Введение к работе
Актуальность текы. Ряд важнейших достижений последних лат в * физике взаимодействия когерентного электромагнитного излучения с веществом основан на исследовании действия лазерного излучения на многоуровневые атомы. D подобных квантовых систенах принципиальную роль играет интерференция различных каналов возбуждения. Использование явления деструктивной интерференции, приводящей к когерентному пленению населенности (КПП) на низкоэнергетических долгоживущих уровнях атома, позволяет достичь существенного прогресса в таких областях, как спектроскопия сверхвысокого разрешения, прецизионное управление потоками нейтральных частиц, сверхглубокое охлаждение атомов. На этой физической основе созданы такие современные Приборы, как лазеры без инверсии, атомные интерферометры, стандарты частоты нового поколения. Новейшие результаты в области изучения когерентного оптического возбуждения многоуровневых атомов крайне важны для таких фундаментальных отраслей физики, как исследование квантово-статистических эффектов типа Бозе-конденсации или прецизионные эксперименты по 0-распаду, связанные с проверкой стандартной модели в физике элементарных частиц.
Этим определяется интенсивное развитие в настоящее время теоретических и экспериментальных исследований в данной области квантовой оптики. Из всего многообразия направлений этих исследований следует выделить прежде всего вопросы прохождения лазерного излучения через оптически плотную когерентную среду и лазерное охлаждение атомов. В первом случае среда демонстрирует ряд нетривиальных свойств, например, свойство когерентного просветления. Во втором случае диффузионный механизм лазерного охлаждения за счет селективного по скорости (СО КПП позволяет охладить атоны до температур ниже не только допплеровского предела (- 10" К)-, по и предела отдачи фотона (- 10" К). Таким образом, пространственный размер атомного волнового пакета оказывается больше длины волны охлаждающего лазерного излучения. Это открывает новые перспективы в такой области современного эксперимента, как атомная интерферометрия.
Цель работы состоит в исследовании эффектов релаксации низкочастотной атомной когерентности при оптическом возбуждении многоуровневых атомов и определении предельных и пороговых параметров обусловленных ею явлений. Основные задачи работы: 1) анализ прохождения через оптически плотную среду, состоящую из Л-атомов, непрерывного флуктуирующего лаэерногс излучения, возбуждающего оба оптических перехода в Л-атоме: 2) анализ распространения в оптически плотной нелинейной когерентное среде лазерного излучения с учетом его поперечной неоднородности в подпороговом режиме КПН; 3) определение предельно достижиної аффективной температуры и временной зависимости эффективности одномерного охлаждения атомов методом СС КПН на временах, превосходящих Г"1, где Г - скорость релаксации низкочастотно! атомной когерентности.
научная новизна работы заключается в следующем:
Выведены и решены уравнения распространения непрерывногс флуктуирующего лазерного излучения в оптически плотной среде I условиях КПН: впервые показано, что закон убывания интегрально! интенсивности излучения с ростом оптической толщины в условия) КПН линеен, независимо от формы спектра падающего излучения, і отличив от классического экспоненциального закона Бугера Ламберта.
Впервые показана возможность самофокусировки лазерног< излучения в подпороговом режиме КПН; определены паранетрь явления, обнаружена его сильная зависимость от разности отстроеі двух проходящих сквозь среду Лазерных полей. В указанном режимі самофокусировка иневт место при аномально малых интенсивности! излучения.
Впервые получено аналитическое решение квантовоп кинетического уравнения, описывающего охлаждение атомов методо: СС КПН до температур ниже предела отдачи; впервые найдеш предельная температура и эффективность охлаждения на времена:
Научная и практическая ценность.
Практическое применение результатов исследования прохождени; лазерного излучения через оптически плотную среду в над* і
юдпороговом режимах КПП лежит в области конструирования новых :редств оптической перелами и обработки информации. Снижение трога самофокусировки, которое достигается за счет использования <огерентных свойств среды, открывает возможность передачи «ломотных световых пучков на значительное расстояние без Ни фракционных потерь.
Знание динамики охлаждения атомов методом СС КПИ на больших временах важно для планирования экспериментов по сверхглубокому охлаждению и интерпретации их результатов. Особенно существенными результаты расчета при ttl""1 представляются в перспективе создания установок по трехмернону охлаждению атомов, где действие гравитации будет скомпенсировано силой светового давления, что приведет к значительному увеличению времен взаимодействия атома с полей лазерного излучения.
Основные результаты, выносимые на защиту:
-
Получены уравнения распространения через оптически плотную среду флуктуирующего излучения в условиях когерентного пленения населенностей.
-
Впервые показано, что закон убывания интегральной интенсивности U непрерывного лазерного излучения с ростом оптчческой толщины т в условиях когерентного пленения населенностей линеен, независимо от формы спентра падающего излучения. Коэффициент наклона линейной зависимости и от г пропорционален скорости Г распада атомной низкочастотной когерентности
3. Доказана возможность самофокусировки лазерного
излучения в нелинейной когерентной среде в подпороговон режиме
когерентного пленения населенностей.
4. Впервые получено аналитическое решение, описывающее
поведение ансамбля атомов, охлаждаемых метопом селективного по
скорости когерентного пленения населенностей, пригодное на
больших временах' взаимодействия во всем диапазоне проекций
атомного импульса -« < р < +».
5. Впервые получено предельное значение эффективной
температуры атомов, охлажденных методом селективного по скорости
когерентного пленения населенностей. Это предельное значение
равно Г- к?тГТ/(6ы2), где Г« 2hu_/k, частота отдачи фотона
r R R И И В
u »hJ2/2H, (2jr)_1 - время жизни возбужденного состояния, к параметр насыщения перехода.
6. Впервые показано, что эффективность охлаждения указанным методом, т.е. доля охлажденных атомов относительно к их общему числу, на временах tsr"1 убывает пропорционально t"3/*.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 9-ой конференции Европейского физического Общества в (Флоренция, Италия, 1993 г.), на научных семинарах сектора теоретической астрофизики ФТИ им А.Ф.Иоффе РАН, кафедры теоретической физики СПбГТУ и Института экспериментальной физики Технического университета г.Грац (Австрия).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации равен 103 страницан, включая 12 рисунков и список литературы из 103 наименований.
