Введение к работе
Актуальность темы. Поляризационные и магнитооптические явления в
атомах* всегда находились в центре внимания исследователей. Изучение этих
явлений, во-первых, давало возможность глубже понимать физические
процессы на уровне атома, во-вторых, позволяло извлекать более полную
спектроскопическую информацию о веществе, и, в-третьих, способствовало
созданию рахтичных оптических устройств. В последние десятилетия, в связи с
возникновением и развитием нелинейной оптики, указанные явления стали—
широко исследоваться с этой точки зрения. В последние годы ведутся
интенсивные работы по изучению . возможностей создания с помощью
поляризевзнного нхчучения атомных и ионных лоеушек,; селективного
заселения атомных уровней, получения лазеров без инверсии насі.іенностсй,
магнитооптических фильтров в различных областях длин волн, преобразования
частоты излучения и т.д. Нелинейные явления вообще н поляризационные в
частности исслеловалнсь в большинстве случаев в терминах нелинейных
восприимчивостей низших порядков, либо, в резонансном приближении для
простейших* двухуровневых, атомных систем. Кроме того, исследования .
нелинейных эффектов во внешних . постоянна. ПОЛЯХ, И ВЛИЯНИЯ
интенсивности на мапшшые свойства вещества, до середины семидесятых
годов практически не проводились даже в резонансном приближении.
Недостаточно были изучены также поляризационные э^чректы .в
многоуровневых атомных системах, и поляризационные . свойства
многофотонных процессов. Следует также, отметить, что, изучение
магнитооптических явлений проводилось тогда в основном в твердых телах,
т.к. их проявление в газах, например в парах металлов, считалось очень
слабым. Однако начавшееся в середине семидесятых экспериментальное
исследование нелинейных поляризационных эффектов в парах атомов, в
частности, в парах щелочных металлов, а также изучение магнитных свойств
таких сред в поле интенсивного излучения, близкого К резонансу с переходами
атомов газовой среды, показало, что, во-первых, наличие резонансов может
приводить к существенному усилению наблюдаемых в ларах эффектов, во-
вторых, газовая среда обладает целым рядом преимуществ по сравнению с
гвердым телом. Дело в том, что высокая чувствительность свободного атома к
воздействию резонансного излучения приводит к значительной конкуренции
между различными . нелинейными процессами (самовоздействкя,
параметрического 'смешения частот, нелинейного поглощения,
самоиндушіроваїшого поворота плоскости поляризации, многофотонныуи и
т.д.), что дает возможность, в принципе, легко управлять как самими
нелинейными эффектами, так и магнитными свойствами газа с помощью
гаких легко варьируемых параметров газовой среды как плотность паров,
гемперагура, длина взаимодействия и т.п. : . .
Цель работы заключается в теоретическом исследовании поляризационных (влений при ыаммодейстшш лазерного излучения с атомами в условиях іднофотонного н двухфотонного резонанса и влияния постоянного магнитного, юля на эти явлении; исследовании- нелинейных магнитооптических эффектов.
\
и нелинейных магнитных восприймчивостей атомарных сред при таком взаимодействии; теоретическом анализе процессов с участием двух фотонов "слабого" поля, происходящих на модельных атомных системах в сильном поле излучения, близкого к резонансу, построении теории поляризационных состояний системы двух фотонов и ее использовании для детального анализа нелинейных поляризационных свойств лвухфотонного испускания простейших атомных систем.
Научная новизна Получены квазиэнергии и соответствующие волновые функции трехуровневого атома в поле дихроматического квазирезонансного излучения, а также рассчитаны вероятности всевозможных процессов рассеяния, происходящих при переходах между каазиэнергетическимн состояниями. Показано, что в Е-системс можно достичь инверсии населенностей соответствующим выбором последовальности включения и выключения полей, близких к резонансу со смежными переходами, при условии почт точного лвухфотонного резонанса.
Проведен подробный анализ лоляпцзаиконных явлений при взаимодействии атома типа щелочного металла с полем одной или двух эллиптически поляризованных волн в условиях близости к двухфотонному и (или) промежуточному однофотоиному резонансам Показано, что в случае одной волны в почти точном двухфотонном резонансе можно создавать динамическую инверсную заселенность в Е-системе выбором поляризации этой волны. Показано, что в случае распространения в такой атомарной среде двух эллиптически поляризованных монохроматических волн имеет место перекачка энергии из одной волны в другую с одновременным поворотом эллипсов поляризации обеих волн
Изучена атомная V-система с верхними уровнями, являющимися компонентами Р-дублета, взаимодействующая с полем излучения, близкого к резонансу, при ' . наличии внешнего, постоянного магнитного поля произвольной величины и направления, в частности, исследованы процессы многофотонного рассеяния на такой системе и показано, что перемешивание компонент Р-дублета магнитным полем приводит к существенному изменению вероятностей этих Процессов, например, "трехфотонного" и ВЭК рассеяния.
Исследован эффект Фарадея в атомарных средах в условиях однофотонного и двухфотонного реэонансов и получен вид нелинейной зависимости константы Верде от интенсивности излучения. Рассчитан также угол поворота плоскости поляризации слабой немонохроматической волны в таких средах при наличии внешнего магнитного поля и встречной интенсивной монохроматической волны. При этрм показано, что воздействие на среду интенсивной линейно-поляризованной волны, близкой к резонансу с атомным переходом, приводит к перекачке энергии между циркулярными компонентами слабой волны, что
4 "
проявляется, в частности, в осцилляторной зависимости константы Вердс слабого поля от расстояния и плотности числа атомов среды.
Исследовано влияние квазирезонансного излучения на магнитные свойства парамагнитного газа во внешнем постоянном магнитном поле. Предсказан ряд
нелинейных ^магнитооптических эффектов, в частности, резкое увеличение и
(или) изменение знака магнитной восприимчивости и намагниченности парамагнитной среды в магнитном поле, вызванное воздействием линейно-поляризованного квазирезонансного излучения. Рассмотрены аналогичные эффекты в средах из диамагнитных молекул, в частности, получена и исследована нелинейная зависимость обратного эффекта «Г ірадея от интенсивности излучения в условиях близости к резонансу с атомами среды.
Для двухуровневой системы в поле монохроматического излучения и для Н-
системы в поле бихроматического излучения получено обобщение формулы
Гепперт-Майер вероятности одновременного испускания двух фотонов.
Получены также вероятности когерентного її ііггогереіггного рассеяния
фотонов "слабого" поля двухуровневым атомом в классическом
квазирезонансном поле либо "одетым" атомом. Установлена сьязь между
вероятностями элементарных актов испускания двух фотонов либо рассеяния и
усилением в среде волн на соответствующих частотах при различных фазовых
соотношениях между волнами.
Записана поляризационная матрица плотности системы двух фотонов, дано процедурное определение состояний поляризации системы, проведены их классификация и детальный анализ. Исследованы поляризациоино-угловые. свойства фотонных пар, испускаемых двухуровневым атомом с переходом 1/2->1/2 в поле квазирезонансного излучения, и рассеяния фотонов на таком атоме. Предложен способ регистрации фотонов, прн котором возможно изучение поляризационных свойств фотона, не обладающего определенным импульсом, и исследована связь этих свойств со сферическими состояниями фотона. Проанализированы свойства симметрии системы двух фотонов. Практическая ценность представленных результатов определяется направлениями современного физического эксперимента в области как фундаментальных так и прикладных исследований и отчасти сформулирована в обосновании выбора темы работы. Отметим некоторые конкретные аспекты возможных, а также имевших место, применений полученных результатов. Создание перенаселенности атомных состояний в веществе тесно связано с проблемой получения лазерного эффекта, а также с проблемой преобразования частоты лазерного нхчучения. Получение перенаселенности в различных трехуровневых атомных системах в поле двух волн при определенной последовательности включения и выключения этих волн и- определенных условиях на расстройки олнофотонного и двухфотонного резонансов было экспериментально осуществлено несколько лет назад, получило название
СТИРАЛ (стимулированное рамановское адиабатическое прохождение) и уже начинает использоваться при проектировании экспериментов по атомной оптике, для изучения возможностей получения атомных и ионных ловушек, и с чисто фундаментальными целями.
Полученные в диссертационной работе теоретические Результаты послужили основой для интерпретации целого ряда экспериментальных работ по преобразованию частоты излучения, в частности в ИК и УФ диапазоны, в парах калия, таллия, цинка, проведенных в ИФИ НАН Армении, а также для создания, в том Же институте, оригинальной абсорбционно-поляризационной методики измерения атомных констант, по которой были определены, в частности, поперечные сечения столкновений атомов натрия с атомами инертных газов, а также параметры межатомных потенциалов взаимодействия.
Результаты по нелинейному, прямому и обратному, эффекту Фарадея могут
служить основой для экспериментальных исследований возможностей создания
на парах металлов так называемых фарадеевских, или магнитооптических,
фильтров в различных диапазонах длин волн. Эти же результаты могут явиться
основой весьма чувствительных методов различных спектроскопических
исследований, в частности. Для измерения сил осцилляторов переходов,
плотностей паров, малых концентраций атомов в смесях, слабых магнитных,
полей ит.п. -.> v ';';- .-'.'..'''"'.-'.'-'
Результаты по нелинейным магнитным свойствам вещества уже применялись .для частичной; ' интерпретации .экспериментов по измерению лазерно-индуцнрованного .магнитного момента в ларах калия и рубидия, проводившихся в ИФИ НАН Армении, и могут применяться в дальнейшем для постановки такого типа экспериментов, представляющих значительный интерес для проблем, связанных с созданием запоминающих оптических устройств. . ' ' - ' .
Развитый в диссертации формализм поляризационной Матрицы плотности
системы двух фотонов' вместе с результатами: по лоляризационно-угловым
свойствам двухфотонного испускания различных систем может найти свое
применение, с одной стороны, при анализе экспериментов по исследованию
корреляций/ между фотонами, их статистике в . различных нелинейных
процессах, с другой .стороны, "для предложений по экспериментальной
проверке теорий 'скрытых параметров. Системы;, ^коррелированных, в
частности, по поляризациям фотонов стали в последние годы исследоваться
также с ттки зрения передачи информации ; r -;':S-S;'. v;A?:;^
1.Результаты теоретического неследс^ния трехуровневой Егсистемы в поле бихроматического излучения, близкого: к резонансам, и поляризационных явлений в условиях ДвуЖ^онногорезонанса.
З.Результаш ііссдедовании многофотонных ^ процессов рассеяния
квазнрезоїіамсноіо ихіучения на атоме при наличии внешнего магнитного
ноля, величина которою сравнима с интервалом гонкой структуры
возбужденного атомного состояния.
З.Теорин нелинейных магнитооптических явлений (прямой и обратный эффект
Фарадея) при воздействии на атомарные среды лазерного излучения в условиях
близости к оянофогонному и двухфоіонному резонансу, во внешнем
магнитном голе
4.Теорня нелинейного воздействия квазирезонансного излучении на магнитные
восприимчивости атомарных сред. ' . .
5.Выражения для вцюятнотей процессов испускания двух фотонов и рассеяния
фотонов атомными системами' с si&'ie квазирезонансного излучении.
б.Пиляризанионная матрица плотности системы двух фотонов, процедурное определение состояний поляризации системы, анализ се поляризационных свойств и свойств емметрии.
7.Анализ поляризацпопно-угловых особенностей процесса испускания двух фотонов и рассеяния фотонов атомом с і.'рсходом 1/2—» 1/2 в квазирезонансном поле.
Апробация работы. Большая часть результатов, полученных в диссертации, докладывалась на Республиканских совещаниях по взаимодействии! лазерного излучения с атомами и электронами, проводившихся п ИФИ НАН Армении (1975-1988 гг.), на VII, IX и XI Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной от икс (Тбилиси, 1976 г.; Ленинград, 1978 г.; Ереван, I9S2 г.), на Всесоюзном совещании по резонансному нелинейному преобразованию частоїы лаіерною и пучения (Красноярск, 1977 г.), на международной конференции К'ОМР (Ирак.шон, Греция, 1984 г.).
Структура диссертации. Работа состоит из Введения, шести глав и
Заключении, і< коюром перечислены основные резулыаты. Общий обьем
лиссерглции составляет стрзниц машинописного текста, она содержит 20
