Введение к работе
Актуальность темы.
Данная работа посвящена исследованию свойств силы вынужденного
светового давления, действующей на атомы в импульсном поле стоячей световой во ины резонансного лазерного излучения
Вынужденное воздействие света на атомы является фундаментальной пробіемой, которая в настоящий момент широко изучается как теоретически, так и экспериментально в различных научных центрах мира Эта проблема охватывает широкий круг разнообразных явлений торможение и ускорение частиц, селективног отклонение и рассеяние атомных пучков, охлаждение атомов и ионов до сверхнизких температур Во многих лабораториях ведутся работы по развитию и совершенствованию методов управления пространственным движением нейтральных частиц
Сеєтовоє давление - одно из проявлений пондеромоторного действия света, которое заключается в воздействии на поступательные степени свободы частиц, а также отдельны}, атомов и молекуя с помощью оптического излучения
В последние і оды исследования механического действия света на атомы перешли из области фундаментальных исследований в обт асть практического примгнения погученных результатов В диссертационной работе изучалось рассеяние атомного пучка натрия в импульсном поле (-15 не) стоячей световой воины, образованной двумя встречными пучками излучения лазера на красителе В эксперименте используется большая напряженность светового
поля (> 10 ВIСМ), что позволяет эффективно рассеивать атомы на
большие углы и открывает ноеіьіє возможности практического применения полученных результатов Поэтому изучение рассеяния агомов импульсным полем стоячей световой волны резонансного лазерного излучения является актуальной задачей
Отклонение атомов из пучка за счет силы выведенного светового давления, действующей на атомы в импульсном поле стоячей световой полны, было впервые зарегистрировано в 1981 году в экспериме*те [141 В этом эксперименте были изучены условия, влияющие на эффективность процесса рассеяния атомов неоднородным полем стоячей световой полны, получено рассеяние на углы превышающие собственную расходимость атомного пучка, проведены первые исследования зависимости эффективносги процесса рассеяния от параметров лазерного излучения, таких как напряженность поля лазерного излучения и отстройка частоты излучения от резонанса
Работы, вошедшие в данную диссертацию, являютсі продолжением экспериментов [14-16], и посвящены подробному изучение свойств силы вынужденного светового давления В эксперименте используется метод исследования силы вынужденного светового давления, основанный на наблюдении рассеяния пучка атомов натрия, пересекающего под прямым углом сильное импульсное поле стоячей световой волны, образованной двумя встречными лазерными пучками Основу экспериментальной установки составила прежняя схема, которая была модернизирована в части учучшения параметров лазерного излучения и схемы (-оздания рассеивающего поля В работе проведены исследования зависимости распределения ргссеянных атомов по импульгу от таких параметров рассеивающего потя, как величина напряженности и вид пространственно-временной структуры рассеивающего поля, а также отстройка частоты поля or резонанса При исследовании частотных свойств процесса рассеяния был обнаружен новый эффект. Оказалось, что и случае, когда рассеив,цощее поле образовано двумя импульсами, приходящими в область взаимодействия с атомши с нгбопышй по отношению к длительности импульса (~ 1 %) времеїшои задержкой, наблюдается преимущественное рассеяние атомов в направ іении нолнового вектора одного из них С изменением отстройки частоты расі еивающего поля
от резонансі происходит периодическая смена направления преимущественного рассеяния атомов с периодом, определяемым временем задержки импульсов поля в области взаимодействия
Цели и задачи работы
Основной целью данной диссертационной работы является детальное исследопание :,авис-имости основных характеристик об чаруженного ранее эффекта рассеяния атомов натрия полем стоячей световой полны резонансного излучения, прс исходящего под действием силы вынужденного светового давления, от параметров рассеивающего поля и параметров процесса рассеяния Для достижения этой цели решались следующие: задачи
-
Модернизация экспериментальной установки с целью создания дополни гельныч возможностей для изучения зависимости рассеяния атомов от параметров поля и параметров процесса рассеяния Для решения этой задачи было необходимо улучшить параметры лазерного излучения (спектральный состав, энергию излучения, форму пространственного распределения интенсивности а поперечном сечении лазерного пучка), а также разработать и реализовать новую схему формирования рассеивающей стоячей световой волны
-
Экспериментальное исследование формы диаграммы рассеяния -распределения рассеянных атомов по импульсу - и выявление параметров процесса рассеяния, определяющих эту форму
-
Оценка возможности описать наблюдаемый процесс рассеяния атомов в рамках теории когерентного рассеяния двухуровневого агома в поле стоячей световой волны Сравнение экспериментально измеренной диаграммы рассеянрія с функцией распределения рассеянных атомов по импульсу, полученчой в рамках этой теория
-
Исследование формы диаграммы рассеяния в зависимости от отстройки частоты рассеивающего поля от резонанса в полях различной напряженности
Сравнение экспериментальной частотной зависимости эффекта рассеяния с результатами расчета, выполненного в рамках теории когерентного взаимодействия двухуровневого атома с полем стоячей световой волны
5 Исследование обнаруженного эффекта преимуществе иного рассеяния атомов в направ пении одного из волновых векторов встречных волн, образующих рассеивающее поле стоячей световой волны, который возникает при наличии временной задержки между ними
Автор диссертации принимал личное участие в модернизации экспериментально!і установки, а также активно участвовал в последующем эксперименте на всех этапах исследования Автор тікже принимал непосредственное участие в постановке задач для расчета и сравнении экспериментальны it и теоретических результатов
Научная но зизиа результатов работы
Развиваемое в диссертационной работе направление исследований относится к наименее изученной области взаимодействия излечения л атома, а именно, к механическому воздействию на гігом импульсногэ поля большой интенсивности Работы такого рода в мировой литературе практически отсутствуют Проводимые в этой области исследования hocjt приоритетный характер В то же время, как оказалось, такая постанові а эксперимента позволила обнару* ить новые возможности в '/правлении атомами
В эксперименте были обнаружены неизвестные ранее сюйства процесса рассеяния атомов силой вынужденного светового давленил Было установлено, что при наличии небольшой временной задержки между встречными импульсами, создающими рассеивающее поте, возникает пргимущественное рассеяние атомов вдоль одного из волновы?. векторов встречных имп>льсов поля Кроме того, происходит периодическая (мені направления преимущественногэ рассеяния атомов в зависимости от отстройки частоты поля от резонансі, что проявляется в эксперименте в виде осцилляции
«центра тяжести» диаграммы рассеяния атомов с периодом, определяемым времеьем относительной заде ржки встречных импульсов поля
Научная и практическая ценность
Проведенные эксперименты, результаты которых изложены в данной диссертации, подтвердили высокую эффективность разработанной импулісной методики воздействия на атомы с помощью силы вынужденного светового даиления Максимальный угол отклонения атомов из пучка, наблюдаемый в оксперимейте, почти на порядок превышает собственную расходимость атомного пучка Именно7такое сильное ргесеяние может стать основой для практического использования исследуемого эффекта, которое свялано со способностью световых полей эффективно воздействовать на посгупцельнее движение аіомов и молекул селективно отклонять л рассеивать атомные пучки на значительные углы, тормозить или ускорять частицы, охлаждагь атомы и ионы до сверхнизких температур и т д Уже реализованы экспериментальные схемы, позволяющие использовать вынужденное световое давление для разделения изотопов или выделения одной компоненты из смеси веществ и пр В последние годы использование сфокусированных атомных пучков нашло применение в области нанэте.шологий
Помимо чисто прикладного значения результаты но рассеянию атомов на евзтоной решетке сильного поля, сформированного встречным! импульсами резошненого лазерного излучения, предстаатяют интерес с точка зрения фундаментальных физических проблем Результаты данной диссертационной работы способствуют пониманию фиіики взаимодействия атомов с полем, обладающим сложной пространственно-временнол структурой Исследования, проведенные в данной рабсте, показывают, что эффективное управление движением атомов осуществимо с использованием
лазеров, обладающих нестабильными пространственно-временными характеристиками и сложной спектральной структурой
Результаты данного эксперимента, в частности, наблюдение нового эффекта, связанного с асимметрией рассеяния атомов вдоль волновых векторов встречные импульсов поля, способствовали поязлению ря,ва новых работ в области теории рассеяния [17-21]
Основные псложения, выносимые на защиту.
-
Основными факторами, определяющими форму наблюдаемых в эксперименте распределений рассеянных атомов по импульсу и частогных зависимостей сигнала рассеяния являются вид пространственного распределения интенсивности поля в поперечном сечении лазерного пучка и величина напряженности рассеивающего поля
-
Рассеяние атомов в поле стоячей световой волны, образованной встречными импульсами лазерного излучения с небольшой относительной временной задержкой между ними, происходит несимметрично вдоль волновых векторов этих импульсов Направление преимущественного рассеяния атомов зависит от величины и знака временной задержки встречных импульсов поля и от отстройки частоты поля ог резонанса.
-
При изменении отстройки частоты рассеивающего поія от резонанса происходит периодическая смена направления преимущественного рассеяния атомов вдоль волновых векторов встречных импульсов, формирующих рассеивающее поли при небольшой временной задержке между ними Величина периода определяется относительным временем задержки встречных импульсов
4 Форма экспериментально измеренных распределений рассеянных
атомов по импульсу соответствует виду соответствующих теоретических
распределений только для случая слабых полей (<10 ВIсм) и спектра излучения в виде одной линии Форма экспериментальных диаграмм 8
рассеяния атсмов и частотных зависимостей сигнала рассеяния в случае
сильного рассеивающего поля (~3 10 ВIсм) со спеїсгром, состоящим из нескольких линий, свидетельствует о том, что величина действующего поля, вызываюшего рассеяние, в данном случае меньше, чем та напряженность поля, которая вычисляется на основаяии данных измерения в этих режимах
Иубдив ации и апробация результатов
Основные результаты, вошедшие в диссертацию, блли получены в 1992 - 2006 годах в отделе физики плазмы Института обшей физики им AM Прохорова РАН. По материалам диссертации опубликовано 7 статей в научнкх журналах [1-7] Резуаьтаты работы неоднократно публиковались в сборниках трудов конференций [8-13]
Основные результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах и конференциях ИОФ РАН. Эти результаты также докладывались на Международной конфереяции по лазерной и электронной оптике и Европейской конференции по квантовой электронике CLEO'94 - EQEC94 (Амстердам, Нидерланды, 1994), XIV Международной конференции по лазерной спжтроскопии TWICOLS'95 (Капри, Игалия, 1995), Xі/ Международнзй конференции по когерентной и нелинейкой оптике ICONO'95 (Саикт Петербург, 1995), IV Международной конференции по лазерной физике LPHY!3'95 (Россия, 1995), III Международной конференции по оптике и интерферок-етрии атомов (Эльба, Италия, 1996); "VII Международной конференции по лазерной физике LPHYS'98 (Берлин, ФРГ, 1998), X Международной конференции по лазерной физике LPHYS'Ol (Москва, 2001)
Стр уктура :я объем работы.
Диссертация стоит из введения, трех глав и заключения Работа содержит 114 страниц машинописного текста, 31 рисунок и список цитированной литературы, включающий 133 наименования
