Введение к работе
Актуальность темы
Исследования взаимодействия когерентного электромагнитного излучения с многоуровневыми квантовыми системами являются сегодня одной из интенсивно развивающихся областей нелинейной лазерной спектроскопии и квантовой оптики. 3 многоуровневых сиетилах принципиальную роль играет наличие нескольких каналов возбуждения и наведение лазерными полями когерентностей между долгоживушими квантовыми состояниями. Это приводит к появлению различных квантовых интерференционных эффектов во внутренней и трансляционной динамике атомов. Возникающая вследствш когерентного возбуждения интерференция оптических каналов, приводящая, в свои очередь, к когерентному пленению населенностей (КПН), представляет собой основу многих направлений развития в современной физике: спектроскопия сверхвысокого разрешения, прецизионное управление потоками нейтральных частиц, создание атомных интерферометров, стандартов частоты нового поколения, быстродействующих модуляторов лазерного излучения, ячеек памяти для оптических компьютеров и ряда других.
В последние годы бурное развитие получили такие исследования по сверхглубокому лазерному охлаждению атомов, основанные в том числе и на КПН. Это объясняется, в первую очередь, тем, что атомные ансамбли с высокой степенью моноэнергегичности являются уникальным инструментом экспериментальных исследований в таких областях фундаментальной физики, как проверка концептуальных основ современной квантовой физики (теория измерении, постоянство фундаментальных констант на космологических временах, стандартная модель в теории элементарных частиц), а также изучение квантовосгатисти-ческих эффектов типа Бозе-конденсации и коллективных столкновений ультрахолодних нейтральных частиц.
Кроме того, ансамбли атомов, находящиеся в когерентном супер-позиционном квантовом состоянии (когерентные среды) представляют собой по существу, новое состояние вешества, характеризующееся нетривиальными оптическими свойствами: электроиагюстноинлуцированная прозрачность, безынверсионное лазирование, наличие большого, сильно зависшего от частоты показателя преломления в спектральной области с чрезвычайно низкам поглощением, подавление квантовых шумов и др.
Такті образом, разработка теоретических вопросов связанных с поведением многоуровневых атомов при квантовой интерференции каналов возбуждения представляется актуальной и своевременной.
Целью работы является последовательное теоретическое описание динамики многоуровневых квантовых систем при когерентном пленении населенноотей, включающего в себя прежде всего:
-
нахождение критериев установления когерентного пленения и расчет нестационарной эволюции населенностей атомных систем яри возбуждении резонансными долями;
-
анализ распространения лазерного излучения в оптически плотной когерентной среде;
-
исследование когерентной и стохастической трансляционной динамики при селективном по скорости когерентном пленении населенностей (СС ЫШ).
Научная новизна
3 диссертации в рамках единого теоретического подхода исследованы квантовые интерференционные явления в когерентных атомных ансамблях, возникающие при их возбуждении электромагнитным излучением. Это позволило надеано установить ряд физических закономерностей в области переходных и нестационарных процессов в атомной динамике, в том числе и тех, где внутренние и трансляционные степени свободы атома существенно связаны, а танке в области физических свойств оптически плотных когерентных сред. В работе впервые получены следующие результаты.
Аналитические решения для временной динамики внутреннего состояния трехуровневых атомов с учетом релаксационных процессов при двухфогонном резонансе. Проанализировано влияние нарушения приближения вращающейся волны на существование ЫШ.
Доказано, что если возбуждаемые резонансными полями перехода многоуровневой квантовой сист&мы образуют замкнутый контур, то стационарные значения населенностей такой системы зависят от относительной фазы возбуждающих электромагнитных полей.
Показано, что закон убывания интегральной интенсивности непрерывного лазерного излучения с ростом оптической толщины в среде в условиях КПН линеен, независимо от формы спектра падающего излучения, в отличие от классического экспоненциального закона Бугера-Ламберта.
Установлено, что для двухчастотного излучения, распространявшегося в оптически плотной А -среде, тлеется окно прозрачности, ширина которого уменьшается с ростом оптической толипны.
Показано, что з подлороговом рекиме ХИН таїеет место самофокусировка лазерного излучения. Найдено, что этот механизм самофокусировки характеризуется аномально малой интенсивностью насы-Ш8ЯИЯ нелинейности и резкой зависимостью от разности расстроек полей, связанной с выполнением условия дзухботонного резонанса (равенства отстроек для обоих полей, возбуждающих различные переходы в трехуровневом атоме).
Проведен количественный анализ метода скоростной селекции многоуровневых атомов для различных конфигураций возбуждающих электромагнитных волн. Найдены условия возникновения узких скоростных структур селектируемых атомов и параметры взаимодействия, при которых их ширины могут быть существенно меньше скорости отдачи атома.
В рамках квазиклассического подхода рассчитано, как охлаждение атомов при СО КПН происходит благодаря дийфузионно.чу перераспределению их в импульсном пространстве. Исследована эволюция скоростного распределения атомов, найдены характерные временные масштабы эволюции, аналитические.выражения для временных зависимостей плотности охланденных атомов и ширины скоростного распределения.
Найдено аналитическое решение квантового кинетического уравнения, олисывашего поведение ансамбля атомов, охландаемнх методом ОС ЮН, пригодное на больших временах взаимодействия во всем .диапазоне атомных импульсов, корректно описнЕакнее возникновение в импульсной функции распределения пиков, соответствующих охлажденной фракции атомов и обладающих шириной меньше импульса отдачи.
Определены предельное значение температуры атомов охлаждаемых методом 00 ІШН нэке пределе, отдачи, и его эсофективнооть.
ЫсоледошН процесс лазирного oxлaзєшiя атомов с замкнутым контуром возбуждения (двойных А -атомов). Установлено, что характер эволюции скоростного распределения двойных А -атомов под действием четырех резонансных световых волн суиестненно определяется относительной фазой полей.
Ярэдложена и количественно проанализирована новая схема ла-
зервого охлаждения атомов четно-четных изотопов элеменов второй группы, которая позволяет получать ансамбли атомов с температурой много .меньше температури отдачи в стационарном режиме.
Научная и практическая ценность
Исследование условий и динамики установления когерентного пленения населенностей в многоуровневых квантовых системах необходимы в таких областях современной физики и техники, как спектроскопия сверхвысокого разрешения, квантовая метрология, создание быстродействующих оптико-электронных переключателей и модуляторов, сверхглубокое лазерное охлаждение атомов.
Практическое применение результатов исследования прохождения лазерного излучения через оптически плотную когерентную среду в над- и подпороговш режимах КПН лежит в области конструирования новых средств оптической передачи и обработки информации. Снижение порога самофокусировки открывает возможность передачи маломощных световых пучков на значительное расстояние без дифракционных потерь.
Результаты исследования метода скоростной селекции для многоуровневых атомов на бегущих электромагнитных волнах имеют важное практическое значение для создания атомных интерферометров и квантовых стандартов частоты нового поколения.
Научная ценность результатов исследования динамики лазерного охлаждения при КШ определяется важностью их применения для планирования экспериментов по сверхглубокому охлаждению и интерпретации результатов, а также для развития эффективных методов управления трансляционным движением атомов.
Основные положения, выносимые на защиту
I. Определяющая роль релаксации додгоживупюй атомной когерентности во внутренней и трансляционной динамике атомов в режиме когерентного пленения населенностей.
м, лВОрвТТ'ТЧОСКОЗ ОПИСаНЛЭ МН0Г0УГ03Н65НХ КЕЗНхр.ВШь CHOl'Sivi с
замкнутым контуром возбуждения. "Чувствительность стационарных значений населенностей к относительной фазе возбуждавших электромагнитных полей.
3. Теория распространения непрерывного лазерного излучения в оптически плотных средах с наведенной долгоживушей атомной когерентностью .
-
Результаты расчета скоростной селекции многоуровневых атомов для различных конфигураций бегущих электромагнитных волн. Доказательство возможности формирования узких структур скоростного распределения атомной населенности с ширинами много меньше скорости отдачи.
-
Квазиклассическая и квантовая теория динамики лазерного охлаждения атомов при селективном по скорости когерентном пленении населенностей в одном измерении.
-
Предельное значение температури и временная зависимость эффективности лазерного охлаждения атомов методом СС КПП.
Апробация Работы и публикации
Основные результаты диссертационной работы докладывались на 7L Всесоюзной конференции по динамике излучагааего газа (Москва, 1987), Ш Всесоюзном совепіанші по квантовой метрологии и фундаментальном физическим константам (Ленинград, 1888), П Всесоюзной конференции по оптической ориентации атомов и молекул (Ленинград, I98S), Всесоюзном симпозиуме по проблемам радиоизмерительной тех-никл (Горький, 1989), Х.УП Международной аколе но квантовой оптике (Торунь, Польша, 1889), 17 Всесоюзном симпозиуме по исследованиям в области измерений времени и частоты (Москва, 1990), X Международной Завидовской конференции по когерентной и нелинейной оптике (Новосибирск, 1990), IX Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолетового излучения и его взаимодействия с веществом (Томск, 1991), Всесоюзной конференции ло физике электронных и атомных столкновений (Чебоксары, ISSI), 20-й, 23-й, 25-й и 26-й конференциях Европейской группы по атомной спектроскопии (Град, Австрия, 1988; Торунь, Польша, І99Ї; Каея, Франция, 1993; Барселона, Испания, 1994), Ї7ІЇІ Международной конференции по квантовой электронике (Вена, Австрия, 1992), 17 и У Европейской конференциях по квантовой электронике (Флоренция, Италия, 1993; Амстердам, Голландия, 1994), 9-й конференции Европейского физического общества (Флоренция, Италия, 1993), 5-й конференции по атомной и молекулярной физике (Эдинбург, Шотландия, 1995), 15-й Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995), УШ конференции по оптике лазеров (Санкт-Петербург, 1995), а такие на научных семинарах кафедры теоретичесаой физики и кафедры квантовой электроники СПоТТУ, кафедры физики СПоТУ, ФТЇЇ им.А.Ф»
Иофйе РАН, Российского института радионавигации к времени, института экспериментальной физики Технического згниварситета г»Грац (Австрия) и университета г.Пиза (Италия).
По теме диссертации опубликовано 32 печатные работы. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем.мсдертацш. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, 49 рисунков, I таблицы и списка литературы из 184 наименовании. Всего 287 страниц. Основные оригинальные результаты изложены в соответствующих параграфах.
