Введение к работе
Актуальность теш.
Исследования спектральнсьугловой неустойчивости интенсивного лазерного излучения, распространяющегося в резонансной среде играют важную роль в спектроскопии и. квантовой оптике и оказываются весьма существенными при решений практических, задач, связанных с использованием лазерного' излучения во многих современных технологиях и приборах,' таких как лазерное разделение изотопов, лазерная фотохимия, лазерный микроанализ, в комбинационных лазерах, обращающих волновой фронт зеркалах и
ЛР- . . . "'.'
Указанная поблема широко изучалась в последнее время, и в результате многочисленных экспериментов было установлено, '-что" в спектре лазерного пучка, прошедшего через достаточно плотную резонансную среду появляются нескольких смещенных .по частоте относительно'лазерной компонент рассеяния, в его сечении воз-никэет коничгское излучение и спокл-картша, являвшаяся следствием развития процессов мелкомасштабной самофокусировки.
Попыткам объяснения спектрально-угловых характеристик рассеянного излучения было посвящено большое число теоретических работ, хотя до недавнего времени ни одна из предложенных моделей, носивших, в основном, чисто качественный характер, не могла удовлетворительно интерпретировать всю совокупность по-, лученных экспериментальных данных. Наиболее', адекватно, . по-, видимому, результаты исследований описывает модель, основанная на рассмотрении процессов резонансного невырожденного четырех-вопнового взаимодействия (ЧВВ). Однако, применимость модели ЧВВ до сих пор, вообще говоря, не очевидна и для объяснения наблюдаемых эффектов продолжают рассматриваться и другие теории. Помимо того, используемоэ до сих пор практически во всех работах для описания атомной подсистемы двухуровневое приближение оказывается недостаточным и возникает требование более полного ~ многоуровневого описания атома, поскольку при значительных интенсивностях лазерной волны может происходить, вследствие полевого увшрения, возбуждение близлежащих уровней. Для экспериментов в парах щелочных "металлов, такая ситуация
-ч-
возникает при интенсивностях лазерного излучения, соответствующих условию П ~ О, где О - частота РаОи, а 0 - величина дублетного расщепления (для паров натрия это имеет место при интенсивностях порядка десятков МБт/см2, обычных для экспериментов с импульсным возбуждением).
Несмотря на большое количество данных, полученных к настоящему времени, ^шогие аспекты, связанные с резоншоным-взаимодействием лазерного излучения с атомарными парами остьются до сих пор неизученными. В первую очередь это связано с тем, что практически все экспериментальные исследования были выполнены при высокочастотных отстройках лазерного излучения от частоты резонанса, так как полагалось, что процессы вырожденной самофокусировки, возникающие в этой области отстроек и приводящие к мелкомасштабной неустойчивости и разбиению лазерного пучка на отдельные нити значите пьно позыгчют интенсивность взаимодействия, в то время как при низкочастотных отстройках падение плотности мощности в пучке из-за самодефокусировки делает маловероятным развитие неустойчивости. Однако в работе .[1],- учитывая влияние процессов ЧВВ, теоретически было показано, что интенсивная лазерная волна испытывает поперечную неустойчивость при любом Знаке отстройки от резонанса, а развитие пространственной и частотной неустойчивостей следует рассматривать" как единый процесс.
Крої/ того, в исследованиях помимо ЧВВ процессов необходимо учитывать одновременное развитие и многих других нелинейных явлений, таких как самофокусировка и дефокусировка, самомодуляция, пленение' излучения и т.д., причем выделить какой либо один процесс в таких условиях практичосжи невозможно и все они оказываются неразрывно взаимосвязаны. Особый интерес представляет собой неизучавшался ранее резонансная флюоресцен-.ция многоуровневой среды в сильном лазерном поле, поскольку спонтанное излучение в случае плотной среды является именно тем шумовым сигналом, из которого развиваются процессы вынужденного рассеяния 121 и спектр которого в значительной степени определяет спектральные характеристики неустойчивости лазерной волны.
-4~-
Целью.настоящей работы являлось всестороннее и комплексное экспериментальное изучение процессов, сопровождающих распространение интенсивной лазерной волны в резонансной среде паров натрия - спектрально-угловой неустойчивости лаэорного пучка и резонансной флюоресценции в сильном лазерном поле в широком диапазоне экспериментальных параметров (плотности паров натрия, интенсивности газерного излучения, лазерных отстроек от резонансных линий) и, в частности, в условиях, когда интенсивность лазерного иа /чения достаточно велика (О ~ С) и атом натрия не может считаться двухуровневой системой. При исследовании спектрально-угловой неустойчивости пучка основное внимание удел л^сь ~пучвю низкочастотных лвзернчх отстроек от резонанса с целію г^пучекия экспериментальных данных в неизу-w 'и-лй ранее облает'"*
Научная новизна проведенных исследований состоит г следующем:
.1., В работе впервые экспериментально показано, что спектрально-угловая неустойчивость интенсивной лазерное волны в резонансной среде возникает і при низкочастотных отстройках частоты лазерного поля от резонансного атомного перехода. Изучены основные закономерности образования конического излучения а указанной области отстроек ** вогокомпонентные спектры рассеяния. В рвб""? vbkjK3 показано, что картина резонансного рао-с&я-^т.. лра "красных" іазерних отстройках от линий дублета натрия во многом аналог; тс случаю'"синих" отстроек.
' 2. Обнаружены ні .те, неизвестные рснее компоненты рассеяния и исследованы.иХ юновные характеристики.
3. В работе (оказано, что закономерности развития спектрально-угловой '..^устойчивости в парах натрия могут быть качественно объяснены озбуждонием четырехвелновых процессов в среде трехуровневых атомов и не требует привлечения для интерпретации опытных дат.^х альтернативных механизмов.
4'. Впервые експериментально зарегистрированы многокомпонентные спектры флюоресценции паров натрия и дана их ин-терпрета!ія на основе расщепления Раби трехуровневой системы, помещенной в с... іьное лазерное поле. Изучены основные закономерности возбуждения флюоресценции и исследована модификация
-*-'
l-э ыультиплетных спектров при изменении параметров взаимодействия. ...
Практическая ценность работы.
Полученные в данной работе экспериментальные результаты изучения взаимодействия излучения с, резонансной средой в широком диапазоне экспериментальных параметров, сравнение с теорией и результатами расчетов дают цельную картину процессов, сопровождающих распространение лазерного пучка. в резонансном втрмарном паре и позволяет прогнозировать результаты взаимодействия в условиях практического применения, важны для решения задач лазерного разделения изотопов, дистанционной диагностики, лазерной фотохимии и др., в особенности в том случае, если предполагаемое практическое приложение чувствительно к искажению фронта лазерного пучка и его спектра. Генерация новых частотных компонент в результате эффектов распространения, значительная в них перекачка энергии лазерного пучка может влиять как на изотопическую и химическую селективность указанных процессов, так и на их эффективность.
Представленный в данной работе подход* и исследованию спектров резонансной флюоресценции позволяет изучать не только принципиальные'вопросы нелинейной оптики и лазерной спектроскопии, но и дает методику для практических измерений процессов релаксации и переноса- возбуждения в газовых средах.
На защиту выносятся следующие положения:
t. Лазерный і*учок интенсивностью 1-2 + 25 МВт/car в области длинноволновых отстроек длины.волны лазерного излучения от длины волны D1 линии 0.02 +1.3 нм при распространении в парах натрия о плотностью Н « 10^ + 10 см испытывает спектрально^углрвую неустойчивость, проявляющуюся в генерации конического излучения, появлении спекл-отруктуры в св'їенин рассеянного пучке и в возбувденив нескольких смещенных по час-ore, относительно лазерной компонент рассеяния, ранее не наблюдавшихся. Угол конического излучения ф определяется парамет-" рами взаимодействия (интенсивностью I, величиной отстройки, плотностью паров) и лежит в диапазоне 4 + 20 мрад, причем зависимость величины угла ф от N имеет насыщающийся характер.
-?-
-
.Для случая низкочастотных лагерных отстроек от D1 линии натрия в спектре конического излучения отсутствуют выделенные компоненты'(в отличие от случая высокочастотных лаьер-ных отстроек от Б2 линии), не регистрируемые на других углах наблюдения, а основная доля энергии рассеянного излучения, генерируемая в конус,- принадлежит уширенной лазерной линии. Однако, за исключением этого обстоятельства, картина рассеяния в указанной, выше области параметров в целом аналогична наблюдаемой при высокочастотных'оїстройках от D2 линии.
-
Экспериментально зарегистрированный спектр резонансной флюоресценции паров натрия плотностью'N <» 10 + 3-Ю см в поле лазерной волны интенсивностью I <- 10 + 25 МВт/см2, имеет форму мультиплета, содержащего, в зависимости от отстройки лазерной частоты от частот D-лтлй натрия, вплоть до 7 компонент.
-
Мультиплетнвя структура споктров резонансной флюйрес-ценции связана с ращеплением Раби в поло лазерной волны как основного 3S, так и двух возбужденных ЗР урогней натрия на шесть квазиэнергетических уровней; регистрируемый же экспериментально вид спектров определяется пространственной неоднородностью энергетического распределения ли сечению лазерного
.пучка и поглощением квантов флюоресценции в негозмущенных парах натрия.
Апробация работы.. Основные .результаты докладывались и обсуждались на Междушродных конференциях ALT'92 (Москва, 1992), "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (Томск, 1992), "Laser Optica'93" (С.-Петербург, 1993), семинарах ТРИНИТИ и МФТИ.
Публикации. Основные результаты диссертации 'опубликованы в 9 печатных работах.
Структура и объел диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и закллчения. Общий объем диссертации 161 страница, из уткх. 109 страниц текста и 58 рисунков на 41 странице. Библиография включает 11В названий на 11 страницах.
