Введение к работе
Актуальность темы. Диссертация посвящена исследованию физических процессов, сопровождающих динамику атома в сильном лазерном поле сложного спектрального состава. Соответствующие задачи теоретической физики связаны с развитием новых областей фундаментальных и прикладных исследований и освоением перспективных направлений высокой технологии. Упомянем здесь лишь такие мотивы, как лазерная спектроскопия , химические реакции под воздействием лазерного поля, проблемы разделения изотопов, освоение технологии лазерного манипулирования отдельными атомами и т.д. [1-12 ]. Общим моментом в рассматриваемых задачах является освоение возможностей, которые предоставляет использование сильного лазерного излучения с произвольным спектральным составом. Разкоообразие физических приложений приводит к к разнообразию различных постановок физических задач, весьма отличающихся и по урозню сложности. Подчеркнем, что исследование некоторых таких задач находится лишь на начальном этапе. Появление все более мощных лазеров и прогресс экспериментальной техники делают возможным освоение новых диапазонов физических параметров, позволяют ставить новые физические задачи и делают необходимым их теоретическое исследование. Ряд таких теоретических задач, возникающих на стыке квантовой оптики, атомной физики и лазерной физики, и являются предметом данной диссертации.
Цель работы заключается в изучении возможностей, предостав-
ляемых для управления динамикой атома сильным лазерным излучением со сложным спектральным составом. Это, во-первых, решение задачи о спектре квазиэнергий двухуровневого атома в интенсивном полигармоническом ( полихроматическом ) квазирезонансном внешнем поле. Далее, в диссертации исследуется задача о том, к каким физическим последствиям приводят особенности спектра квазиэнергий ( окрестности параметрических резонансов, ПР ) двухуровневого атома на примере слабо модулированного бигармонического ( бихроматическом ) внешнего поля. Одной из основных задач диссертации является задача построения нового аналитического подхода к процессам типа ионизации атома в сильном ( сверхсильном ) модулированном внешнем поле. В диссертации также рассматриваются физические системы со свободным обменом фотонами между различными модами внешнего поля. С физической точки зрения общим моментом для рассматриваемых в диссертации задач является исследование таких ситуаций, когда взаимодействующие системы ( атом и внешнее поле ) нельзя рассматривать по отдельности, применяя для описания их взаимодействия методы теории возмущений.
Научная новизна. Основные результаты диссертации.
1. Развит последовательный асимптотический подход к задачам о динамике атома в сильном ( сверхсильном ) лазерном поле, состоящий в сведении такого типа задач к исследованию решений интегро-дифференциальных уравнений с большим параметром. На этой основе построена теория многофотокнои ионизации атома в сверхсильном поле сложного спектрального состава. Обнаружена связь между яв-
лением стабилизации атома в сверхсильном лазерном поле и наличием дискретных собственных значений у субматрицы оператора дипольного момента атома. Обнаружена возможность возрождений населенности первоначально заселенного уровня.
-
Построена асимптотическая теория распада уровня в зону под воздействием сильного квазирезонансного лазерного поля с произвольной модуляцией. Обнаружена возможность захвата населенности уровня в случае поля с глубокой модуляцией.
-
Вычислена скорость распада изолированного уровня в континуум в резонансном приближении без учета переходов в континууме в терминах асимптотических характеристик матричного элемента оператора дипольного момента атома.
-
Описан в аналитическом виде спектр квазиэнергий двухуровневого атома в интенсивном полихроматическом лазерном поле, в том числе вычислены ширины квазиэнергий в случае чисто радиационного распада.
-
Исследованы особенности спектра поглощения газа двухуровневых атомов под воздействием слабо модулированного сильного бихрома-тического излучения в окрестности параметрического резонанса ( когда уровни квазиэнергии асимптотически сближаются ).
-
Исследованы особенности спектра поглощения газа трехуровневых атомов под воздействием слабо модулированного бихроматического излучения в случае параметрического резонанса. Обнаружена возможность периодического усиления без инверсии в таких ситуациях.
-
Описан осциллирующий характер механической силы, действующей на атом погруженный в слабо модулированное бихроматическое излу-
чение в случае параметрического резонанса.
-
Предложено новое атомное зеркало на основе каустики квазирезонансных световых полей. Показано, что каустика дает возможность реализовывагь макро- и микро-ловушки и "пинцет" для атомов.
-
Описан широкий класс физических систем ( описываемых с помощью соответствующих модификаций модели Джейнса-Каммингса ) с возможностью свободного обмена фотонами между модами. Предложен простой аппарат, позволяющий строить спектр гамильтонианов ( или решение начальных задач, если внешнее поле содержит классическую составляющую ) для этого класса физических систем.
Достоверность полученных результатов вытекает из физической и математической строгости постановки задач, приводимых рассуждений и вычислений, а также сравнений с результатами других физических работ.
Методика исследования. Физической основой полученных в диссертации результатов являются результаты квантовой механики и, в первую очередь, уравнение Шредингера. С математической точки зрения развиваемый в работе подход заключается в сведении соответствующего уравнения Шредингера ( с помощью надлежащего базиса ) к системе ( конечной или бесконечной ) обыкновенных линейных дифференциальных уравнений, выделении естественного малого ( или большого ) параметра и решения задачи в рамках подходящей асимптотической процедуры. При изучении спектра квазиэнергий двух-
уровневого атома в интенсивном полигармоническом поле мы используем метод эталонного уравнения для построения асимптотик решений линейного дифференциального уравнения второго порядка [ 13, 14 ]. Для задач, связанных с изучением динамики двухуровневого ( трехуровневого ) атома в слабо модулированном бигармоническом поле в окрестности ПР мы используем метод многих масштабов [ 15 ]. При исследовании процессов типа ионизации атома в сильном ( сверхсильном ) внешнем поле мы сводим соответствующую задачу к задаче построения асимптотики решения интегро-дифференциальных уравнений с большим параметром; простейшие задачи такого типа были решены в [ 16 ]. При изучении моделей типа Джейнса - Кам-мингса со свободным обменом фогонами между модами внешнего поля мы используем формализм Фока - Баргманна [ 17 ], что позволяет применить к задачам этого типа мощную технику, развитую в теории уравнений в частных производных.
Теоретическая и практическая значимость. Хотя работа имеет теоретический характер, ее результаты имеют как практическую, так и теоретическую ценность. Наиболее важным теоретическим результатом является разработка нового аналитического подхода к задачам типа ионизации атома в сильном световом поле. При решении соответствующих физических задач были решены и новые задачи асимптотического анализа - построены асимптотики решений интегро-дифференциальных уравнений с большим параметром в ситуациях, когда функциональные параметры задачи имеют особенности разных типов. Полученные результаты позволяют в общих терминах описать
динамику соответствующих физических систем и, в частности, описать явления типа стабилизации атома в сверхсильном лазерном поле и возрождений населенности первоначально заселенного уровня.
Полученное в диссертации описание спектра квазиэнергий двухуровневого атома позволяют проследить зависимость положения квазиуровней от различных параметров задачи, таких, как модуляция внешнего поля, амплитуда отдельных его гармоник и т.д.
Исследование физических проявлений особенностей спектра квазиэнергий ( в окрестности ПР ) показало перспективность применения этих об'ектов для задач лазерной спектроскопии, управления механической динамикой атомов и создания новых источников лазерного излучения. Весьма перспективными представляются также возможные приложения предложенного в диссертации нового атомного зеркала на основе каустики квазирезонансного излучения.
Описанные в диссертации модификации моделей Двейнса -Каммингса обладают весьма важными с точки зрения приложений физическими свойствами. Тот факт, что в соответствующих физических системах возможен свободный обмен фотонами между различными модами внешнего поля позволяет рассматривать такие системы как источники квантованного излучения. При этом другие моды внешнего поля ( классические или квантованные ) могут выполнять роль накачки. При этом мы можем управлять параметрами генерируемого излучения, выбирая параметры накачки. Таким образом, эти физические системы представляются весьма перспективными как источники квантованного излучения.
Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на 3 Международном Совещании по квантовым и нелинейным процессам в квантовой оптике ( Дубна, 1993 ), IV NATO Workshop of Super-Intense Laser Atom Physics ( Волга, 1995, "Konstantin Si-monov" ), Workshop of Laser Cooling and Atom Physics ( Волга, 1995, "Konstantin Sirronov" ), Quantum Electronics and Laser Science Conference ( QELS'96, Anaheim, California, 1996 ), Международной конференции по лазерной физике ( LPHYS'96, Москва, июль 1996 ), семинарах кафедр вычислительной физики, математической физики, квантовой механики, кафедры общей физики - 1, лаборатории квантовой электроники физического факультета С.-Петербургского Государственного Университета, лаборатории математических проблем геофизики Петербургского Отделения Математического Института РАН, кафедры общей физики и волновых процессов Московского Государственного Университета, семинарах Института Общей Физики РАН, физического факультета С.-Петербургского Педагогического Института, ВНИИ Метрологии им. Д.И.Менделеева.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [ К.1 - К.12 ], список которых приведен в конце автореферата.
Структура и об'єм диссертации. Работа состоит из Введения и четырех глав, разбитых на параграфы. Параграфы, в свою очередь, разбиты на пункты. Некоторые громоздкие детали вычислений
вынесены в приложения к параграфам. Общий об'єм диссертации -365 страниц машинописного текста. Имеется 36 рисунков. Список литературы содержит 315 наименований.
