Введение к работе
Актуальность
Во второй половине XX века, благодаря созданию принципиально новых источников электромагнитного излучения - квантовых генераторов (лазеров, мазеров и др.), явно обозначился новый этап развития практически во всех областях естествознания. Все более доминирующее положение приобретают оптические методы исследования различных свойств материи (физических, химических, биологических и т.д.). Уже трудно найти крупную современную научно-техническую или промышленную разработку, в которой бы лазеры не имели самого широкого применения, начиная от пассивных методов контроля и кончая активным использованием в' технологических процессах. Неоценимое значение имеют лазеры для фундаментальной науки и метрологии. Все это ставит исследование различных аспектов взаимодействия электромагнитного излучения с веществом на передний край научно-технического прогресса.
В последние годы особое внимание исследователей
уделяется изучению поляризационных особенностей взаимодействия
света с атомами, которые обусловлены векторной природой света и
законом сохранения момента импульса. Актуальность таких
исследований диктуется тем, что фундаментальный процесс обмена
угловым моментом между электромагнитным полем и частицами
вещества сильно коррелирует с двумя другими фундаментальными
процессами - обменом энергией (поглощение, излучение) и
импульсом (эффекты отдачи), что значительно усложняет картину
взаимодействия и существенным образом отражается практически на
всех явлениях, возникающих в атомарных и молекулярных средах
под действием поляризованного излучения. Особенно это
проявляется, когда резонансное взаимодействие осуществляется
через основное (долгоживущее) состояние, вырожденное по
проекции углового момента. Началом интенсивного
систематического изучения поляризационного аспекта
взаимодействия для резонансных газовых сред послужило открытие в 1950 году А.Кастлером (Нобелевская премия за 1966 год) эффекта
оптической накачки (ориентации) атомов [1,2]. Суть этого явления проста и с самых общих позиций состоит в передаче в процессе взаимодействия упорядоченности от света к частицам и к формированию в среде макроскопической анизотропии. Многие замечательные научные достижения последних десятилетий подтверждают значимость и перспективность работ в этом направлении. В качестве примера можно привести лазерное охлаждение в полях с градиентом поляризаций [3,4], когда сильная корреляция процессов обмена импульсом и моментом импульса приводит к возможности достижения сверхнизких температур, вплоть до однофотонной энергии отдачи (-10-6К) и ниже, в то время как из невырожденной модели двухуровневого атома следовало существование доплеровского предела (-10-3К) [5]. Другой пример - хорошо известный теперь эффект когерентного пленения населенностей в эллиптически поляризованном поле, когда вследствие корреляции процессов обмена энергией и угловым моментом между светом и атомами резонансное взаимодействие в стационарном пределе стремится к нулю [6]. Можно отметить также и оптические методы исследований по несохранению четности [7], где в основе самих методов лежит поляризационный аспект взаимодействия света с атомами.
Следует особо подчеркнуть важность исследования взаимодействия атомов с эллиптически поляризованным излучением. С одной стороны, это обусловлено общефизическим интересом и связано с тем, что параметры поляризации излучения (степень эллиптичности, ориентация направления главных осей) являются (наряду с частотой поля и направлением распространения) равноправными степенями свободы в системе "атомы+поле". Поэтому для полноты понимания физики процессов, происходящих в резонансных средах под действием лазерного излучения, рассмотрение общего случая полей с эллиптической поляризацией просто необходимо. Однако, к настоящему времени большая часть как теоретических, так и экспериментальных исследований проводилась с использованием полей, имеющих "чистые" (циркулярная и линейная) поляризации. С точки зрения теории, это связано прежде всего с теми математическими трудностями, которые
возникают при решении квантовомеханических уравнений в случае эллиптической поляризации и обусловлены необходимостью учета зеемановской когерентности на резонансных энергетических уровнях — здесь, в отличие от вариантов с линейной и циркулярной поляризацией, эту когерентность невозможно устранить выбором направления оси квантования. Кроме того, учет спонтанного переноса анизотропии при радиационной релаксации, а также деориентирующих столкновений приводят к дополнительным усложнениям. Говоря другими словами, ранг системы связанных уравнений и степень их "запутанности" при описании взаимодействия атомов с эллиптически поляризованными полями многократно возрастают. Так, стационарные решения в частных случаях линейной и циркулярной поляризаций для любых замкнутых переходов Fg->Fe (Fg,Fe -угловые моменты основного и возбужденного состояний) были получены ранее в работах различных авторов [8-11]. Случай произвольной эллиптической поляризации рассматривался либо для небольших значений угловых моментов [3,12-14], либо, наоборот, при Fg,Fe»\, когда можно перейти к классическому приближению в описании ориентации углового момента [15-17]. Однако, точное квантовомеханическое решение для любых Fg,Fe оставалось неизвестным вплоть до серии работ [6,18-20]. При этом нужно отметить, что рассмотрение общего случая эллиптической поляризации позволяет наиболее полно раскрыть (и не только в стационарном пределе) симметрийные свойства решений и их тензорные особенности.
Значительные пробелы, которые имеются в теории взаимодействия резонансных атомов с эллиптически поляризованными полями, приводят к негативным последствиям и в экспериментальной области, где эллиптически поляризованное излучение в качестве инструмента физических исследований используется относительно редко. Тем не менее, в последние годы начинает повышаться интерес к исследованию различных светоиндуцированных явлений в эллиптически поляризованных полях (см. например, [21,22]). Здесь открывается широкий простор для новых поисков и находок, которые, несомненно, найдут применение в различных областях лазерной и атомной физики, таких
как оптическая ориентация, нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения, лазерное охлаждение и захват атомов в полях с градиентом поляризации, нелинейная оптика, магнитооптика, эллипсометрия, исследования по несохранению четности и т.д.. Так, например, в [23] показано, что кинетика медленных атомов в неоднородном поле, образованном эллиптически поляризованными бегущими волнами претерпевает кардинальные изменения по сравнению со случаем использования линейно и циркулярно поляризованных волн. В целом же можно утверждать, что эллиптическая поляризация света существенно меняет картину взаимодействия и позволяет получать новую физически значимую информацию о различных процессах, протекающих в резонансных газовых средах под действием лазерного излучения. Поэтому работы в данном направлении имеют как общетеоретическое значение, способствуя более глубокому пониманию физической стороны вопроса, так и прикладную ценность, поскольку позволяют давать адекватную интерпретацию наблюдаемых явлений и могут приводить к новым методикам в оптических экспериментах.
Цели и задачи работы
Работа посвящена теоретическому исследованию эффекта
упорядочения по внутренним степеням свободы атомов,
находящихся под действием эллиптически поляризованного света,
и его проявлениям в некоторых задачах нелинейной лазерной
спектроскопии.
В связи с поставленными целями решались следующие задачи:
-
Исследовалась наведенная анизотропия атомов, имеющих произвольную сверхтонкую и зеемановскую структуру уровней, в поле двух эллиптически поляризованных световых пучков в условии пролетного уширения основного состояния, радиационной релаксации возбужденных уровней (учитывая спонтанный перенос анизотропии в основное состояние), а также при наличии статического магнитного поля.
-
Рассматривались типичные задачи нелинейной лазерной спектроскопии в схеме двух коллинеарных волн. При этом
анализировались поляризационные зависимости сигнала, а также особенности формы внутридоплеровских резонансов, обусловленные пролетными эффектами.
-
Проводился анализ влияния на спектроскопический сигнал процесса спонтанного переноса низкочастотной зеемановской когерентности (анизотропии) из возбужденного состояния в основное.
-
Исследовалась светоиндуцированная анизотропия атомов в монохроматическом эллиптически поляризованном поле в стационарном пределе, когда при наличии вырожденного основного состояния неприменимы обычные методы теории возмущений с учетом релаксационных процессов и пролетных эффектов.
5) Исследовался эффект когерентного пленения населенностей, в
том числе и в присутствии статического магнитного или
электрического ПОЛЯ.
Диссертационная работа выполнялась по соответствующим планам научно-исследовательских работ НИЧ НГУ.
Метод исследования
Квантовые кинетические уравнения для матрицы плотности в вигнеровском представлении, математический аппарат теории углового момента, уравнения Максвелла.
Положения, выносимые на защиту
1. Определена светоиндуцированная анизотропия атомов и расчитан сигнал в нелинейной лазерной спектроскопии резонансных газовых сред в случае двух коллинеарных пучков малой интенсивности, имеющих произвольные эллиптические поляризации. Явные аналитические выражения, представленные в инвариантной форме, позволяют детально исследовать спектроскопические сигналы, их частотные и поляризационные особенности для атомов с произвольной сверхтонкой и зеемановской структурой энергетических уровней, учитывая при этом пролетные эффекты и процесс радиационной релаксации возбужденных состояний. Проведено обобщение результатов на случай присутствия статического магнитного поля.
2. Спонтанный перенос анизотропии из возбужденного
состояния в основное играет принципиальную роль в нелинейной
спектроскопии, влияя не только на амплитуду внутридоплеровских
резонансов, но и на их знак. Так, в случае однонаправленных
световых пучков с произвольными эллиптическими поляризациями
имеет место следующая классификация замкнутых переходов
Fg-+Fe:
а) для переходов Fg=F-+Fe=F-l и Fg=F->Fe=F имеется сверхузкий (с шириной ~1/г) провал в линии поглощения, т.е. имеет место так называемая светоиндуцированная прозрачность, обусловленная нелинейными интерференционными эффектами (НИЭФ);
б) для переходов Fg=F~>Fe=F+\ имеется сверхузкий пик в поглощении, т.е. имеет место светоиндуцированное поглощение, обусловленное НИЭФ.
3. В рамках единого подхода полностью решена
фундаментальная задача по точному стационарному состоянию
атомов с замкнутым оптическим переходом Fg-±Fe в
монохроматическом поле с произвольной эллиптической
поляризацией и интенсивностью в случае радиационной релаксации
возбужденного уровня. Полученные результаты представлены в
инвариантном аналитическом виде для всех возможных значений
угловых моментов Fg и Fe По структуре стационарного решения и
возникающим физическим следствиям все замкнутые дипольно
разрешенные переходы можно разбить на четыре класса:
-
Переходы Fg=F~>Fe=F-\.
-
Переходы Fg=F~>Fe:=F (F- целое).
-
Переходы Fg=F-^Fe=F (F - полуцелое). 4,) Переходы Fg=F-±Fe=F+\.
Кроме различий, существуют и общие для всех классов переходов особенности стационарного решения: матрицы плотности основного и возбужденного состояний зависят только от четных степеней отстройки; анизотропия как возбужденного состояния, так и оптической когерентности зависит только от поляризации света (интенсивность и отстройка частоты от резонанса входят только в соответствующие скалярные множители).
-
Для переходов Fg=F->Fe~F-\ и Fg-F'-^Fe=F' (F' - целое) предсказано существование эффекта когерентного пленения населенностей (КПН) при произвольной эллиптической поляризации резонансного излучения, когда атомы в процессе оптической накачки переходят в КПН-состояния (темные состояния) и перестают обмениваться энергией с полем. Сами темные состояния имеют следующие основные свойства: обращают в ноль оператор резонансного взаимодействия атома со светом (т.е. отсутствует световой сдвиг уровня), являются когерентной суперпозицией зеемановских волновых функций основного состояния, зависят только от поляризации света и не зависят от интенсивности поля и его отстройки от резонансной частоты.
-
Для переходов Fg=F->Fe=F-\ и Fg=F'->Fe=F' (F' - целое) в присутствии статического магнитного или электрического поля существуют такие геометрические условия (взаимная ориентация эллипса поляризации и направления статического поля), в которых когерентное пленение населенностей не разрушается.
6. Существует такой выбор системы координат
("естественный" базис), в которой вектор эллиптической
поляризации описывается суммой двух циклических компонент -
циркулярной и линейной. Рассмотрение задач в этом базисе во
многих случаях позволяет проводить качественную интерпретацию
различных эффектов и существенно облегчает конкретные расчеты.
Достоверность научных выводов и результатов,
Достоверность научных выводов и результатов подтверждается:
1. Сопоставлением экспериментальных зависимостей спектра
поглощения паров щелочных металлов с результатами расчета
нелинейного спектроскопического сигнала в схеме двух встречных
лазерных пучков для различных вариантов поляризаций волн [24,25],
в том числе и при наличии статического магнитного поля [26].
2. Экспериментами по наблюдению субдоплеровского
резонанса светоиндуцированного поглощения, обусловленного
НИЭФ, в схеме двух однонаправленных волн, резонансных
замкнутому переходу типа Fg=F->Fe=F+l, входящего в структуру
1>2-линии атомов щелочных металлов [27].
3. Экспериментами по наблюдению эффекта КПН в
резонансном эллиптически поляризованном поле на переходах типа
Fg=F~>Fe=F-\ и Fg=F'-^Fe=F' (F' - целое) [21]. Эти эксперименты
подтвердили наличие темных состояний, лежащих на одном
энергетическом уровне основного состояния, а также их
независимость от интенсивности света и его спектрального состава.
4. Экспериментами [22], которые подтвердили
существование для переходов Fg-F-^>Fe-F-\ таких геометрических
условий (взаимная ориентация эллипса поляризации и направления
статического магнитного поля), в которых КПН не разрушается.
Научная новизна
Решен ряд принципиальных задач, возникающих в физике нелинейных оптических явлений, когда резонансные поля имеют произвольные эллиптические поляризации. В этом случае формируется низкочастотная зеемановская когерентность, которую нельзя устранить выбором направления оси квантования, как это имеет место для линейной или циркулярной поляризации. В основном состоянии эта когерентность является долгоживущей и оказывает существенное влияние на все физические характеристики среды.
Получены аналитические выражения для светоиндуцированной анизотропии и нелинейного спектроскопического сигнала в схеме двух коллинеарных лазерных пучков для атомов с произвольной сверхтонкой структурой уровней с учетом спонтанного переноса . анизотропии из возбужденного состояния в основное и наличием статического магнитного поля.
Проведена классификация всех замкнутых оптических переходов по знаку нелинейного резонанса, обусловленного НИЭФ, в случае однонаправленных волн.
Получено точное аналитическое решения для стационарного состояния атомов с произвольным замкнутым оптическим переходом в монохроматическом поле, что позволило выделить четыре различных класса переходов.
Для двух классов переходов предсказан эффект КПН в эллиптически поляризованном поле и определены геометрические условия, в
которых КПН не разрушается статическим магнитным или
электрическим полем.
Найден новый выбор системы координат ("естественный" базис) при
описании взаимодействия атомов с эллиптически поляризованным
излучением, что позволяет в значительной мере упростить
рассмотрение многих вопросов.
Поставленные задачи решены впервые.
Научная значимость
Полученные результаты в значительной мере восполняют пробелы, имеющиеся в теории при исследовании поляризационных особенностей взаимодействия атомов с лазерным излучением. Эти особенности определяются двумя основными причинами: векторной природой электромагнитного поля и законом сохранения момента импульса. Очевидно, что процесс обмена угловым моментом между полем и частицами не менее фундаментален, чем обмен энергией (поглощение, излучение) и импульсом (эффекты отдачи). Более того, поскольку все названные процессы происходят одновременно и сильно коррелируют друг с другом, то для адекватного понимания физической сути различных (особенно нелинейных) явлений необходим корректный учет эффектов, обусловленных зеемановской вырожденностью энергетических уровней. При этом с параметрами эллиптической поляризации излучения (эллиптичность и ориентация главных осей) связаны дополнительные степени свободы в системе "атомы+поле", что позволяет получать новую физически значимую информацию по сравнению со случаем "чистых" (линейной и циркулярной) поляризаций. Поэтому проведенные исследования светоиндуцированных явлений в эллиптически поляризованных полях имеют общефизическое значение, т.к. существенно расширяют понимание процесса оптического упорядочения в атомарных газах, происходящего под действием поляризованного излучения, и способствуют формированию новых подходов в научных исследованиях. Следует также добавить, что данный круг задач оказывает значительное стимулирующее влияние на дальнейшее развитие математического аппарата теории углового момента.
Практическая значимость
Исследование взаимодействия эллиптически поляризованного лазерного излучения с атомами является составной частью физики когерентных и нелинейных оптических явлений. Практическая значимость полученных результатов определяется многочисленными потребностями, возникающими в различных областях, таких как оптическая ориентация, нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения, лазерное охлаждение и захват атомов в полях с градиентом поляризации, нелинейная оптика, магнитооптика, эллипсометрия, исследования по несохранению четности и т.д..
Внедрение результатов работы и рекомендации по их использованию
Результаты, вошедшие в диссертацию, могут быть использованы практически во всех исследованиях, связанных с взаимодействием атомов с поляризованным излучением. В качестве примера приведем следующие:
а) Из полученных выражений нетрудно построить тензор нелинейной диэлектрической восприимчивости и исследовать распространение эллиптически поляризованных волн в газовой среде с учетом эффекта самовращения эллипса поляризации.
б) Расчет сигналов внутридоплеровской лазерной
спектроскопии сверхвысокого разрешения и магнитооптические
явления в газах атомов, имеющих произвольную сверхтонкую
структуру энергетических уровней.
в) Расчет оптико-магнитных резонансов, возникающих при
сканировании величины статического магнитного поля.
г) Вычисление градиентной силы, силы трения и
коэффициента диффузии в рамках квазиклассического описания
поступательного движения медленных атомов в неоднородном
монохроматическом поле.
д) Оптическая накачка в эллиптически поляризованном поле.
Можно указать и ряд других приложений.
Апробация работы
Результаты исследований доложены и обсуждены на конференциях: 2-й Всесоюзный семинар по оптической ориентации атомов и молекул (ВСООАМ-2, Ленинград, 1989), Х-я Международная Вавиловская конференция (Новосибирск, 1990), XIV-я Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (КиНО'91, С.-Петербург, 1991), Symposium on Analogies in Optics and Mikro-Electronics (Holland, 1991), International Workshop on Laser Physics (Moscow, 1993), XV-я Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (КиНО'95, С.-Петербург, 1995), CLEO/QELS'95 (Baltimore, 1995), ХІ-я Международная Вавиловская конференция (Новосибирск, 1997), 2-й Международный симпозиум по современным проблемам лазерной физики (MPLP'97, Новосибирск, 1997), 7Ш International Workshop on Laser Physics (Berlin, 1998), XVI-я Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (КиНО'98, Москва, 1998), CLEO/EQEC98 (Glasgow, 1998), 6{Jn European Conference on Atomic and Molecular Physics (Sienna, 1998), 16ib International Conference on Atomic Physics (Canada, 1998), 16-я конференция "Фундаментальная Атомная Спектроскопия" (Москва, 1998), 31Ё Conference of European Group for Atomic Spectroscopy (Marseille, 1999).
Структура и объем диссертационной работы
Диссертация изложена на 125 страницах, включая 19 рисунков. Она состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Все результаты, вошедшие в диссертацию, получены при личном участии автора в постановке задачи и проведении конкретных расчетов. Определяющее влияние на становление научных интересов автора при выполнении совместных работ оказали д.ф.-м.н., проф. В.С.Смирнов и д.ф.-м.н., проф. А.М.Тумайкин. Эта диссертация является, по существу, синтезом некоторой части результатов коллективного научного поиска, проводившегося группой теоретиков и экспериментаторов из Новосибирска, Томска и Москвы.
Похожие диссертации на Теория светоиндуцированной анизотропии резонансных атомов в стационарных эллиптически поляризованных полях
