательного характера и имеющие приоритетное значение.
Предложена и проанализирована идея усиления света без инверсии насеяенностей на
переходах в автоионизационные состояния и континуум.
в Установлено, что в оптически плотных средах локальное поле существенно изменяет спектральные характеристики электромагнитно-индуцированной прозрачности.
« Определены закономерности распространения двух частично перекрывающихся коротких импульсов, резонансно взаимодействующих с трехуровневой квантовой системой в условиях адиабатического переноса населенности.
Установлено, что в условиях когерентного пленения населенности возможно достижение максимального значения недиагонального элемента матрицы плотности (атомная когерентность) на дипольно-запрещенном переходе, равной 1/2 (по модулю).
Показано, что эффект когерентного пленения населенности приводит к существенному увеличению нелинейной поляризации ответственной за процессы трех- и четы-рехволнового резонансного смешения частот. Предсказано значительное увеличение эффективности нелинейного смешения.
Предложены и исследованы- различные варианты резонансного смешения частот лазерного излучения в газообразных средах, используя эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности, определены условия увеличения эффективности преобразования по сравнению с традиционными резонансными процессами.
Предложен и изучен способ увеличения эффективности преобразования видимого излучения в ВУФ диапазон путем параметрической генерации в полых газонаполненных световолноводах.
Предсказан эффект светоиндуцированного дрейфа однокомпонентного газа трехуровневых атомов в смеси с буферным в поле белого излучения, предложен эксперимент для его наблюдения.
Разработана теория двухфотонно-резонансного четырехволнового смешения, позволяющая анализировать совместное влияние эффектов насыщения, штарковского сдвига и многофотонной ионизации в аналитическом виде.
Показано, что параметрического просветление ограничивает эффективность процесса преобразования частоты слабого ИК излучения в схеме с дополнением сигнальной частоты до двухфотонного резонанса.
Научная и практическая значимость, достоверность результатов
В диссертации суммированы работы автора, посвященные исследованию некоторых вопросов нелинейного и "несилового" взаимодействия оптического излучения с атомными средами, выполненные в лаборатории когерентной оптики Института физики СО РАН. Тематика исследований, проведенных в ходе выполнения данной работы, соответствовала планам научно-исследовательских работ Института физики "Исследование взаимосвязи оптических и электронных процессов в атомно-молекулярных средах" (р. №01990005383, входит в программу Сибирского отделения РАН "Разработка физических основ создания-твердотельных устройств элекгроник") и "Разработка новых методов, лазерных и спектральных приборов, преобразователейоптическогоизлучения" (р. №01980005383, входит в программу Сибирского отделения РАН "Развитие научных основ квантовой оптики и квантовой электроники, разработка новых направление их применения"). Часть исследований выполнялась в рамках программы высшей школы "Физика лазеров и лазерные системы" (1993-96гг.). Эти исследования в разное время были поддержаны грантами Российского фонда фундаментальных исследований 1993-95г.(93-02-03460), 1997г. (97-02-16092), 1998г.; Университеты России -фундаментальные исследования 1998-2000rr.f Международного научного фонда (фонд Сороса) 1994-95г. и Американского физического общества (1994г.); Красноярского краевого фонда науки 1993, 1994, 1996 и 1998 годах.
Проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов.резонансного нелинейного смешения частот лазерного излучения с учетом ряда сопутствующих конкурирующих явлений, которые могут быть в эксперименте. Достигнутый при этом уровень понимания и описания соответствующих физических механизмов позволил продвинуться в решении проблемы/увеличения эффективности преобразования в данных процессах и предсказывать оптимальные условия в ситуациях, близких к экспериментальным. Достигнута высокая эффективность смешения (9%) при преобразовании частоты излучения непрерывного С02-лазера в УФ область спектра, используя в качестве нелинейной среды пары натрия. Предложены новые подходы, позволяющие преодолеть ограничения, обусловленные резонансным взаимодействием смешиваемых полей. Предложенные и исследованные варианты нелинейного смешения частот в условиях индуцированной прозрачности и когерентного пленения населенностей позволяют расширить возможности методов нелинейной резонансной оптики. Предложена идея безынверсного усиления на переходах в автоионизационные состояния и им подобные, используя эффекты квантовой интерференции, которая оказалась плодотворной и получила развитие в работах других авторов. ' Некоторые наши идеи и предложения стимулировали экспериментальные и теоретичес-
кие исследования как у нас в стране, так и за рубежом. В частности, предложение о возможности увеличения эффективности преобразования в коротковолновую область спектра при смешение частот лазерного излучения в газонаполненных световолноводах было экспериментально подтверждено а работах [4, 5] (Castijello, Zhou и др.). Исследованное нами явление белого СИД однокомпонентного газа трехуровневых атомов в смеси с буферным экспериментально наблюдали Мої и другие [6] в 1991г., а также независимо подтверждено в работе [7]. Эффект параметрического просветления в схеме апконверсии частоты слабого ИК излучения с дополнением до двухфотонного резонанса экспериментально (качественно) подтвержден в нашей лаборатории (Попов, Тимофеев и др. [8]) и детально исследован при смешении частот в парах натрия Пшеничниковым и др. (МГУ) [9].
Идея безынверсного усиления за счет квантовой интерференции на переходах в автоио-низациоиные состояния и континуум открыла широкую область исследований возможных механизмов, приводящих к безынверсному усилению и связанных с ним эффектов. Она' получила всеобщее признание, а наша работа [6] (см.'список публикаций) широко цитируется в таких изданиях как Phys.Rev.A, Phys.Rev.Lett., Nature, Science, Physics Today, Optics Communs и др. В последнее время'" эти и подобные механизмы обсуждаются применительно к проблеме создания лазеров коротковолнового излучения.
Достоверность результатов также определяется применением хорошо проверенных ме
тодов, непротиворечивостью полученных результатов по отношению к общим физическим,
представлениям. Они согласуются с существующими экспериментальными данными, те
оретическими разработками, выполненных позже и независимо, отражены в обзорах и
публикациях других авторов. .
На защиту выносятся следующие основные положения
Атомная система, в которой деструктивная интерференция между прямой фотоио
низацией и переходом в континуум через автоионизационпое состояние приводит к
контуру Фано в спектре поглощения, не испытывает такой интерференции при испус
кании света из заселенного автоионизационного состояния! Это приводит к различию
спектров поглощения и испускания и, таким образом, возникает знакопеременность
контура спектральной линии поглощения, и, соответственно, безынверсное усиление.
* Локальное поле существенно изменяет спектральные характеристики
электромагнитно-индуцированной прозрачности в оптически плотных средах.
» Эффект адиабатического переноса населенности позволяет создавать практически полную инверсию населенности на дипольно запрещенном переходе в протяженной оптически плотной среде, длина которой значительно превышает линейную длину поглощения.
При когерентном пленении населенности одновременно с существенным уменьшением поглощения резонансных излучений наводится максимальная когерентность на дипольно-запрещенном переходе, обусловленная конструктивной квантовой интерференцией.
Эффект когерентного пленения населенности увеличивает нелинейную поляризацию, ответственную за процессы трех- и четырехволнового смешения. Последняя может значительно превосходить таковую в традиционных прбцессах резонансного преобразования частот и быть порядка или даже больше линейной поляризации. Это приводит к значительному увеличению эффективности нелинейно-оптического генерации.
' Эффективность резонансных четырехволноаых процессов смешения может быть значительно увеличена, когда два из трех смешиваемых полей являются сильными и приводят к электромагнитно-индуцированной прозрачности на частотах третьей накачки и генерируемого излучения.
С помощью дополнительного сильного лазерного поля, приложенного к переходу, яв
ляющимся смежным переходу, который взаимодействует с генерируемым излучени
ем, можно эффективно управлять процессом резонансного четырехволнового смеше
ния, используя эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности.
» Используя газонаполненные полые волноводы, можно значительно увеличить эффективность нелинейного преобразования видимого излучения в ВУФ область спектра по сравнению со случаем генерации в условиях жесткой фокусировки. Для увеличения эффективности преобразования необходимо минимизировать потери, связанные с распространением и поглощением волн накачки и генерируемого излучения.
Эффективность апконверсии частоты слабого ИК излучения при параметрическом
смешении в схеме с дополнением преобразуемой (сигнальной) частоты до двухфо-
тонного резонанса ограничена эффектом параметрического просветления на уровне
25% (при отсутствии щтарковского расщепления).
Широкополосное излучение с однородным спектром может приводить к светоинду-цируемому дрейфу однокомпонентного газа трехуровневых атомов в смеси с. буферным.
Апробация работы
Результаты, положенные в основу диссертации докладывались на VIII (Новосибирск, 1984г.), X (1990г.) и XI (1997г.) Международных Вавиловских конференциях по нелинейной оптике-* на X (Киев, 1980г.), XII (Москва, 1985г.), XVI (Москва, 1998г.) Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике, 15-й Международной конференции по
когерентной и нелинейной оптике и 8-й конференции "Оптика лазеров" (С.-Петербург,
1995г.); Международном симпозиуме "Современные проблемы лазерной физики" (Но
восибирск, 1995г.); Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (С.-Петербург, 1993г.);
CLEO/QELS (Anaheim, USA 1992, Baltimor, USA 1995); CLEO/Europe-EQEC (Amsterdam,
Netherland 1994; Hamburg, Germany 1996; Glasgo, United Kingdom 1998); International
Quantum Electronics Conference (Vienna, Austria 1992; USA 1994); SPIE's International
Symposium (Los-Angeles, USA 1994); Resonant Ionization Spectroscopy (Germany 1994);
International conference on lasers and optoelectronics (Китай, 1992г., 1995г.); Всесоюзном се
минаре по атомной спектроскопии (Ростов-Великий, 1990г.); Международной школе "Ла
зеры и их применение" (Саяногорск, 1989г.); семинаре "Резонансные нелинейные опти
ческие процессы в газах" (Дивногорск, 1986г.); Всесоюзной конференции "Перестраивае
мые лазеры" (Новосибирск, 1983); выездной сессии ученого совета по фундаментальным
и техническим наукам СО РАН (Красноярск, 1996); научной конференции, посвященной
25-легию Красноярского государственного университета (Красноярск, 1995г.); семинарах
Института физики СО РАН. - *
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 30 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти оригинальных глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 211 страниц, 84 рисунка, 1 таблицу. Список литературы включает около трехсот наименований. В начале каждой главы дается краткое введение, в конце — краткие выводы.
