Введение к работе
Актуальность работы
Диссертация посвящена теоретическому изучению флуоресцентных свойств излучателей внедренных в диэлектрическую оптически прозрачную среду. В настоящее время происходит интенсивное развитие и совершенствование техники спектроскопии примесей в плотных газах и различных конденсированных средах - жидкостях и твердых телах. Одними из главных объектов анализа здесь являются флуоресцентные свойства как одиночных примесных центров, так и ансамблей излучателей. Эти свойства существенным образом зависят от характеристик среды, заполняющей пространство между центрами, и близости других оптически активных частиц. Знание таких зависимостей можно использовать для создания устройств оптической логики, конверсии лазерного излучения, генерации неклассических состояний света и других приложений. Особый интерес к некоторым задачам о влиянии окружения на излучающий центр возникает благодаря ярким успехам последних лет в регистрации спектров флуоресценции твердотельных систем. Здесь можно отметить экспериментальные работы по исследованию спектров флуоресценции квантовых точек при низких температурах [1-3] и квантовых точек в микрополости [4, 5], работы по исследованию резонансной флуоресценции одиночных молекул [6, 7] и искусственных атомов [8]. В проведенных экспериментах показано, что при взаимодействие излучателя с полем сам излучатель хорошо описывается в рамках двухуровневой системы. Это можно проследить по полученным трехпиковым спектрам Моллоу со смещенными неупругими компонентами для различных источников флуоресцентного излучения: от электронных переходов в молекуле до искусственных систем с дискретными электронными уровнями квантовых точек и пр. Указанные обстоятельства дают весомые аргументы для дальнейшего развития теории по описанию флуоресцентных свойств
ансамблей двухуровневых систем, включающие особенности их излучения в условиях сплошной среды. Это необходимо как для интерпретации наблюдаемых явлений, так и постановки новых экспериментов, основывающихся на регистрации зависимостей интенсивности флуоресценции от частоты поля накачки и анализе спектрального состава рассеянного света.
Здесь, однако, возникает ряд серьезных сложностей при детальном теоретическом изучении подобных систем. Во-первых, это многочастич-ность задачи: большое количество частиц оказывает влияние на поведение отдельно взятого излучателя, что делает невозможным точное теоретическое описание. Во-вторых, изучение спектральных характеристик излучателя, в случае нелинейного его поведения, требует особого подхода к определению спектра излучения в стационарном режиме и, что немаловажно, в нестационарном режиме, зависящем от времени спектра света испускаемого излучателем.
Цель диссертационной работы
Теоретическое описание флуоресцентных свойств одиночных квантовых излучателей и их ансамблей в диэлектрических средах при непрерывно действующем лазерном излучении. Исследование воздействия окружающих частиц на оптические свойства излучателя и его поведение.
Научная новизна
1. Впервые получена система уравнений для описания динамики ансамбля неподвижных излучателей в диэлектрической среде в рамках микроскопического подхода. Полученная система уравнений учитывает влияние локальных свойств среды на излучатель и влияние излучателей друг на друга при их непосредственной близости. В рамках этой системы можно рассчитывать как стационарный спектр флуоресценции и стационарный спектр поглощения пробного поля излучателем, так и нестационарный спектр флуоресцен-
ции. При выводе управляющего уравнения одновременно получены выражения для скорости радиационной релаксации излучателя в среде и для действующего на излучатель поля в зависимости от показателя преломления среды.
-
Впервые получены аналитические выражения для стационарного спектра флуоресценции и стационарного спектра поглощения пробного поля двухуровневым излучателем для двух механизмов формирования внутренней (безрезонаторной) оптической бистабильно-сти. Первый механизм связан с действием на излучатель локального поля Лоренца. Второй механизм возникает благодаря взаимодействию локальной колебательной моды (фонона) среды с излучателем.
-
Впервые продемонстрирована возможность выявления одного из двух механизмов формирования внутренней оптической бистабиль-ности по качественному поведению стационарного спектра флюоресценции и стационарного спектра поглощения пробного поля излучателем. Показано, что знание одной только зависимости интенсивности излучения от поля накачки недостаточно для определения механизма формирования оптической бистабильности.
-
Впервые выведено аналитическое выражение для полной стационарной интенсивности флуоресценции двух близко расположенных двухуровневых излучателей с диполь-дипольным взаимодействием в зависимости от частоты постоянно действующего лазерного поля. Рассмотрен частный случай распространения лазерной волны перпендикулярно к прямой, соединяющей два излучателя. Также получены простые аналитические выражения для независимого описания двух максимумов, возникающих в кривой полной стационарной интенсивности флуоресценции. Описан вклад двух различных про-
цессов в эту кривую. Первый процесс связан с поглощением одного фотона из поля и распределением этого возбуждения одновременно между двумя излучателями. Второй процесс связан с поглощением двух фотонов, в результате чего оба излучателя оказываются в возбужденном состоянии.
Практическая значимость
Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для экспериментального определения оптических свойств атомов, ионов, молекул или квантовых точек внедренных в диэлектрическую среду. Рассмотрение спектральных характеристик испускаемого света позволяет изучать процессы связанные с излучателями, в результате их взаимодействия с локальным окружением.
В рамках полученных результатов для скорости радиационной релаксации и действующего на излучатель поля можно путем внедрения исследуемого излучателя в заданную среду определить его основные характеристики. Подбирая среды с различной диэлектрической проницаемостью возможно управлять скоростью радиационной релаксации излучателя, что несомненно может быть использовано в оптических элементах различных устройств. Полученные результаты имеют фундаментальную научную значимость, поскольку они раскрывают связь между изменением действующего на излучатель поля и изменением скорости радиационной релаксации в среде.
В диссертационной работе предложен экспериментальный способ качественного определения механизма формирования внутренней (безрезо-наторной) оптической бистабильности излучателя с помощью исследования поведения спектра флуоресценции и спектра поглощения пробного поля при переходе с нижней ветви петли гистерезиса на верхнюю ветвь. Использование временной задержки спектра флуоресценции при перехо-
де из одного стационарного состояния излучателя в другое стационарное состояние может быть использовано для проверки качества стабилизации интенсивности лазерных систем, в различного рода оптических гра-дуировочных устройствах. Описанный эффект бистабильности можно использовать в логических устройствах, основанных на оптических элементах, оптических переключателях. С помощью учета свойств спектра поглощения пробного поля возможно создание перестраиваемого частотного фильтра электромагнитного излучения.
Представленные в диссертации результаты по исследованию полной интенсивности флуоресценции двух близко расположенных излучателей можно использовать для экспериментального определения геометрических параметров в системе. С одной стороны, по положению пиков полной интенсивности флуоресценции можно судить о расстоянии между излучателями, которое может быть существенно меньше длины волны самого излучения. С другой стороны, контролируя положение излучателей можно управлять интенсивностью отклика системы на внешнее лазерное поле. Меняя поляризацию внешнего лазерного поля можно задавать направление векторов индуцированных дипольных моментов излучателей. Это приведет к изменению силы диполь-дипольного взаимодействия. В результате частота, на которую приходится максимум бокового пика, будет как больше, так и меньше собственной частоты перехода излучателей.
Защищаемые положения
1. Наличие диэлектрической среды вокруг излучателя приводит к согласованному изменению скорости радиационной релаксации, лэм-бовского сдвига и действующего на излучатель поля. В случае однородной изотропной среды эти изменения определяются ее диэлектрической проницаемостью. Показано, что соответствующие
поправки пропорциональны отношению действующего на излучатель поля к максвелловскому полю.
-
Определить механизм формирования внутренней оптической би-стабильности по типу эффективной накачки или эффективной отстройки можно по результатам сравнения спектра флуоресценции или спектра поглощения (усиления) пробного сигнала на двух устойчивых ветвях гистерезисной кривой. Только из анализа гистерезис-ной кривой определить соответствующие механизмы невозможно.
-
Для стационарного спектра флуоресценции при переходе с нижней ветви петли гистерезиса на верхнюю ветвь, в случае механизма эффективной накачки расстояние между боковыми пиками увеличивается, в случае механизма эффективной отстройки - уменьшается.
-
Для стационарного спектра поглощения (усиления) пробного сигнала при переходе с нижней ветви петли гистерезиса на верхнюю ветвь, в случае механизма эффективной накачки расстояние между пиком поглощения и пиком усиления увеличивается, в случае механизма эффективной отстройки - пики меняются местами.
-
Для определенно заданной геометрии двух одинаковых излучателей в лазерном поле можно получить точное аналитическое выражение стационарной интенсивности флуоресценции двухчастичной системы в зависимости от частоты внешнего лазерного поля. Полученная зависимость имеет два максимума и может быть представлена в виде суммы двух процессов, связанных с однофотонным и двухфотонным поглощением.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:
-
2-ая Международная конференция/молодежная школа «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства» г. Владимир, Россия 16-19 ноября 2009.
-
XIII International Conference on Quantum Optics and Quantum Information (ICQOQI 2010), Kyiv, Ukraine, 28 May-1 June 2010.
-
17-th Central European Workshop on Quantum Optics (CEWQO-2010), St. Andrews, Scotland, 6-11 June 2010.
-
VIII Международная конференция «Лазерная физика и оптические технологии» г. Минск, Республика Беларусь, 27-30 сентября 2010.
-
20-th International Laser Physics Workshop (LPHYS'll), Sarajevo, Bosnia and Herzegovina, 11-15 July 2011.
-
XI Международные Чтения по квантовой оптике (IWQO - 2011), г. Волгоград, Россия 5-10 сентября 2011.
-
1-st International Russian-Chinese Conference/youth school-workshop Modern Laser Physics and Laser-information technologies for science and manufacture (MLPLIT 2011), Suzdal, Russia, 23-28 September 2011.
-
15-ая Международная молодежная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» г. Казань, Россия, 24-26 октября 2011.
Публикации.
Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, из них 4 статьи в журналах из списка ВАК России [А1, А2, A3, А4] и 8 тезисов докладов.
Личный вклад автора
Все изложенные в диссертационной работе результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим.
Структура и объем диссертации
