Введение к работе
Актуальность темы
1. Актуальность темы диссертации.
Управление пространственным движением частиц с помощью света является бурно развивающейся направлением современной физики [1,2]. К наиболее впечатляющим достижениям в этой области можно отнести сверхглубокое охлаждение ансамбля атомов ( эффективная температура порядка десятка нанокельвин ), наблюдение эффекта Бозе-Эйнштейновской конденсации слабовзаимодействующих атомных газов [3] и создание квазинепрерывного когерентного источника волн де-Бройля - атомного лазера [4]. В настоящее время, сотнях научных лабораторий по всему миру активно исследуются методы управления движением атомов, молекул, микрочастиц и электронов с использованием лазерного света. Сформировалось отдельное направление в современной физике - "Атомная оптика", в рамках которого ищутся способы и методы создания на основе лазерных световых полей элементов оптики волн де-Бройля таких, как зеркало для атомов, линза для атомного пучка, резонатор, интерферометр волн де-Бройля и, наконец, атомный лазер.
Уже первые достижения в этой области привели к значительному улучшению параметров стандартов частоты и времени, прогрессу в метрологических исследованиях и в технологии атомной литографии. Создание Магнито-Оптических Ловушек ( МОЛ ) для атомов Rb и Cs позволило реализовать давнюю идею атомного стандарта частоты на основе атомного фонтана [5] и, тем самым, улучшить параметры стандарта на несколько порядков. Атомная спектроскопия сверхвысокого разрешения получила новый объект исследований - газообразный атомный ансамбль с температурой, недостижимой для традиционных методов криогенной техники и составляющей несколько микрокельвин [6]. Использование холодных атомов позволило, также, заметно увеличить точность измерений фундаментальных констант [7] и вероятностей слабых атомных переходов [8].
Значительный интерес для современной науки представляет изучение атомных газов при высоких концентрациях ( 10 - 1014 см"3 ) при низких температурах ( 10 - 103 нК ), когда как движение отдельного атома, так и поведение ансамбля вцелом определяется волновыми квантомеханическими законами [9]. Но, по-видимому, самым громким успехом атомной оптики, станет создание непрерывного яркого когерентного источника атомных волн де-Бройля - атомного лазера.
Ожидается, что в ближайшее время, на основе метоудов приготовления интенсивных пучков медленных атомов и когерентного 'их расщепления с помощью лазерного света будут созданы атомные интерферометры с гигантской чувствительностью для почти всех известных видов взаимодействий и сил. Существующие сейчас атомные интерферометры, построенные в рамках исследований по атомной оптике, демонстрируют свои уникальные возможности по изучению межатомного взаимодейстия [10], электрического [11] и гравитационного полей [12].
Несомненную научную ценность представляет изучение взаимодействия электронов с интенсивным световым полем и, в частности, механического действия света на свободные электроны. Развивающиеся внастоящее время методы исследования кинетики быстрых процессов в молекулярных системах, твердом теле и газах требуют создания новых методов генерации
ультракоротких ( в фемтосекундном диапазоне ) электронных импульсов большой интенсивности. Многообещающим направлением исследований в этом русле является применение мощных лазерных фемтосекундных импульсов, использование которых позволило создать пюсосекундные источники электронных импульсов для электронографии молекул [13].
Диссертационная работа посвящена решению ряда задач атомной и электронной оптики с использованием поверхностных световых волн. Эти задачи нацелены на создание атомного лазера, атомного интерферометра и источника электронных импульсов в фемтосекундном диапазоне.
В работе ставились следующие пели и задачи :
-
На основе выполненного в ИСАН экспериментального изучения неупругого отражения атомов от поверхностной световой волны предложить схему непрерывного источника ультрахолодных атомов и выполнить подробное теоретическое исследование для выяснения параметров возможной экспериментальной его реализации.
-
Предложить схему когерентного расщепителя атомных пучков для создания атомного интерферометра. Провести детальный теоретический анализ принципов работы предложенного устройства и выяснить все необходимые значения параметров устройства и возможного эксперимента. Попытаться реализовать когерентное расщепление атомного пучка экспериментально.
-
Изучить теоретически особенности механического действия мощных фемтосекундных лазерных импульсов на свободные электроны. Предложить схему эксперимента по формированию ультракоротких электронных импульсов основанную на импульсном отражении электронного пучка от фемтосекундных лазерных импульсов.
Научная новизна результатов диссертации состоит в следующем:
-
Впервые предложена и исследована теоретически схема непрерывного атомного лазера.
-
Предложена и исследована теоретически новая схема отражающей дифракционной решетки для атомов и когерентного расщепителя атомного пучка, испрользующая световое поле и металлическую микроструктуру.
X Исследовано теоретически механическое действие мощных фемтосекундных лазерных импульсов на свободные электроны. Предложена и исследована теоретически новая схема формирования ультракоротких электронных импульсов на основе отражения электронного пучка от импульсной поверхностной световой волны.
Совокупность представленных в диссертации результатов похзволяет сформулировать следующие выносимые на защиту положенния:
-
Использование полого оптического волновода в качестве атомной ловушки с охлаждением атомов при отражении от поверхностной световой волны позволяет достичь значений фазовой плотности атомного ансамбля, при которой проявляются квантовостатистические явления. Возможно использования такой ловушки в качестве непрерывного атомного лазера.
-
Возможно построение когерентного расщепителя атомного пучка на основе его дифракции на периодическом потенциале поверхностной световой волны, созданной на металлической поверхностной микроструктуре.
-
Возможно отражение электронного пучка от поверхностной световой волны, создаваемой на поверхности диэлектрика мощными
фемтосекундными лазерными импульсами. При этом, формируются электронные импульсы в фемтосекундном диапазоне.
Практическая ценность.
-
Предложена схема формирования интенсивного когерентного источника ультрахолодных атомов, который может быть использован в широком множестве экспериментов по атомной оптике, атомной интерферометрии, прецизионной спектроскопии, физике поверхности и друих. Применение такого источника в существующих атомных стандартах частоты и времени улучшит их основные характеристики на несколько порядков
-
Предложенная схема когерентного расщепителя атомногых пучков позволяет создать атомный интерферометр, в принципе пригодный для изучения распределения плотности земной коры, обнаружения полезных ископаемых, предсказания землетрясений и других практических задач, связанных с прецезионным измерением локального ускорения свободного падения.
-
Предложенная схема генерации фемтосекуидиых электронных импульсов пригодна для применения в широком круге экспериментов по изучению быстропротекающих процессов в различных ситемах. В частности, он могут быть использованы в, получивших в последнее десятилетие широкое распространение, исследованиях по электронографии молекул.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на научных семинарах Института Спектроскопии, а также на
-
Europian Research Conference on "Quantum Optics", Cstelvecchio de Pascoli, Italy, 29 September-4 October 1998.
-
The Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics, Italy, 14 July - 18 July 1997.
-
Conference on Laser Physics, Hangzhou, China, 2 June - 7 June 1997.
-
5Ш International workshop on laser physics, Moscow, Russia. 30 June - 2 July 1996
-
XVI International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, Moscow, Russia, June 29-July 3, 1998.
-
I France-Russian seminar on laser physics and precision measurements, Les Houches, France, Oct. 26 - Nov. 3, 1999.
Публикации.
По результатам диссертации опубликовано 5 научных работ, список которых приведен в конце автореферата. Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 86 страницах и содержит 22 рисунка. В конце работы приведен список цитируемой литературы из 122 наименований.
