Введение к работе
Актуальность темы исследования. Предметом. исследования являются нелинейные резонансные магнитооптические эффекты,
возникающие при взаимодействии сильных полей излучения с плотностью мощности вплоть до гигаватт на квадратный сантиметр с системой, представляющей из себя атомарный газ невысокой концентрации. Атомная система находится во внешнем магнитном поле, напряженность и ориентация которого могут изменяться. *
К рассматриваемым в диссертации явлениям относятся: а)Поляризационные эффекты в магнитном поле и сильном поле излучения при одно - и двухфотонном резонансе ( эффект Фарадея в сильном поле излучения, вращение плоскости поляризации линейно поляризованного излучения и круговой дихроизм в сильном поле излучения различной поляризации, в том числе в магнитном поле (двухфотонный резонанс); самовращение плоскости поляризации и самоиндуцированный круговой дихроизм эллиптически поляризованного на входе в среду излучения); б)Резонансная-флуоресценция в магнитном поле; в)Резонансное комбинационное рассеяние (РКР) в магнитном поле.
Изучение этих эффектов привлекает внимание исследователей, так как является актуальным как с точки зрения решения фундаментальных проблем нелинейной спектроскопии, так и с точки зрения решения прикладных задач.
Со времени открытия ' эффекта Зеемана магнитооптические эффекты интенсивно изучаются на протяжении ста лет. Много внимания уделено в течение последних нескольких лет изучению поляризационных эффектов в слабых магнитных полях, создающих расщепления уровней, сравнимые с шириной линии. Такие эффекты широко изучены на уровнях сверхтонкой структуры атомов. Создание перестраиваемых в широком диапазоне частот лазеров высокой мощности стимулировало эксперименты по исследованию магнитооптических эффектов, как классических поляризационных, так и эффектов резонансной флуоресценции и комбинационного рассеяния во внешнем магнитном поле.
Теоретическая интерпретация результатов таких экспериментов недостаточна. Реальный атом является многоуровневой системой. В
основном, теоретические исследования нелинейных резонансных
магнитооптических эффектов в атомах ограничиваются двух- или
трехуровневым приближением или . использованием теории
возмущений. Этот подход оправдан при рассмотрении эффектов в слабом магнитном поле, но ограничивает возможности обнаружения и исследования характеристик новых нелинейных магнитооптических эффектов, возможных в сильных полях излучения и сильных магнитных полях.
Такие эффекты связаны с изменениями электронной структуры атома (сдвигами, расщеплениями уровней, изменениями населенностей). Так как среда - атомарный газ, оптический пробой при рассматриваемых высоких значениях плотност и мощности отсутствует. Вследствие малости концентрации атомов при решении динамической квантово - механической задачи возможно пренебречь столкновениями и, следовательно, учитывать только спонтанную релаксацию.
В сильных полях излучения, для которых величины взаимодействия с атомами сравнимы с интервалом тонкой структуры в легких атомах, возникает перемешивание состояний системы и теория возмущений неприменима. Наиболее удобным является метод квазиэнергий. При этом в резонансном приближении задача сводится к стационарной задаче определения собственных чисел характеристической матрицы (квазиэнергий) и собственных векторов, позволяющих найти амплитуды вероятности для рассматриваемой системы: атом в магнитном поле и сильном поле излучения, которое может состоять из нескольких компонент. При этом для многоуровневой системы возможно только численное решение задачи о взаимодействии атомов в магнитном поле с сильными полямиизлучения.
Ликвидация существенных пробелов в теоретической
интерпретации .имеющихся экспериментов по исследованик
поляризационных эффектов, эффектов резонансной флуоресценции и
резонансного комбинационного рассеяния, относящихся к области
на стыке нелинейной спектроскопии и атомной физики, открывает
возможность установления закономерностей при взаимодействии
интенсивных полей лазерного излучения с атомарными газами е
присутствии внешнего магнитного поля произвольно!?
5 напряженности, когда возможен переход от эффекта Зеемана к эффекту Пашен-Вака, что представляет интерес благодаря следующим обстоятельствам:
-
В области нелинейной спектроскопии открывается возможность получения информации об изменениях электронной структуры реального многоуровневого атома в сильных полях излучения и магнитном поле с использозанием спектров вращения плоскости поляризации и кругового дихроизма, а также спектров резонансной флуоресценции и резонансного комбинационного рассеяния. ' ' '";
-
В области физики и техники лазеров ожидаемые результаты теоретического исследования и компьютерного моделирования поляризационных эффектов вращения плоскости поляризации могут быть использованы в фазово - поляризационном методе управления спектром генерируемого излучения лазеров, а результаты исследования эффекта резонансного комбинационного рассеяния могут быть полезными при разработке методов преобразования частоты генерации лазеров, основанных на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния (ЗКР)
3. Ожидаемые результаты расчета зависимостей характеристик
магнитооптических эффектов в сильных полях излучения от
параметров могут быть использованы для создания устройств,
управляющих излучением (оптические затворы и модуляторы), а
также для разработки новых методик контроля магнитных полей. К
настоящему времени методы контроля магнитных полей в больших
эбъемах разработаны достаточно, в то время как контроль
магнитных полей в тонких каналах, узких щелевых зазорах и полей
зложной топографии остается нерешенной проблемой.
Цель работы
- развить теорию взаимодействия' атомов с сильными полями
излучения (вплоть до гигаватт на квадратный сантиметр"! и
іагнитньїм полем произвольной ориентации и напряженности, при
«этором возможны как эффект Зеемана, так и эффект Пашен - Бака
і промежуточный случай для объяснения результатов существующих
экспериментов по исследованию поляризационных эффектов;
- распространить модель на более широкий класс эффектов.
возможных для наблюдения при взаимодействии атомов с сильными
полями излучения и магнитным полем произвольной ориентации и
напряженности (новые поляризационные эффекты, эффекты
резонансной флуоресценции и резонансного комбинационного рассеяния);
используя разработанную модель, получить и проанализировать зависимости характеристик поляризационных эффектов от параметров (интенсивностей и расстроек резонанса полей излучения, поляризации поля накачки, величины напряженности магнитного поля), апробировать метод расчета путем сравнения с экспериментальными результатами и результатами расчетов других авторов и выработать рекомендации по применению их в физике и технике лазеров, в методиках контроля магнитных полей для случаев, когда традиционные методы непригодны;
обнаружить закономерности влияния магнитного поля и сильных полей излучения на характеристики эффекта резонансной флуоресценции;
обнаружить закономерности влияния магнитного поля и полей излучения на характеристики резонансного комбинационного рассеяния.
Научная новизна и значимость работы. Представленные в
диссертации исследования являются оригинальными. Обнаружен ряд
новых нелинейных резонансных магнитооптических эффектов и новых
закономерностей известных.эффектов с использованием построенной
теории взаимодействия реального атома с одним или двумя
монохроматическими полями излучения произвольной интенсивности
и поляризации и магнитным полем произвольной напряженности и
ориентации и разработанного метода численного расчета
характеристик нелинейных резонансных магнитооптических
эффектов для многоуровневых атомов. Развитая теория единым образом описывает эффекты для однофотонного и двухфотонного резонансов при произвольных поляризациях, расстройках резонанса и интенсивностях полей излучения и при отсутствии или наличии магнитного поля произвольной напряженности и ориентации.
Автором впервые предсказаны новые поляризационные эффекты: - увеличение угла вращения плоскости поляризации пробного излучения в магнитном поле в присутствии линейно
7
оляризованного поля накачки, резонансного смежному переходу;
изменение характера спектра самовращения плоскости поляризации'
присутствии магнитного поля, проявляющееся в том, что
дисперсионный" характер зависимости угла самовращения
лоскости поляризации эллиптически поляризованного излучения и резонансный" характер самоиндуцированного дихроизма, которые меют место в отсутствии магнитного поля, меняются местами в ткосктельно слабом магнитном поле
Впервые в магнитном поле получены элементы ' матрицы
ассеяния для двухуровневой системы и показано влияние
агнитного поля на релаксационные характеристики атомов в
ильном поле излучения и на форму спектра резонансной
луоресценции. ' <
Впервые для реального многоуровневого атома в магнитном оле рассчитан спектр резонансной флуоресценции в условиях дно- и двухфотонного резонансов.
Впервые рассчитана зависимости сечений резонансного*
омбинационного рассеяния (РКР) для атомов в магнитном поле от
асстройки резонанса падающего излучения (спектры возбуждения),
том числе в присутствии поля накачки для различных режимов
ключения взаимодействия и исследовано влияние магнитного поля
поля накачки на характеристики спектров РКР.
Полученные автором спектры фарадеевского вращения и агнитного кругового дихроизма, спектры вращения плоскости оляризации и кругового дихроизма пробного излучения в сильном оле излучения различной поляризации, в том числе, в рисутствии магнитного поля, спектры самовращения плоскости оляризации и кругового дихроизма эллиптически поляризованного злучения для реальных многоуровневых атомов поззоляют провести пробацию разработанного метода расчета путем сравнения с звестными экспериментальными результатами.
Рассчитанные автором зависимости. угла поворота плоскости оляризации от напряженности магнитного поля позволяют выявить инейные и нелинейные области на графиках, обуславливающие собенности применения эффектов: линейные области могут быть спользованы в методиках контроля магнитных полей, а нелинейные при создании оптических затворов и модуляторов.
Полученная автором зависимость эффекта Фарадея от интенсивности излучения позволяет установить закономерности, подтвержденные экспериментом, а именно, уменьшение угла вращения плоскости поляризации излучения в магнитном поле с ростом интенсивности излучения.
В "оптическом" эффекте Фарадея (повороте плоскости поляризации пробного линейно поляризованного излучения, распространяющегося параллельно циркулярно поляризованному излучению накачки) рассчитанные.автором зависимости эффекта от интенсивности для различных поляризаций циркулярно поляризованного излучения, полученные впервые для реальных многоуровневых атомов, дают согласие с расчетами, известными из литературы, проведенными для модельных трехуровневых систем.
Таким образом, проведенные теоретические исследования позволили изучить новые свойства известных эффектов и обнаружить новые эффекты.
Разработанный численный метод расчета, позволяющий исследовать характеристики различных нелинейных резонансных эффектов в одном или двух монохроматических полях излучения произвольной интенсивности и магнитном поле произвольной напряженности и ориентации для многоуровневых атомов, апробирован путем их сравнения с имеющимися экспериментальными результатами и расчетами других авторов.
Результаты диссертации относятся к фундаментальным исследованиям в области нелинейной оптики и спектроскопии.
Практическая ценность. Рассчитанная дисперсия эффекта Фарадея в случае одно- и двухфотонного резонансов может быть использована при разработке новых принципов получения' узкой линии генерации с использованием фазово - поляризационного метода:
а)без применения нерезонансных фарадеевских вращателей (с использованием "черной линии" в спектре фарадеевскогс вращения);
б)в новой области частот за счет изменения спектра фарадеевского вращения при двухфотонном резонансе.
Предлагается использовать поляризационные эффекты для контроля сильных магнитных полей в случаях, когда традиционные
методы непригодны, например, в тонких каналах, узких зазорах и полей сложной топографии.
Для повышения чувствительности методик контроля продольной составляющей магнитного поля предлагается использовать новый
эффект - увеличение угла вращения плоскости поляризации пробного излучения при наличии поля накачки линейной лоляризаиии, резонансного смежному переходу.
Нами предлагается для целей контроля магнитных полей
использовать в качестве активной среды воздух 'с примесью
щелочных атомов невысокой концентрации і 10і2 см"3,
обладающих высокой нелинейностью в .силу больших"-величин "сил осцилляторов для переходов в видимой области спектра. В качестве источника излучения предлагается - использовать перестраиваемые лазеры высокой мощности с узкими пучками диаметром < 1 мм. Создание таких методик контроля магнитных полей важно как для разработки электронных приборов СВЧ, так и в медицине, где в последнее время появились методы лечения раковых опухолей с применением магнитных полей, и при создании бытовых приборов аудиотехники Использование полей накачки различной поляризации дает возможность применять эффекты, повышающие чувствительность предлагаемых для контроля методик и осуществлять локальный контроль.
Теория нелинейных резонансных эффектов при взаимодействии атомарных газов с сильными полями излучения и магнитным полем и разработанный метод численного расчета характеристик этих эффектов могут быть использованы для .любых атомов, для которых известны спектроскопические параметры.
Показано,что в случаях наличия или отсутствия
інтипересечений квазиэнергий в зависимости от параметров задачи
алгоритмы расчетов характеристик нелинейных резонансов
различны. Полученные алгоритмы и программы позволяют решить
іднамическую квантово - механическую задачу взаимодействия
шогоурозневого атома в магнитном поле с двумя
(онохроматическимк полями излучения произвольной интенсивности, засчитать и провести анализ зависимостей характеристик гелинейных резонансных магнитооптических эффектов от параметров >ассматркваемой системы.
10
Достоверность полученных результатов следует из
адекватности используемой математической модели и
подтверждается согласием с известными из литературных источников экспериментальными результатами и результатами расчетов других авторов. На защиту выносятся следующие группы результатов:
1. Новые эффекты при взаимодействии сильных полей излучения с
атомарным газом невысокой концентрации в магнитном поле,
заключающиеся в условиях однофотонного резонанса в полном
изменении спектра самовращения плоскости поляризации и
самоиндуцированного дихроизма в относительно слабом магнитном
поле и, в условиях двухфотонкого резонанса, в увеличении угла
фарадеевского вращения плоскости поляризации при наличии поля
накачки линейной поляризации, резонансного смежному переходу.
2. Теоретическая интерпретация экспериментов по наблюдению
новых закономерностей в поляризационных эффектах при
взаимодействии сильных полей излучения с атомарным газом
невысокой концентрации в магнитном поле, заключающихся в случае
однофотонного резонанса в уменьшении угла фарадеевского
вращения с ростом интенсивности излучения и, в условиях
двухфотонного резонанса, в качественном изменении спектров
вращения плоскости поляризации и кругового дихроизма в
зависимости от расстройки двухфотонного резонанса.
-
Новый эффект при взаимодействии сильных полей излучения с атомарным газом в магнитном поле, заключающийся в изменении релаксационных характеристик атома в сильном поле излучения вследствие влияния магнитного поля на оптические столкновения.
-
Новые эффекты при взаимодействии сильных полей излучения с атомарным газом в магнитном поле в .условиях однофотонного и двухфотонного резонанса, заключающиеся в изменении формы спектров возбуждения резонансной флуоресценции и резонансного комбинационного рассеяния для многоуровневой системы в зависимости от интенсивностей полей излучения, расстройки резонанса поля накачки, напряженности и ориентации магнитного поля.
5. Установление связи между зависимостью рассматриваемых
эффектов от частот и интенсивностей полей излучения.
напряженности магнитного поля и структурой квазиэнергетического спектра.
Совокупность научных результатов, изложенных в диссертации,
можно рассматривать как значительный вклад в развитие научного
направления на стыке атомной физики и нелинейной спектроскопии,
связанного с : исследованием взаимодействия реальных
многоуровневых атомов с магнитным полем и сильными полями излучения в условиях динамического эффекта Штарка, когда возникают новые эффекты и новые закономерности в зависимостях характеристик нелинейных резонансных магнитооптических эффектов от параметров.
Рассматриваемая в диссертации проблема была сформулирована и решалась в ходе выполнения х/д тем в соответствии с тематическим планом МЭП СССР , а затем в рамках г/б тем по 53 и по 47.
Апробация работы.Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на I Всесоюзной конференции по
спектроскопии комбинационного рассеяния света (г.Киев,1975 г.),
на Конференции по теории атомов и молекул (Вильнюс, 1979), на
III Вавиловской конференции по нелинейной оптике ( Новосибирск,
1973 г ), на 7-ой Вавиловской конференции по нелинейной
оптике (Новосибирск, 1982), на XX Всесоюзном Съезде по спектроскопии (Киев, сентябрь 1988), на Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике ( Санкт -Петербург, сентябрь, 1991), на Международном Семинаре по компьютерному моделированию в нелинейной оптике (CSN0'93, Москва - Нижний Новгород, июнь-июль 1993), на Четвертом семинаре по атомной спектроскопии (Москва, декабрь,1993), на Международной научно - технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (4-7 октября 1994 г..Саратов), на 15 Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт - Петербург, июнь - июль 1995), на XXI Съезде по спектроскопии (Звенигород, Моек.обл.,2-6 окт.1995г.), на Международном симпозиуме по биомедицинской оптике (BiOS'96, 27 January-2 Februery 1996, San Jose, California, USA) , на 28-й конференции Европейской группы по атомной спектроскопии (28 EGAS, Грац, Австрия, 16 - 19 июля 1996), на 15-й
12 Международной конференции по атомной физике, посвященно столетней годовщине эффекта Зеемана (15 ZICAP, Амстердам, 5 -августа 1996).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы 40 работах, из них 22 статьи, в том числе 7 - без соавторов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит и введения, в котором дана общая характеристика работы, пяти гла и заключения, в котором сформулированы основные результаты выводы. Объем диссертации 278 стр., включая 95 рис., 5 таблиц список литературы из 239 наименований.
Похожие диссертации на Взаимодействие многоуровневых атомов в сильном лазерном поле с внешним магнитным полем
