Введение к работе
Актуальность проблемы.
Исследование спектрально-угловых, пространственных и других характеристик процессов, отвечающих взаимодействию интенсивного резонансного излучения с газовыми средами, имеет как общефизический интерес, связанный с изучением новых явлений, исследованием новых областей параметров, так и практическое значение в приложениях связанных с лазерной спектроскопией, физикой газовых лазеров, лазерными стандартами частоты, физикой газовых разрядов, диагностикой плазмы, прецизионными измерениями и т.д., а также в задачах, связанных с использованием лазерного излучения .
Стандартное описание линейного взаимодействия излучения с веществом (как квантовое, так и полуклассическое) основано на теории Лоренца-Крамерса-Гейзенберга. В очень интенсивных полях, когда становятся существенными внутри атомные нелинейности, возникают заметные отклонения от предсказаний этой теории. Описание этих эффектов является актуальным при рассмотрении взаимодействия лазерного излучения с резонансными средами. В этом случае система "атом + поле" является сильно связанной, поэтому ее необходимо рассматривать как единую и нельзя ограничиться линейным приближением, которое используется в теории Лоренца-Крамерса-Гейзенберга.
К началу настоящей работы были выполнены детальные исследования спектров поглощения и испускания невырожденной двухуровневой системы в поле сильной электромагнитной волны. Теоретически было предсказано, а затем подтверждено экспериментально, что для достаточно больших интенсивностей спектр спонтанного испускания имеет форму трех пиков, состоящих из центральной компоненты и двух боковых симметрично отстроенных от центральной на обобщенную частоту Раби. Воздействие лазерного поля на спектр поглощения атомов приводит к тому, что существенно изменяется не только форма линий спектра может иметь место даже усиление резо-
нансных фотонов. Возможность усиления резонансных фотонов в газе атомов или молекул, находящихся в поле интенсивного лазерного излучения, приводит к тому, что энергия лазерного поля вынужденным образом перекачивается в энергию рассеянного поля и имеет место спектральная неустойчивость лазерной волны. Хорошо известна пространственная неустойчивость электромагнитной волны в резонансных средах, связанная с самофокусировкой. При этом она часто сопровождается возникновением конического излучения. Возникновение его, по-видимому, связано с процессами резонансного четырехвол-нового взаимодействия, которое носит невырожденный характер (хотя предложен и ряд альтернативных механизмов). В целом эта сложная физическая картина в последнее время является предметом многочисленных исследований. Наличие неустойчивости существенным образом может влиять на однородность и монохроматичность лазерных пучков, распространяющихся в резонансной среде, приводя к ухудшению характеристик лазерных усилителей, потере селективности взаимодействия в лазерных резонансных технологиях. Тем не менее, эта неустойчивость может оказаться и полезной при реализации широко обсуждаемой в настоящее время возможности создания одного из вариантов "лазеров без инверсии" - лазера на состояниях "одетого" атома.
В ряде задач, связанных с расчетом лазерных усилителей и исследованием процессов распространения лазерного излучения в резонансной среде, стандартное описание, основанное на системе уравнений Максвелла-Блоха, является недостаточным. Так как при этом не учитывается рассеянное поле излучения: его распространение, пленение, а также его влияние на распространение лазерной волны. В описании распространения резонансного излучения используется теория Бибермана-Холстейна, а также ее модификации, описывающие перерассеяние квантов в иных, чем это было сделано Би-берманом и Холстейном, предположениях. Наличие лазерной волны существенно усложняет задачу: необходимо дополнительно учитывать
кванты флуоресценции, возникающие при рассеянии лазерного излучения, а также когерентность, которую вносит лазерное поле в эту систему. К началу наших работ, основные теоретические исследования роли пленения резонансного излучения были выполнены в приближении, использующем малость параметра насыщения, а поэтому не позволяли описывать его влияние на распространение интенсивной лазерной волны в резонансном газе.
Таким образом, разработка и успешное развитие многочисленных приборов и устройств квантовой электроники, решение задач лазерной спектроскопии требует детального изучения спектральных характеристик процессов возбуждения неустойчивости и нелинейного рассеяния при взаимодействии интенсивного лазерного поля с резонансными средами, что и определяет актуальность исследований в данной области. Следует отметить, что если с прикладной точки зрения ясное понимание вышеописанных явлений необходимо для решения практических задач, то с точки зрения фундаментальной физики в таких исследованиях могут быть выявлены новые, неизвестные ранее закономерности процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом.
Основные цели данной работы можно сформулировать следующим образом:
-
Разработка самосогласованного описания распространения лазерного излучения в резонансных газовых средах, включающего реабсорбцию рассеянного излучения, и анализ спектральных характеристик резонансного параметрического и четырехволнового взаимодействия.
-
Детальное исследование процессов, сопровождающих распространение интенсивной лазерной волны в резонансной среде паров металлов: спектрально-угловой неустойчивости лазерного пучка и резонансной флуоресценции в широком диапазоне параметров (плотности паров, интенсивности лазерного излучения, лазерных отстроек от резонансных линий).
3. Теоретическое исследование спектральных и поляризационных характеристик процессов сопровождающих взаимодействие интенсивной монохроматической волны с резонансными вырожденными атомными состояниями, разработка квантовой теории этих процессов.
Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем:
-
Получена система уравнений для описания переноса резонансного излучения в газе двухуровневых атомов в поле лазерной волны произвольной интенсивности. Показано, что существенное влияние на процессы переноса излучения оказывает резонансное невырожденное четырехволновое смешение.
-
Предсказана спектрально невырожденная поперечная неустойчивость интенсивной лазерной волны в резонансной среде, имеющая место при любом знаке отстройки от резонанса и содержащая резонансную самофокусировочную неустойчивость Джаванна-Келли частным случаем. Наличие этой неустойчивости подтверждено выполненными численными расчетами, а также результатами экспериментов группы А.Г. Леонова.
-
Для описания спектрально-угловой неустойчивости интенсивной лазерной волны в парах щелочных металлов развита квантовая теория резонансного четырехволнового взаимодействия в газе трехуровневых атомов дублетного типа. Линейный анализ этой неустойчивости показал, что рассеянное излучение должно иметь значительно уширенный многокомпонентный состає. Показано, что закономерности развития спектрально-угловой неустойчивости в парах натрия могут быть качественно объяснены возбуждением четырехволновых процессов в плотной среде трехуровневых атомов и не требует привлечения альтернативных механизмов для интерпретации опытных данных.
-
Впервые рассчитаны спектры резонансной флуоресценции невырожденной дублетной системы V-типа в поле интенсивной монохроматической волны. Показано, что они имею мультиплетную струк-4
туру (до семи пиков) и дана их интерпретация на основе расщепления Раби трехуровневой системы, помещенной в сильное лазерное поле.
-
В работе показано, что к стандартным уравнениям матрицы плотности для двухуровневого атома в поле сильной электромагнитной волны возникают поправки, обусловленные нелинейными динамическими эффектами, и приводящие к изменению структуры радиационной релаксации и низкочастотной составляющей лэмбовского сдвига, а также спектров поглощения (усиления) атома.
-
Впервые рассчитаны спектральные характеристики эффекта Ханле для перехода J = 0 —» ./ = 1 в поле монохроматической электромагнитной волны произвольной интенсивности. При исследовании влияния вынужденных процессов на свойства сигнала Ханле показана существенная роль волновой расстройки интерферирующих состояний поля на формирование структуры рассеянного излучения.
-
Построена квантовая теория процессов, сопровождающих резонансное рассеяние монохроматической электромагнитной волны произвольного поляризационного состава в среде с произвольными значениями угловых моментов рабочего перехода. Эта теория содержит новую методику расчета спектров резонансной флуоресценции, ео угловых и поляризационных характеристик, интерференционных сигналов рассеянного излучения.
На защиту выносятся следующие положения: 1. Вывод замкнутой системы уравнений для описания распространения резонансного излучения в присутствии лазерного поля произвольной интенсивности и разработка методики расчета функции перераспределения фотонов по частотам, учитывающей влияние процессов резонансного невырожденного четырехволнового взаимодействия.
2. Доказано наличие невырожденной поперечной неустойчивости лазерной волны, имеющей место при любом знаке отстройки от резонанса и содержащей резонансную самофокусировочную неустой-
чивость Джаванна-Келли как частный случай. Результаты численного анализа возникновения и развития спектрально-угловой неустойчивости интенсивного лазерного импульса в резонансной протяженной (поглощающей) среде.
-
Результаты исследования спектрально-угловой неустойчивости лазерной волны в парах щелочных металлов, включающие построение квантового описания резонансного невырожденного четыре-хволнового взаимодействия в газе трехуровневых атомов V-типа, расчет спектров конического излучения, линейный анализ параметров конического излучения от интенсивности лазерной волны, ее отстройки от резонанса и плотности атомных паров; сравнения с экспериментальными данными рассеяния лазерной волны на D2 линии паров натрия.
-
Результаты аналитического расчета мульти.плетных спектров резонансной флуоресценции паров натрия в поле интенсивной лазерной волны резонансной D2 линии натрия. Результаты расчетного моделирования экспериментальных данных с учетом пространственной неоднородности распределения интенсивности излучения по сечению лазерного пучка и поглощения квантов флуоресценции в невозмущенных парах натрия.
-
Поправки к стандартным уравнениям матрицы плотности для двухуровневого атома в поле сильной электромагнитной волны, обусловленные изменением структуры радиационной релаксации и низкочастотной составляющей лэмбовского сдвига. Результаты анализа влияния эффектов в нелинейной динамической релаксации на населенность, спектры испускания и поглощения (усиления) двухуровневого атома в поле сильной волны. Результаты исследования роли интерференционных эффектов в структуре радиационной релаксации дублетных систем V-типа в лазерном поле, а также анализа их влияния на интенсивность спонтанного излучения.
-
Обобщение скалярной квантовой теории четырехволнового взаимодействия на случай взаимодействия фотонов различной поля-
ризации и применение ее для описания Ханле-эффекта. Результаты исследования спектральных свойств эффекта Ханле для перехода J — 0 —> J = 1 в поле электромагнитной волны произвольной интенсивности.
7. Квантовая теория процессов резонансного рассеяния интенсивной монохроматической электромагнитной волны произвольного поляризационного состава, включающая методику расчета спектров резонансной флуоресценции, ее угловых и поляризационных характеристик, интерференционных сигналов, а также спектрально-поляризационных характеристик поглощения (усиления) и четырехвол-нового смещения рассеянного излучения.
Научная и практическая ценность работы.
Полученная в работе система уравнений для описания переноса резонансного излучения в присутствии лазерного поля позволяет учитывать процессы реабсорбции и повысить точность расчета лазерных усилителей. Особую актуальность эти результаты имеют для лазерных систем в которых имеются существенная неоднородность активной среды (например, рентгеновские лазеры).
Проведенное в работе изучение взаимодействия излучения с резонансной средой в широкой области параметров, сравнение теоретических расчетов с результатами эксперимента дает цельную картину процессов сопровождающих распространение интенсивного лазерного пучка в резонансных атомарных газовых средах и имеет существенное значение для создания лазерных усилителей, реализации практических схем лазерного разделения изотопов, дистанционной диагностики, лазерной фотохимии и др., чувствительных к искажению фронта лазерного пучка и его спектра.
Развитый в данной работе подход к исследованию спектров резонансной флюоресценции позволяет изучать не только принципиальные вопросы нелинейной оптики и лазерной спектроскопии, но и
дает методику для практических расчетов и измерений процессов релаксации и переноса возбуждения в газовых средах.
Апробация работы.
Результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции по передовым и лазерным технологиям ALT'92 (Москва, 1992), Международной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (Томск, 1992), Международной конференции "Laser Optics'93" ( Санкт-Петербург, 1993), VI Всесоюзном семинаре по физическим процессам в газовых ОКҐ (Мукачево, 1986), XVI Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995), Международной конференции по квантовой электронике EQEC94 (Амстердам, Голландия, 1994), Международных конференциях по лазерам, электрооптике и квантовой электронике CLEO/IQEC94 (Анахейм, США, 1994), CLEO/IQEC'95 (Балтимор, США, 1995), на семинарах ТРИНИТИ, ИОФ РАН, ИС РАН, МФТИ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 печатных работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 21 печатной работе, в т.ч., в 17 статьях и 4 препринтах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Каждая глава начинается кратким обзором литературы по соответствующим вопросам и заканчивается выводами, наиболее важные из которых сформулированы ниже в качестве защищаемых положений. Общий объем диссертации 320 страниц, из них 221 страница текста и 101 рисунок. Библиография включает 243 названия на 19 страницах.
