Введение к работе
Актуальность темы. Метод магнитного, резонансз широко практикуется в современней радиоспектроскопии для измерения различных физических параметров атомной среда, э таете при разработке целого ряда квантовых устройств, основанных на сопоставлении отклика атомов рабочего вещества на воздействие резонансного электромагнитного поля. К устройствам такого рода относятся различные типы квантовых магнитометров и образцовых мер частоты с оптической накачкой.
Традиционными рабочими веществами квэнтовых магнитометров с оптической накэчкои являются изотопы гелия (Не* и Не4) и пары щелочных металлов (а также их комбинат, применяемые в так называемых шолочно-гелиевых магнитометрах). В технике стандартов частоты используются, в основном, атсмы изотопов рубидия. Где достаточно просто реэлизуется поляризация робочого вещества путем изотопической фильтрации света накзч-ки. Принципиальное значение при разработке нззванкых устройств имеет оптимальный режим оптической накачки, при котором сведено к минимуму возмущавшее воздействие светового излучения, являющегося одним из основных достэоилизирующих факторов в квантовых дискриминаторах частоты с оптической накачкой.
Однім из способов решения проблемы оптимизации режима оптической накачки прецизионных квантовых устройств язляется использование предельно малых световых ннтенсквностея, причем значительно моньсих оптимального уровня, соответствующего максимуму дискриминирующей способности устройства (отношение сигнал-шум к сирине резонансной линии). Последнее ебьясняотся значительным расхождением предельных значения кратковременной и долговременной стабильности резонансной частоты квантового дискриминатора с оптической накачкой, что создает резерв улучшения точностных характеристик устройства зз счет сознательного уменьшения еіо кратковременной стабильности.
Следует однако, отметить, что укзззнішо вьет рекомендации для варианта оптической накачки щелочных атсмов справедливы лииь з случае разрешение,! структуры радіочастотного спектра основного состояния, когда в !'срм;'р'-в;.'.ч:г.! резоззнснего сигнала принимают участке лишь два эаор-готических недуровня сверхтонкой стругсгуры. Все остальные мзгяитныо подуровни оснґічі'.чо состояния является своеобразным резервуаром стажа рабочих :іг:к:лі, что является дополнительным аргументом в полізу г.саи-«:-г>.т/н ;'::.'".'.! '/чтгнепвности света накачки. Ситуация однако жен.тэте я,
> ^
осли парошелочной квантовый дискриминатор используется в условиях, когда имеет кэсто взаимное перекрытие соседних зеомановских компонент, при котором сигнал магнитного резонанса образован совокупностью близкие по частоте резонансных контуров. Подобное перекрытие наблюдается в слабом малштном поло как в области СВЧ, например, при индуцировании сигпалл шогофотонного резонанса мэзду подуровнями сверхтонкой структуры, так у. в области низкочастотного резонанса при индуцировании переходов можду соседними зеомановск.ими подуровнями основного состояния. Удельный вое составляющих результирующий контур резонансных липні! зависит как от параметров источника нзкачки (интенсивности, поляризации, спектрального есстэва), так и соотношения констант тепловой и оптпчоекон релаксации, которые для разумных пар энергетических подуровней основного состояния ііо яБЛМггся однозначными. Сложность подобной сигузідо усуг.убляоїс.ч также и фактом различия воздействия света нзкачки на дахїчину продольно;; и поперечной релаксации вектора намагниченности ансамбля оптически ориентированных атомов.
Указанные особенности магнитного резонанса в условиях нер-азрежн -ного радиоспектра послужили причиной явно недостаточного освоения в научно-технических публикациях некоторых випроссв по данной тематике. Так, например, в литературе практически отсутствует кс.'глче'.>твоішь;о оценки вклада света накачки в скорости продольной и поперечной (ол.чкеа цин оптически ориентированных щплочкых паров со сложным контуром ' лини:'. магнитного резонанса, а также, не исслэдовзны вопросы оптимизации но ыз риациопной чувствительности в условиях повышенного магнитною градиента в области камеры поглощения.
Вместе с тем, решонио отой задачи представляется вооїма акт ным, поскольку случай неразрешенной структуры основного состояния щелочных атомов перекрывзот значительный диапазон рабочего магнитного поля (примерно от Х0~3 до 10"' Э). Ворхняя граница указанного диапазона может быть увеличена при работе в неоднородном м-цнипкм i:o.-i.s, ірадл опт которого по разному влштот на скорость продольна,! и поі;сречн./.< релаксации, атомов рабочего вещества и неизбежно' должен модлігцнр'ов'їтт. критерии оптимального режима накачки, принятые ггри ' рае/.пг кнапюгого дискриминатора в однородном магнитном поле. цаласообразиjcn. и:".'.'.--доланий и атом направлении вытекает из необходимости оптимизации пар.:мчтрив устройств, работающих в экстремальных условиях, напримзр, в . .'тчв'.; бортовой магнитной аппаратуры носителей, поскольку известные :..'('"січ .борьбы с влиянием магнитного градиента пч ширину резонансне,; лилии
(ПрИМОНОНИО ЯЧООК С ПОКрЫТИОМ, МИНИЗТЮрИЗ;іЦИЯ ЯЧООК) ПОЗВОЛЯЮТ лж.ь 9
уменьшить, но не исключить ото влияние.
Сложность резонансного контура в условиях неразрешенной структуры основного состояния щеточных атомов обуславливает значительные погрешности определения резонансной частоты, поэтому этот случая магнитного резонанса, естественно, ке претендует на использование в прецизионных устройствах с оптической накачкой. Последнее, однако', но снижает актуальности исследований, направленных на поиск путей повышения чувствительности результирующего контура к приращению частоты радиополя. Решение подобной задачи составляет практический интерес для квантовых вариометров, работающих в отмеченном выше интервале магнитных полей. Вместо с тем в существующей литературе этот вопрос исследован явно недостаточно. Действительно, для двухурсвновоа атомной системы максимум вариационной чувствительности дискриминатора достигается, как известно, при скорости оптической накачки г"1, равной скорости тепловой релаксации г"1, либо ео утроенному значении в зависимости от соотношения времен продольной 7^ и поперечной тг релаксации (г"' = Зт~' для т = т и т'' = т2* для г » г2). При этом, для получения высокой долговременной стабильности чэстоты рабочего перехода практикуется значительно меньшая указанных значений интенсивность света нэкэчки. Однако, как это отмечалось выше, реальные щелочные атомы представляют собой многоуровневую энергетическую систему, г^е в случае ее эквидистантности индуцируется сигнал магнитного резонанса, затрагивающий все энергетические состояния. Такая ситуация неизбежно приводит к необходимости пересмотра традиционного подхода к проблеме сптимизэтш режима накачки щелочных паров.
Цель работы. Задачей роботы являлось исследование и оптимизация
сигнала магнитного резонанса в оптически ориентированных парах щелочных металлов в условиях неразрешенной зеемановскоа энергетической структуры атомов в основном состоянии.'
Научная новизна и практическая пряность. В работе впервые проведены исследования по количественной оценке относительного светового воздействия в скорости' продольной и поперечной релаксации оптически, ориентированных щелочных атимоз в условиях полного порекрытия радиочастотного спектр:! в основном состоянии. В варианте опткчосіш ориентированных атомов рубидия и цезия действие оптической релаксации выяснено для различных режимеь чакзчкк в тонком оптическом слео і зависимости от интенсивности и спектрального состава источника, и отнещения Т^-Т .
i]j'0!4v,.!! расчет огггкмалшоя интенсивности света пэ.чачки, осесгичи-пага^я м.жсиууу наріпцио.чпоя чувствительности сипі ала магнитною резо-
> 1
нанса атомов рубидия и цозия к приращениям магнитного поля и условиях неразрешенной зеэмановскоя структуры основного состояния. Установлено, что известные рекомендации по выбору оптимального режима оптической накачки, для случая неразрешенной зеемачевскей структуры атомов справедливы лишь в области существенного превышения Бремени продольной релаксации Тх над временем пспоротаой релаксацій Г,, fj то время как баланс их значений заставляет использовать гораздо более интенсивный свет накачки, чем считалось до сих пор.
Практическое использование результатов работы мэмот иметь значение при разработке малогабаритных вариометров с оптический іикачіхя, где различие каналов релаксации пренебрежимо, мало по сравпепил с ьариглпе.м парошелочных ячеек большого объема.
Автором выносится на защиту.
1. В УСЛОВИЯХ Неразрешенной ЗСеМаНОЬСКОЙ С ГрУ:СГурі,І ОСНОВНОГО СОС
ТОЯНИЯ оптически "ориентированных атомов ц;олочш.:х моталчов линия магнит
ного резонанса аппроксимируется лоренцоьым контурен, характеризуемым
усредненными значениями времен продольной и поіі&рочнои релаксации г и
т2 являющимися фукциями скорости оптический казачий с ледяного Ы'Д-Г.
і т т " т т г
гдо Т и Г2 - средние значения "темповых" времен продольной и пепереч-ноя релаксации, а її її - коэффициента, принимая:;::;; значения ь дпїпанл:;: от .нуля до единицьі.
-
Для случая оптической ориентации неразрешенной стр уі.ту; :.; осилівого состояния тонкого слоя паров рубидия и цозия резонанснім сього.м р - линии, ширина которой много больше дошілороьскои ширины линии поглощения, относительный вклад огггической релаксации » їлнлчсния ^ и г определяемый отношением ci'i'i, носит различный характер для icK'.wou огггической накачки в условиях отсутствия стшпшовнчелыюй переориентации v состояния (режим А) и при наличии эффекта перемешивания и F состоянии (режим в), для режима А в диапазоне изменения пт^т '0.1 32) при ра-' вонство rt = гг имеет место тенденция увеличения отношения : -/і ігри рос-то темпа накачки рт 'Т , для режима в зависимость .< : or i
-
Селективная оптическая накачка циркулярнополяризованным светом D - линии атомов цезия г.ь оптическом переходе s ,.,(*" - -I) - i\ ,(^ = I*
= 5) в условиях разреженней сверхтонкой структуры возбужденного состояния при Т1 = Г2 в диапазоне, увеличения ^Г-т (0.1-50) определяет тенденцию уменьшения отношения «^ для рокнка ептичоскоа накачки а, учот дапшоровского уЕирекия линии поглощения зто.".оз цезия з условиях селективной нзкзчки на указанном переходе вносит поправку в результаті!, не превышающую 5%.
4. Максимум вариационной чувствительности сигнала магнитного резонанса в неразрешенной структуре основного состояпил кэлочпых атомов имеет место при значениях ііт^т , приведенных в следующей таблице:
Пззий-133
ЛИИЯ Р
переход
5,,,,(^4)-- 1^F=S)
Апробация,работуJLJJZ^g^^j.. '
Материалы диссертации долочонь: па ело аутах конференциях:
-
Второй Всссоизіііл семинар по оптической ориентации атомов и молекул (ВССОЛМ - 2). Лек'.зігрзд. МП hy. A.C'.Zo^o, апрель, 11Ш г.
-
YH Всесоюзная научно-техническая конференция "Ироблочы магнит-ных измерений и У-іглі-гґопз.у.ерптсліпо'Л аппаратуры", НПО БІЕЇ/М им. Д.И.Менделєєва, Лшнлгрзд, 10Є9 г.
По материалам диссертации опубликовано 11 работ, из них 4 авторских свидетельства.
_CTr^KTji!rj3^j^L^li^'^^
Диссортаїз'-Я состоит из ведения, пята раздала в, заключения, гт/ило-даиий и списка используечых источников < 119 наименовании). Мьсм диссертации Ш с, в тем числе 37 рис., 18 тзблил.
