Введение к работе
Актуальность исследований
Появление лазеров с перестраиваемой частотой излучения открыло по существу новую область исследований - лазерную спектроскопию. В результате был развит ряд принципиально новых и эффективных методов, одним из которых является внутрирезонаторная лазерная спектроскопия (ВРЛС) [1]. Среди методов абсорбционного спектрального анализа внутрирезонаторная лазерная спектроскопия по чувствительности, быстродействию, универсальности не имеет себе равных. Высокая чувствительность ВРЛ-спектрометров позволяет регистрировать чрезвычайно слабые линии поглощения, обусловленные либо малым сечением поглощения соответствующих переходов, либо небольшой концентрацией исследуемых веществ в различных агрегатных состояниях [2]. Несмотря на очевидную эффективность и перспективность селективной ВРЛС для решения разнообразных спектроскопических задач, ранее она довольно ограниченно входила в арсенал методов и средств, применявшихся для диагностики плазмы. Вместе с тем ряд важных вопросов физики плазмы, особенно нестационарной, мог найти решение только на основе использования преимуществ ВРЛС. Поэтому развитие методов внутрирезонаторной лазерной спектроскопии для целей диагностики параметров плазменных сред и изучения процессов, происходящих в них, представляется актуальной и важной задачей.
Новые возможности использования перестраиваемых лазеров открылись при исследовании резонансного взаимодействия многоуровневых квантовых систем с многочастотным лазерным излучением. Физические процессы в этих системах весьма богаты; многие из замечательных их свойств связаны с интерференцией между различными каналами возбуждения при взаимодействии с когерентными электромагнитными полями. Начало изучению интерференционных эффектов положили работы Вуда, Эллета и Ханле [3, 4], обнаруживших деполяризацию резонансной флуоресценции во внешнем магнитном поле. В настоящее время хорошо известны такие интерференционные эффекты, как квантовые биения [5], автоионизационные резонансы Фано [6] и другие [7]. В последние годы пристальное внимание исследователей привлекают два новых интерференционных эффекта, во многом родственных друг другу - электромагнитно индуцированная прозрачность (ЭИП) и когерентное пленение населенности (КПН). Они интенсивно изучаются в связи с многочисленными приложениями: безынверсное усиление и генерация [8], управление групповой скоростью оптического импульса [9], квантовая оптическая память и квантовые вычисления [10], эффективное нелинейное взаимодействие при низких интенсивно стях излучения [11] и др. Весьма перспективными являются исследования эффектов КПН и ЭИП в
газе возбужденных атомов в связи с возможностью разработки новых методов диагностики плазмы [12], поскольку переходы из основного состояния чаще всего лежат в недоступной для современных лазеров области. Такие методы по сути своей являются неконтактными, а при наблюдении флуоресценции - и локальными. Многообещающими (в плане продвижения от стадии физических демонстраций к высоким технологиям) представляются исследования эффектов КПН и ЭИП в твердотельных образцах, обладающих по сравнению с газовыми средами такими преимуществами, как высокая плотность активных частиц, отсутствие тепловой диффузии, компактность и т.п. В последнее время ведутся активные исследования электромагнитно индуцированной прозрачности и когерентного пленения населенности в режиме, когда управляющим является радиочастотное или микроволновое излучение. Интерес к подобным исследованиям связан, в первую очередь, с тем, что радиочастотное управление ядерными переходами рассматривается как один из возможных способов реализации указанных эффектов квантовой интерференции в гамма-диапазоне для мессбауэровских переходов [13].
Появление перестраиваемых лазеров определило появление совершенно новых методов исследования кристаллов, активированных ионами редкоземельных элементов и металлов переходных групп. Несмотря на богатую историю исследования примесных центров в кристаллах, и в настоящее время остаются открытыми многие вопросы, касающиеся микроскопического устройства центра активации - системы "примесный ион + лиганды" (ли-ганды - ближайшие к примесному центру ионы, расположенные в анионных узлах кристаллической решетки). Даже такая усеченная система достаточно непроста и в ней существует сложная иерархия взаимодействий. Еще более сложной становится картина при повышении концентрации примесных ионов. Между ними возникает взаимодействие, приводящее к уширению и рассщеплению спектральных линий, тушению флуоресценции и миграции электронного возбуждения [14]. Тесная взаимосвязь между свойствами электронных переходов в атомах и ионах с составом, структурой и деформациями их ближайших координационных сфер определяет широкие возможности спектроскопии (особенно лазерной) для исследования кристаллов, активированных ионами редкоземельных металлов с целью создания лазерных кристаллов с заданными параметрами, новых типов лазеров [15], передачи, хранения и обработки информации [16].
Даже этот, далеко не полный круг спектроскопических задач, связанных с использованием резонансного лазерного излучения, наглядно демонстрирует актуальность темы диссертационной работы, необходимость дальнейшего развития внутрирезонаторных и квантово-интерференционных методов для решения различных задач лазерной диагностики и выяснения спектральных свойств тех или иных сред.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы является развитие существующих и разработка новых методов использования резонансного лазерного излучения для спектроскопии твердых, газовых, плазменных сред.
Ключевыми задачами, решаемыми в настоящей работе и раскрывающими неиспользованные ранее возможности лазерной спектроскопии, являются:
развитие методов внутрирезонаторной лазерной спектроскопии для целей диагностики параметров газообразных (в том числе плазменных) сред и изучения процессов, происходящих в них;
исследование квантово-интерференционных явлений в вырожденных системах при воздействии бихроматического оптического или оптического и радиочастотного полей на газ возбужденных атомов; анализ перспектив использования интерференционных явлений для диагностики плазмы;
изучение нелинейного резонансного эффекта Фарадея в условиях когерентного пленения населенности, влияния на него поперечных магнитных полей и оптической откачки населенности с рабочих уровней;
исследование режимов электромагнитно индуцированной прозрачности и когерентного пленения населенности в оптических кристаллах, активированных ионами редкоземельных металлов; использование интерференционных явлений для измерения структуры уровней, скрытых неоднородным уширением.
Научная новизна
1. Продемонстрирована возможность эффективного использования
ВРЛС для измерения различных параметров газовых и плазменных сред
(изотопного состава, степени колебательно-поступательной неравновесно
сти, концентраций нейтральных и заряженных частиц и т.д.).
-
Впервые методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии выявлены особенности спектров поглощения водородной плазмы в поле интенсивной электромагнитной волны: тонкая структура сателлитов линий поглощения, значительная их асимметрия, сдвиг относительно невозмущенной линии поглощения, дано объяснение наблюдаемых особенностей.
-
Впервые метод внутрирезонаторной лазерной спектроскопии применен для диагностики плазмы на крупномасштабных установках.
-
Разработан и экспериментально апробован новый бесконтактный метод измерения величины и направления магнитного поля в плазме, показана возможность использования эффекта когерентного пленения населенности для измерения профиля запаса устойчивости в тороидальной термоядерной плазме.
5. Экспериментально продемонстрирована возможность возникнове
ния прозрачности для резонансного лазерного излучения в оптически плот
ной среде возбужденных атомов под действием радиочастотного электро
магнитного поля.
6. Впервые экспериментально исследовано изменение параметров нели
нейного резонансного эффекта Фарадея в присутствии поперечных магнит
ных полей и оптической откачки населенности с рабочих уровней, а также
найдена возможность компенсации отрицательного влияния последней.
7. Впервые реализованы режимы электромагнитно индуцированной
прозрачности при оптическом возбуждении когерентности в сверхтонкой
структуре ионов Рг3+ и в зеемановской структуре ионов Nd3+ в кристалле
LaF3.
-
Исследованы механизмы парного взаимодействия ионов Nd3+ в кристалле ЬаБз, впервые методами спектроскопии высокого разрешения выявлена сложная структура сателлитных линий, скрытая неоднородным уши-рением.
-
Предложены и экспериментально апробованы новые методы измерения однородной ширины линии и повышения чувствительности внутри-резонаторных интерферометров.
Основные положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие положения, получившие экспериментальное подтверждение и теоретическое объяснение. Положения собраны в пять тематических групп: 1) обоснование перспективности применения внутрирезонаторной лазерной спектроскопии для измерения параметров газообразных и плазменных сред, 2) исследования эффектов когерентного пленения населенности и электромагнитно индуцированной прозрачности в газе возбужденных атомов, 3) исследования нелинейного резонансного эффекта Фарадея в условиях когерентного пленения населенности, 4) исследования режимов электромагнитно индуцированной прозрачности и когерентного пленения населенности в оптических кристаллах, активированных ионами редкоземельных металлов, 5) разработка новых схем измерений, позволяющих существенно расширить возможности спектроскопических методов.
1) Перспективность приложения внутрирезонаторной лазерной спектроскопии для диагностики параметров газообразных (в том числе плазменных) сред определяется высокими чувствительностью и спектральным разрешением, а также широкой полосой обзора, присущими этому методу, и позволяют успешно применять его:
- для диагностики плазмы (измерение колебательно-поступательной неравновесности, спектра осциллирующих электрических полей, концен-
трации поглощающих частиц, частоты ионизации и т.д.), в том числе, на крупномасштабных установках,
для определения изотопного состава газа,
для исследования эффективности использования импульсного коронного разряда с целью удаления двуокиси серы из атмосферы,
для увеличения угла поворота плоскости поляризации света оптически активным веществом при использовании лазеров вплоть до микросекундной длительности импульса генерации.
2) Степень подавления резонансной флуоресценции при когерентном
пленении населенности под действием двухчастотного лазерного излуче
ния в среде возбужденных атомов и ионов с зеемановски расщепленными
уровнями в существенной мере зависит от ориентации магнитного поля
относительно лазерного пучка, что позволяет проводить бесконтактные из
мерения локальных значений величины и направления магнитного поля.
Оптически плотная среда возбужденных атомов при определенных условиях становится прозрачной для резонансного лазерного излучения под действием радиочастотного электромагнитного поля (эффект радиочастотно индуцированной прозрачности).
В условиях радиочастотного резонанса на зеемановских подуровнях возбужденных атомов в результате квантовой интерференции происходит перераспределение интенсивности поляризационных каналов рассеяния резонансного оптического излучения.
3) В условиях когерентного пленения населенности имеет место линей
ная зависимость магнитного поля в точке смены знака нелинейного эффекта
Фарадея от амплитуды поля световой волны.
Поперечные магнитные поля, превышающие значения продольного магнитного поля в точке максимума угла поворота при отсутствии поперечного поля, существенно влияют на угол поворота плоскости поляризации.
Возможно увеличение чувствительности и расширение динамического диапазона измеримых магнитных полей за счет предотвращения ухода населенности с рабочих уровней с помощью вспомогательного излучения.
4) Существует режим электромагнитно индуцированной прозрачности
за счет оптического возбуждения когерентности между сверхтонкими уров
нями ионов Рг3+ и зеемановскими подуровнями ионов Nd3+ в кристалле
LaF3.
Механизмы появления сателлитных линий, сопровождающих линию изолированных ионов Nd3+, связаны с обменным взаимодействием ионов Nd3+, образующих пары.
Сателлитные линии обладают сложной структурой, скрытой неоднородным уширением.
5) Преобразование спектрального сдвига интерференционных полос в
изменение интенсивности генерации лазера позволяет увеличить чувстви-
тельность внутрирезонаторного интерферометра на 3-4 порядка по сравнению с традиционной двухлучевой интерферометрией.
Применение лазерного излучения с ширинами спектра больше и меньше однородной ширины линии позволяет осуществить новый метод измерения последней.
Практическая ценность диссертации
В работе развиты и продемонстрированы широкие возможности использования внутрирезонаторной лазерной спектроскопии для диагностики ряда параметров плазмы (степени колебательно-поступательной неравновесности, концентрации частиц в основном состоянии, спектра осциллирующих полей), определения изотопного состава газа, исследования эффективности использования импульсного коронного разряда с целью удаления двуокиси серы, увеличения угла поворота плоскости поляризации оптически активным веществом при использовании лазеров вплоть до микросекундной длительности генерирующих импульсов. Эти результаты важны при разработке практических приложений низкотемпературной плазмы и контроля их эффективности.
Результаты исследований квантово-интерференционных эффектов в среде возбужденных атомов с энергетическими уровнями, формируемыми при снятии вырождения в магнитном поле, представляются важными для оптических измерений профиля коэффициента запаса устойчивости в тороидальной плазме, поиска новых схем эффективной генерации без инверсии населенностей активной среды, реализации эффектов квантовой интерференции в гамма-диапазоне для мессбауэровских переходов. В отличие от многих работ, направленных на создание максимально чувствительных магнитометров с лазерной регистрацией фарадеевского вращения в условиях когерентного пленения населенности, в диссертации рассмотрены вопросы практического применения (определение влияния поперечного ПОЛЯ, восполнение потери рабочих частиц) более грубых магнитометров и расширения диапазона измеряемых полей, сравнимых с земным или больших его.
Результаты последней главы демонстрируют широкие возможности двойного оптического резонанса (в том числе эффектов когерентного пленения населенности и электромагнитно индуцированной прозрачности) для исследования структуры уровней, скрытых неоднородным уширением, выяснения механизмов взаимодействия между ионами, что является важным для создания новых типов кристаллов с заданными параметрами, разработки твердотельных лазеров на кооперативных эффектах, хранения, передачи и обработки оптической информации, построения квантовых компьютеров.
Апробация результатов
Данная диссертационная работа выполнена в Институте прикладной физики РАН (г.Нижний Новгород). В общей сложности по теме диссертации опубликовано 25 статей в ведущих российских и зарубежных журналах, 29 докладов в трудах отечественных и международных конференций, издано 2 препринта, получено 3 авторских свидетельства и 1 патент.
Основные результаты диссертации докладывались на Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1985; Санкт-Петербург, 2005), Международной конференции по пучкам высокоэнергичных частиц (Новосибирск, 1990), Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Пиза, 1991), Международной конференции по фундаментальным проблемам оптики (Санкт-Петербург, 2005), Международной конференции по ионным источникам (Дубна, 2003), Международных чтениях по квантовой оптике (Санкт-Петербург, 2003), Международной конференции "Рубежи нелинейной физики" (Нижний Новгород, 2004, 2007), Европейской конференции по лазерам и электрооптике (Мюнхен, 2005), Международной конференции по когерентному контролю фундаментальных процессов в оптическом и рентгеновском диапазонах (Нижний Новгород, 2006), Международном совещании по мощному излучению в плазме (Нижний Новгород, 1993), Международном совещании по физике лазеров (Трондхейм, 2008; Барселона, 2009), Всесоюзных конференциях по генераторам низкотемпературной плазмы (Фрунзе, 1983) и по физике электронных и атомных столкновений (Чебоксары, 1991), Всесоюзных совещаниях по диагностике высокотемпературной плазмы (Дубна, 1983), по квантовой метрологии и фундаментальным физическим константам (Ленинград, 1985) и по нелинейным и когерентным эффектам в ВРЛС (Ленинград, 1991), на Всесоюзном симпозиуме по плазмохимии (Днепропетровск, 1984).
Личный вклад соискателя
Все изложенные в диссертации оригинальные результаты получены при непосредственном и активном участии автора на всех стадиях работы (постановка задачи, разработка методов измерений, проведение экспериментов, анализ и обсуждение полученных данных), а значительная их часть и под его научным руководством.
Структура и объем диссертации
