Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из важнейших современных научных задач является измерение времени и частоты, поскольку большинство прецизионных измерений различных физических величин основано на частотных измерениях. Стандарты частоты с каждым годом совершенствуются. В настоящее время первичным стандартом является частота сверхтонкого перехода F = 4 —> F = 5 в атоме 133Cs (9 192 631 770 Гц). Одной их наиболее точных реализаций стандарта частоты является цезиевый фонтан, погрешность частоты которого достигла 5х10~16.
Однако высокая потенциальная добротность оптических резо-нансов делает их серьезными конкурентами первичному стандарту. Для одиночных охлажденных атомов и ионов в ловушках достигнуты ширины оптических резонансов в единицы герц. Особый интерес представляют узкие резонансы в трехуровневых системах. В широком классе трехуровневых систем с высокодобротным часовым переходом возможно возбуждение резонансов когерентного пленения населенности (КПН), свойства которых позволяет использовать их в качестве реперов частоты.
Явление КПН наблюдается в трехуровневых Л-системах, в которых переход между двумя нижними уровнями |1) и |2) запрещен, а переходы на третий верхний уровень |3) с обоих нижних разрешены. В такой системе переход |1) -^ |2) можно использовать в качестве часового перехода. Одним из методов возбуждения этого перехода является воздействие на систему двумя квазимонохроматическими полями на разрешенные переходы так, чтобы разность частот двух полей точно совпадала с частотой часового перехода. Этот механизм возбуждения позволяет исследовать реперы частот и создавать на их основе атомные часы.
До недавнего времени задача измерения оптической частоты и ее сравнения с первичным стандартом решалась с помощью ряда громоздких методов, например, с помощью цепочки делителей интервалов оптических частот. С развитием техники
фемтосекундной гребенки, позволяющей напрямую связать оптический и радиочастотный диапазон, возрос интерес к оптическим реперам частот. Для возбуждения высокодобротных резонансов КПН необходимо решить задачу стабилизации разности двух оптических частот, и здесь также можно воспользоваться фемтосекундной гребенкой.
Кроме применений резонансов КПН в качестве реперов частот было предложено использовать зеемановское расщепление резонансов для прецизионных измерений магнитного поля. Продемонстрирован магнетометр на основе кюветы с цезием, его чувствительный элемент не превышает размеры спичечного коробка. Чувствительность такого компактного магнитометра составляет 500 фТл/л/Гц, теоретический предел чувствительности сравним с чувствительностью СКВИД-магнитометров.
Еще одна область науки, в которой предложено использовать явление КПН, это квантовая информатика. Когерентная суперпозиция двух нижних уровней в Л-системе, которая формируется в эффекте КПН, может быть использована в качестве ячейки памяти квантового компьютера. На сегодняшний день продемонстрировано перепутывание таких суперпозиционных состояний между атомными ансамблями в двух различных кюветах.
Редкоземельные элементы являются перспективным объектом исследования для нелинейной спектроскопии, использования в качестве реперов частоты, магнитометрии и квантовой информации. Во-первых, они имеют большие значения тонкого расщепления основного состояния (10 ТГц и более), переход между которыми сильно запрещен. А во-вторых, уникальная электронная структура редкоземельных металлов позволяет на несколько порядков уменьшить влияние столкновений на ширину и сдвиг часового перехода. Кроме того, продемонстрирована возможность лазерного охлаждения атомов эрбия и иттербия до ультранизких температур, что позволяет выполнять спектроскопические исследования этих атомов в ловушках и оптических решетках.
Таким образом, изучение резонансов КПН, и в особенности в редкоземельных атомах, имеет обширную сферу применений как в прикладных, так и в фундаментальных исследованиях.
Цель диссертационной работы. Целью работы является экспериментальное исследование резонансов КПН с помощью нового источника на базе фемтосекундной гребенки. Для исследования Л-систем с большим расщеплением нижних уровней необходима разработка нового лазерного источника, удовлетворяющего следующим требованиям:
две оптические частоты источника должны быть настроены на соответствующие разрешенные переходы в исследуемой Л-системе,
разность двух частот источника должна быть стабилизирована с точностью до нескольких герц.
Основной задачей диссертационной работы являлось создание лазерного источника и демонстрация его характеристик на примере известной Л-системы в рубидии.
Научная новизна. Фемтосекундная гребенка широко используется для абсолютных измерений оптической частоты, для сравнения нескольких частот, для преобразования оптической частоты в радиочастоту без потери стабильности. Использование гребенки в качестве стабилизирующего элемента в источнике бихроматического поля, в применении к резонансам КПН является новым и оригинальным.
В диссертационной работе защищаются следующие положения
1. Созданная схема цифрово-аналоговой фазовой привязки обеспечивает стабильность разностной фазы одиночной моды фемтосекундной гребенки лазера MIRA-900F1 и излучения полупроводникового лазера с А = 795 нм на уровне (/2rms = 45.
1 Производитель — фирма Coherent Inc.
Схема на основе двух ведомых полупроводниковых лазеров и фемтосекундной гребенки частот обеспечивает стабильность разностной частоты на уровне не хуже 0.8 Гц при величине разностной частоты 3 ГГц и времени измерения 1 секунда.
Полуширина спектрального контура резонанса КПН в рубидии (D2 линия 87Rby); зарегистрированного с помощью нового бихроматического источника составляет 260 Гц и соотвествует добротности Q ~ 107.
4- Показано, что уровень гетеродинного сигнала между одиночной модой фемтосекундной гребенки лазера GigaJet-202, расширенной в фотонно-кристаллическом волокне, и излучения полупроводниковолго лазера с \=686 нм обеспечивает возможность надежной фазовой привязки.
Научная ценность работы состоит в разработке, реализации и подробном анализе свойств нового источника бихроматического лазерного излучения. В отличии, например, от методов радиочастотной модуляции, представленный источник открывает возможность регистрировать и исследовать узкие (менее 1 кГц) резонансы КПН в Л-системах с большим расщеплением нижних уровней (более 10 ТГц).
Достоверность и обоснованность полученных результатов базируется на использовании апробированных методик, развитых ведущими лабораториями мира и подтверждается публикациями в рецензируемых научных журналах и обсуждениями на международных конференциях. Все результаты хорошо согласуются с общеизвестными фактами.
Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в работах [1, 2, 3, 4, 5, 6] и обсуждались на конференциях:
2Производитель — фирма GigaOptics.
Высшая Лазерная Школа'2004 "Современные проблемы лазерной физики", Московская обл., пансионат "Юность", 4-6 апреля 2004 г. [7]
Школа молодых ученых "Актуальные проблемы физики", 29 ноября - 3 декабря 2004 г., Звенигород [8]
XXIII Съезд по спектроскопии, 17-21 октября 2005 г., Звенигород [9]
ЮАР 2006 (The 20th International Conference on Atomic Physics), 16-21 July 2006, Congress Innsbruck [10]
ICONO/LAT 2007, May 28 - June 1 2007, Minsk, Belarus [11]
XVII Конференция "Фундаментальная оптика и спектроскопия ФАС-2003", Звенигород"[12]
ECONOS 2004, 4-6 April 2004, Erlangen [13]
ECAMP VIII, 6-10 July 2004, Rennes, France [14]
ECONOS 2005, 10-12 April 2005, Oxford, U.K. [15]
ICONO/LAT 2005, 11-15 May 2005, St.Petersburg [16]
EGAS37, 3-6 August 2005, Dublin [17]
Личный вклад автора. Автор внес решающий вклад в результативную часть диссертационной работы. Им разработан и создан новый источник бихроматического поля, исследованы его свойства и проведены экспериментальные исследования явления КПН. Автор успешно выполнил расширение фемтосекундной гребенки в одномодовых волокнах и исследовал спектральные характеристики.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 146 страницах, состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 52 иллюстрации и список цитируемой литературы из 68 наименований.
