Введение к работе
Актуальность темы данной диссертационной работы состоит в том, что вопросы, которые изучаются в представленной работе, относятся к фундаментальным проблемам такой быстроразвивающейся области исследований, как механическое действие оптического излучения на атомы. В этой области традиционно выделяют несколько основных направлений исследований -лазерное охлаждение и удержание атомов [1,2,4-6,8], когерентное рассеяние атомных волновых пакетов полем оптического излучения[ 1-3,5] и управление параметрами уже охлажденных атомных пучков. Отдельное место занимает физика ультрахолодных атомных ансамблей, которая включает в себя изучение конденсации Бозе-Эйнштейна и взаимодействие такого объекта с полем оптического излучения [7]. Соответственно актуальными проблемами лазерного охлаждения являются: изучение новых механизмов лазерного охлаждения, создание интенсивных пучков холодных атомов, локализация атомов на масштабах длины световой волны. В случае когерентного рассеяния волновых пакетов такими проблемами являются скоростная селекция атомов в определенных внутренних состояниях, реализация эффективных расщепителей атомных волновых пакетов при многозонном взаимодействии с полем оптического излучения. Эти и другие фундаментальные проблемы, рассматриваемые в данной работе, делают представленную диссертационную работу, безусловно, актуальной.
Научная новизна настоящей работы определяется тем, что в ней впервые представлены следующие важные научные результаты; так, посредством, рассмотренной в диссертации скоростной селекции трехуровневых атомов рамановскими п - импульсами возможно формирование узких скоростных распределений в определенных внутренних состояниях, что открывает путь к реализации глубокого охлаждения. Исследовано получение узких скоростных распределений холодных атомов в ридберговских состояниях при ступенчатом возбуждении. Показано, что когерентный перенос населенностей в многоуровневой системе эффективен для реализации расщепителей пучков в одном из внутренних состояний атома. Кроме того, рассмотрено рассеяние волновых атомных пакетов при модуляции интенсивности светового поля стоячей волны и показан параметрический характер такого рассеяния в зависимости от значений параметров модуляции. Другим примером параметрического рассеяния является рассеяние волновых пакетов трехуровневых атомов в поле четырех стоячих световых волн с различными фазовыми сдвигами.
В диссертации также представлены важные общетеоретические результаты в области лазерного охлаждения, такие как вычисление силы светового давления, в поле плоских волн, что позволило глубже понять природу градиентной силы. Впервые рассмотрены различные механизмы субдоплеровского охлаждения, связанные с проявлением в системе трехуровневых атомов эффекта когерентного пленения населенностей и различных вариантов т.н. «сизифова» охлаждения.
Наконец, впервые проведен анализ повышение эффективности лазерного охлаждения атомных пучков как в случае подстройки частоты лазерного излучения, так и изменения магнитным полем частоты резонансного перехода. Для этого введена новая величина, характеризующая ансамбль атомов в целом -энтропия Ренье, которая в случае равновесного распределения Гаусса совпадает с плотностью частиц в фазовом пространстве.
Практическая значимость. Практическая ценность проведенных исследований также высока. Так, например, на основе лазерно-охлаждённых атомных пучков созданы стандарты частоты со стабильностью на уровне 10" и атомные интерферометры, которые уже сейчас позволяют проводить прецизионные измерения скорости вращения, величины гравитационного ускорения и постоянной тонкой структуры. Кроме того, такие устройства перспективны и в качестве сверхчувствительных магнитометров.
Отметим также, что в последнее десятилетие активно развивается нанолито-графия на основе пучков холодных атомов. При этом уже получены атомные решётки с периодом порядка длины волны оптического излучения X и ширинами структур /1/25-24нм. В тоже время совершенствование техники рассеяния
атомных волновых пакетов также ведёт к реализации идеально периодических решеток атомной плотности с периодом, в сотни раз меньшим длины волны оптического излучения, что представляет несомненный интерес для дальнейшего развития микроэлектроники и нанотехнологий.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
При скоростной селекции трёхуровневых атомов в различных внутренних состояниях формируются сверхузкие скоростные распределения.
-
Возбуждение четырехуровневого атома последовательностью световых импульсов в условиях адиабатического переноса населенности реализует эффективный расщепитель волнового пакета атома в одном из внутренних состояний.
-
Когерентная динамика трехуровневого атома в поле стоячих волн качественно зависит от значения относительного пространственного сдвига стоячих световых волн.
-
Градиентная и спонтанная части силы светового давления имеют общую природу и являются частями полной силы светового давления, действующей на атом в поле оптического излучения.
-
Предложен эффективный критерий оптимизации лазерного охлаждения на основе энтропии Реньи с целью получения интенсивных пучков холодных атомов.
-
При лазерном охлаждении атомов в условиях когерентного пленения насе-ленностей в поле бегущих встречных световых волн реализуются новые механизмы субдоплеровского охлаждения.
7. Охлаждение трехуровневых атомов в поле двух стоячих волн с относительным пространственным сдвигом осуществляется посредством качественно различных механизмов субдоплеровского охлаждения.
Апробация результатов работы была проведена на различных международных симпозиумах и конференциях: конференциях европейской группы по квантовой спектроскопии - 23rd E.G.A.S, Торунь, Польша (1991), 25th E.G.A.S, Каен, Франция (1993), 26th E.G.A.S, Барселона, Испания (1995), 28th E.G.A.S, Марсель, Франция (1999); на европейских конференциях по квантовой электронике -EQEC'93, Фирензе, Италия (1993), EQEC'94, Амстердам, Голландия (1994), EQEC'2000, Флоренция, Италия; на конференциях европейского научного общества по квантовой оптике (Давос, Швейцария 1994, 1995); на международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике - КиНО'91, Ленинград, Россия, КиНО'95, С.- Петербург, Россия, КиНО'2003, Москва, Россия, Ки-НО'2005, С.- Петербург, Россия; на международных симпозиумах в 1997 и 2004 гг. «Проблемы современной лазерной физики», Новосибирск, Россия; на научных семинарах института спектроскопии РАН г.Троицк Моск.обл. (1990 - 2000 гг.), в университетах г. Лейдена (Нидерланды) 1993 г. и штата Мичиган (США) в 1995 г., а также на семинарах и конференциях в ГОИ им. С. И. Вавилова, С.Петербург, Россия.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 32 статьях в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах.
Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх основных глав и заключения. Объём диссертации составляет 256 страниц, включая 70 рисунков.
