Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы особый интерес в атомной и азгрной физике привлекают исследования многоуровневых схем взапмо-гчістшія атомов и молекул с лазерным излучением. Использование мно->уровнсвых, в частности трех и четырехуровневых схем возбуждения по-золило провести эксперименты по интерференции волн атомной плотно-ги (Appl.Pliys.D 54, No5, 1992 - спец. выпуск по атомной интерферо-стрин), что с одной стороны является яркой иллюстрацией основопола-мющих прнншшоо квантовой механики, а с другой стороны открывает озможность создания сверхчувствительных акселерометров. Кроме того, правляя движением многозровневых атомов с помощью многочастогного азерного излучения удалось получить атомные ансамбли с шириной ско-остного распределения меньшей скоростп отдачи атома при испусканпи іиничного фотона (соответствующая температура ~ 10_бК). Столь холодно атомы уже сейчас являются уникальным инструментом исследований таких областях как атомные столкновения, физика поверхности и коллек-ппныг квантовые эффекты. Результатом использования многоуровневых «ем взаимодействия в нелинейной оптике явилось создание лазеров, гене-пруюшнх излучение с подавленными квантовыми шумами и управляемой гатнетнкой, а также лазеров без инверсии населенностей.
Настоящая диссертация посвящена исследованию особенностей поведе-ия многоуровневых атомных систем, в которых квантовые переходы, вза-иодействугошле с резонансным электромагнитным полем, образуют за-кнутый контур (рис.1). Такие схемы возбуждения трех- и четырехуров-евых атомов были впервые рассмотрены в работе S.J Buckle ct al. Optica eta, 33, p.1129-1140, (1986), где было установлено, что временная эволю-пя таких систем принципиальным образом зависит от определенной ком-ннацнп начальных фаз возбуждающих полей (которую мы далее будем азывать суммарной фазой ф контура переходов), но,так как в этой работе е были учтены процессы релаксации, результаты S.J Buckle et al. справед-ивы только на временах меньших времени жизни самого короткоживущего ровня исследуемой системы,
В последующих работах было экспериментально (M.S.Shalmar ct al. 'hys.Rev. Lett. 65, p.]865-1868, (1990)) и теоретически (D.V.Kosacbiov et al. )pt.Comm»m. 85 p.209-212 (1991)) продемонстрировано, что стяцпонарпые
населенности трехуровневой системы с замкнутым контуром возбуждевл также определяются значением суммарной фазы Ф, кроме того было го казано (D.V.Kosachiov et al. J.Phys.B 25 p.2473-2488 (1992)), что свойств зависимости стационарных населенностен от суммарной фазы присуще лк бым многоуровневым системам с замкнутым контуром возбуждения.
Поскольку в большинстве физических ситуаций именно стационарны населенности определяют характер взаимодействия поля н среды, то праї тичесхи все явления лазерной спектроскопии, связанные с возбуждение многоуровневых атомных систем, должны приобретать пувствительност к изменению фаз полей, если контура возбуждения этих систем будут сд< ланы замкнутыми. Это свойство замкнутых схем возбуждения может быт использовано, например, для управления движением атомов с помощью и: менения лишь фаз возбуждающих полей, для создания быстродействующи модуляторов лазерного излучения и ячеек памяти для оптических компьк теров (P.H.Hemmer et al. Optics Letters 19, No.4, p297, 1994).
Целью работы является теоретическое исследование особенностей ш ведения многоуровневых атомных систем при замкнутом типе возбужден! резонансными полями на примере задач нелинейной оптики ц спектроск< ппп, а именно: исследование влияния суммарной фазы атомного контура к
1) КОГереНТНОе ПЛЄНЄНПЄ НасеЛЄННОСТеЙ В Трех И ЧеТЫреХурОВНеВЫХ СИСТ<
мах, 2) трансляционное движение атомов (исследование когерентной и ст< хастинеской динамики), 3) распространение лазерного излучения в опт) чески плотных средах с замкнутым контуром взаимодействия.
Научная новизна работы заключается в следующем: Впервые доказано, что многоуровневые системы с замкнутым конт; ром возбуждения резонансными полями образуют отдельный класс, так кг только в таких системах стационарное состояние зависит от фаз приложеі иых полей. Впервые последовательно введена суммарная фаза Ф контуї возбуждения и указано преобразование, с помощью которого в уравненш для матрицы плотности рассматриваемой системы могут быть выделен множители содержащие Ф.
Впервые получены аналитические выражения, описывающие завис; мость населенносгей трехуровневых и четырехуровневых замкнутых с: стем от значения суммарной фазы контура переходов. Установлено, что к
ерентное ялененне населенностей может существовать в таких системах олько при определённых значениях фазы Ф.
Впервые показано, что характер трансляционного движения атомов в по-е световых волн при замкнутом контуре возбуждения определяется значе-пем суммарной фазы контура. Подробно исследованы процессы скоростной елекцпп и лазерного охлаждения четырехуровневых атомов в поле четы-ёх бегушнх световых волн. Найдены зависимости длительности селекти-ующего атомы 7г-пмпульса (в случае скоростной селекции) и эффективной емпературы атомов после взаимодействия со светом (в случае лазерного хлажденпя) от фазы Ф. Указаны значения Ф прп которых температура хлажденных атомов существенно ниже допплеровского предела охлажде-пя.
Впервые исследован процесс распространенпя мвогочастотного лазерно-о излучения в оптически плотных резонансных средах с замкнутым конурой возбуждения. Найдено, что значение суммарной фазы Ф определяет арактер изменения пнтенсивностей световых волн внутри среды. Устано-лено, что в зависимости от значения Ф может иметь место как когерентное росветленпе среды (то есть распространение излучения почти без потерь нтенспвности),так и усиление одной компоненты излучения за счет энер-ип другой компоненты.
Научная и практическая ценность.
Исследование поведения многоуровневых замкнутых систем необходп-:о в таких областях лазерной физики, как спектроскопия сверхвысокого азрешенпя, квантовая метрология, создание быстродействующих оптико-гсектронных переключателей и модуляторов, сверхглубокое лазерное охлаждение атомов.
Результаты исследования когерентного рассеяния атомов на бегущих пектромагнитных волнах имеют важное практическое значение ввиду не-омненной перспективности применения метода скоростной селекции для оздания атомных интерферометров и квантовых стандартов частоты но-ого поколения.
Научная ценность результатов исследования динамики лазерного охлаждения прп замкнутом контуре возбуждения атома определяется возмож-остьго их применения для развития методов управления трансляционным вижеппем атомов.
Исследование процесса распространения многочагтотного лазерного из лучения в оптически плотных резонансных средах с замкнутым контуро! возбуждения открывает возможность использования таких срод в качеств преобразователей частоты оптического излучения.
Установление определяющей роли суммарной фазы во всех вышеупома нутых процессах лает новый эффективный инструмент управления итак нением внутреннего и трансляционного состояния многоуровневых атомо при замкнутом типе возбуждения, а также изменением интенсивности ле зерного излучения, возбуждающего эти атомы.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Еслп возбуждаемые резонансными полями переходи мпогоуровново квантовой системы образуют замкнутый контур, то стационарные ні селенности такой системы зависят от фаз возбуждающих полей.
-
В Д-системе (рис.2) и двойной Л-системс когерентное пленение нас ленностей существует только при определенных значениях суммарнс фазы Ф контура возбуждения (Ф = пп для Д-системы, пФ = 2irn ці двойной Л-системы). При других значениях суммарной фазы состоят Когерентного пленения разрушается и возбужденные состояния спсте заселяются.
-
При замкнутом тппе возбуждения четырёхуровневых атомов их селе: для по скоростям, основанная на процессе когерентного рассеяния, во можна только при значениях суммарной фазы Ф ф 1т(2п + 1).
-
Эффективная температура двойных Л-атомов, охлаждаемых четыр мя бегущими лазерными волнами, непосредственно зависит от знач япя суммарной фазы контура переходов. При Ф = 0 имеет место реэк< сужение скоростного распределения атомов и их эффективная темп ратура после взаимодействия с полем может быть много меньше д плеровского предела То- В то же время, при Ф = п такого сужені распределения Не происходит и субдоплеровское охлаждение 2Л-атом невозможно.
Б. Характер изменения интенсивностей лазерных волн, распространя: ЩИХСІ через оптически плотную резонансную среду при замкнуті контуре возбуждения, определяется значением суммарной фазы Ф(
на входе в среду. При определенных значеннях Ф может иметь место усиление одной лазерной волны за счет энергии другой волны, причем интенсивность слабой затравочной волны может быть увеличена на несколько порядков.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладываюсь на 23-й, 25-й п 26-й Конференциях Европейской Группы по Атомной пектроскошш (23rd E.G.A.S, Торунь, Польша, июль 1991, 25th E.G.A.S, аен, Франция, июль 1993 и 26th E.G.A.S, Барселона, Испания, июль 1994), а Европейской конференции по квантовой электронике (EQEC94, Амстер-ам, Голландия, сентябрь 1994), на научных семинарах кафедры теоретиче-(ой физики СПбГТУ, в институте экспериментальной физики Техническо-) университета г.Грац (Австрия), в университете г.Лейден (Голландия).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех гсав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации со-гавляет 121 страницу, включая 33 рисунка и список литературы из 92 ^именований.
