Введение к работе
Актуальность темы
Успехи, достигнутые за последние годы в изучении различных нелинейно-оптических и кинетических явлений в атомарных средах в присутствии световых полей, во многом обусловлены интенсивным развитием исследований в области поляризационных аспектов взаимодействия резонансного излучения с атомами. Например, достижение самых низких на сегодняшний день температур (Tcooi ~ 10~6 К) имеет место в экспериментах по охлаждению атомов в слабых световых полях с градиентами поляризации, а сами механизмы охлаждения базируются на сильной корреляции между внутренними и поступательными степенями свободы у атомов в основном энергетическом состоянии. Вырожденность основного состояния атомов по проекциям углового момента здесь играет принципиальное значение. Пространственная неоднородность поляризации светового поля приводит к возможности оказывать селективное воздействие на атомы в зависимости от их полярпзован-ности, скорости и местонахождения в световом поле.
Таким образом, изучение особенностей взаимодействия поляризованного резонансного излучения с атомами, находящимися в основном состоянии, является актуальной задачей.
Важным аспектом данного направления является анализ стационарных нелинейных поляризационных явлений в атомарных газах, находящихся в основном состоянии с учетом эффектов их оптической ориентации. Использование непрерывных перестраиваемых лазеров в атомной спектроскопии существенно увеличило число исследуемых в эксперименте резонансных переходов в атомах. Отметим также, что теоретические исследования нелинейных поляризационных явлений главным образом были ориентированы на случаи взаимодействия света с возбужденными состояниями атомов и по преимуществу для некогерентных источников света. При этом развитые здесь способы описания оказываются недостаточными при построении теории взаимодействия
света с основным, вырожденным по проекции углового момента, состоянием атомов. Медленность процессов релаксации в основном состоянии по сравнению с возбужденными и накопление анизотропии взаимодействия с поляризованным светом во времени не позволяет здесь использовать стандартные методы стационарной теории возмущений. Поэтому актуальной являлась разработка адекватного теоретического подхода, пригодного для описания процессов стационарного взаимодействия излучения с атомами с учетом эффектов их оптической ориентации, на примере исследования соответствующих простых физических моделей.
Другим аспектом данного направления является анализ селективного характера воздействия поляризованного света на поступательные степени свободы атомов и изучение возникающих в связи с этим различных кинетических явлений в атомарных средах, чему в последние годы посвящено значительное количество работ. С 1988 года образовалось целое направление, связанное с вопросами кинетики атомарных ансамблей в световых полях с градиентами поляризации. Актуальной здесь является проблема эффективного каналпрования и пространственной локализации атомов в условиях сверхглубокого охлаждения. Требуется анализ механизмов охлаждения и захвата атомов, проведение количественных оценок эффективности этих процессов. Еще одна перспективная задача связана с эффектами возникновения за счет процессов оптической ориентации в основном состоянии скрытой сильной неравновесности по импульсам у атомов с различными проекциями углового момента, тогда как в целом атомарный ансамбль может оставаться в равновесном состоянии. Рассмотрение данных эффектов на примере простых моделей взаимодействия атомов с полем позволяет провести как можно более полное количественное и качественное их рассмотрение, а данное направление исследований является, несомненно, актуальным.
Цель работы и решаемые задачи
Целью данной работы является теоретическое рассмотрение широкого круга новых кинетических и спектроскопических явлений, возникающих при резонансном взаимодействии атомарных сред с лазерным излучением, когда учет вырожденности основного атомного состояния по угловому моменту играет определяющую роль.
В соответствии с поставленной целью в ходе выполнения работы решены следующие задачи:
-
выделена и рассмотрена область так называемой квазилинейного взаимодействия атомов со световым полем, когда в широком диапазоне интенсивностей лазерного излучения реализуются условия малого насыщения резонансного оптического перехода (G <С 1), однако в основном состоянии атомов формируются существенно неравновесные распределения по зеемановскпм подуровням и по поступательным степеням свободы.
-
рассматривались кинетические и оптические характеристики атомарных газов, неравновесные состояния которых были сформированы в цикле квазилинейного взаимодействия среды с лазерными полями с однородным распределенпем поляризации в присутствии постоянного магнитного поля .
.3. исследовались явления охлаждения и каналирования атомарных пучков в световых полях с пространственными градиентами поляризации и при наличии постоянного магнитного поля, когда условия квазилинейного взаимодействия атомов с полем играют важную роль.
Новизна проведенных исследований
Новизна проведенных исследований заключается в том, что впервые:
1. сформулированы условия существования новой области квазилинейного взаимодействия атомов с полем; предложены новые методы анализа исходных эволюционных уравнений для атомов и поля в условиях квазилинейного взаимодействия.
-
в области квазилинейного взаимодействия атомов с полем обнаружены и исследованы новые механизмы селективной по скоростям лазерной ориентации атомов в основном состоянии в газовых средах в различных конфигурациях светового поля (в эллиптически поляризованном поле в присутствии магнитного поля, в бихрома-тических световых полях) .
-
предсказаны и рассмотрены сущесвенно нелинейные по параметру насыщения поляризационные эффекты при распространении и поглощении слабых световых полей (G -С 1) в газах, оптически упорядоченных в процессе квазилинейного взаимодействия атомов с полем.
-
предсказана и количественно проанализирована возможность эффективного каналировання атомарных пучков в условиях квазилинейной оптической накачки и сверхглубокого охлаждения в световых полях с пространственными градиентами поляризации.
-
детально рассмотрены механизмы охлаждения и дифф;, пи в импульсном пространстве атомов, взаимодействующих со световым полем, имеющим пространственный градиент эллиптичности, в присутствии постоянного магнитного ПОЛЯ.
Научная и прикладная ценность
Научная и прикладная ценность полученных результатов определяется возможностями их применения в нелинейной поляризационной спектроскопии, в лазерной ориентации атомов, в нелинейной оптике ориентированных сред, в физике атомарных пучков п их принципиальным значением для понимания тонких деталей взаимодействия поляризованного света с веществом. Большинство результатов носит предсказательный характер, некоторые дают качественное объяснение или уточняют известные эксперименты, а часть результатов позволяет приступить к целенаправленной постановке новых экспериментов. Так,
актуальными в настоящий момент являются эксперименты по каналп-рованто атомарных пучков в световых полях с градиентами поляризации, что обещает формирование пучков с уникальными свойствами (высокая коллпмігрованность каналов в пучке, высокая поляризован-ность атомов в каналах и др.).
Основные защищаемые положения
1. Полученные в работе уравнения эволюции атомарного ансамбля,
состоящего из двухуровневых атомов (Jg = Je = 1/2), в присутствии
светового и магнитного полей позволяют рассматривать с единых по
зиций процессы оптической ориентации атомов в основном состоянии
и кинетические процессы.
2. Отдельно рассмотрена область "квазилинейного" взаимодей
ствия атомов с полем и предсказаны новые физические эффекты в
данной области пнтенсивностей полей накачки:
-
при оптической накачке в области квазилинейного взаимодействия распределения заселенностей по зеемановскнм подуровням основного состояния не зависят от интенсивности поля накачки, а определяются только его поляризацией;
-
в случае оптической ориентации в полях с градиентами поляризации поляризация атомов определяется локальным значением поляризации поля, что приводит к возникновению пространственных решеток мультипольных моментов атомов, отражающих периодическую пространственную структуру поляризационных характеристик светового поля (например, коэффициента эллиптичности) ;
-
столкновения в возбужденном состоянии могут-приводить к переориентации мультипольных моментов основного состояния (показано на примере перехода 1/2 —> 3/2) ;
3. Рассмотрена задача о распространении поляризованного света
накачки в оптически ориентированном газе, где предсказан следующие
новые эффекты:
-
в области квазилинейного взаимодействия эллиптически поляризованного света с атомами в условиях оптической накачки нарушаются известные законы распространения света типа закона Бугера - Ламберта ;
-
наведенный в статическом магнитном поле дихроизм приводит к новым эффектам поворота вектора поляризации поля накачки, отличным от известного эффекта Фарадея.
-
При оптической ориентации существует корреляция между внутренними и поступательными степенями свободы: между мультипольними моментами атома (в данном случае ориентацией) и его скоростью. Это проявляется в селективной по скоростям оптической ориентации атомов в основном состоянии, в возникновении "скрытой" неравновесности в газе, когда в целом газ находится в состоянии теплового равновесия, но также имеются встречные потоки атомов с различными проекциями спина.
-
Рассмотрен впервые количественно эффект каналирования атомарных пучков в световых полях с градиентами поляризации, проведен качественный анализ различных эффектов корреляции внутренних и поступательных степеней свободы атомов в присутствии магнитного поля и при учете эффектов отдачи. На рассматриваемом переходе 1/2 —+ 1/2 в поле lin _L lin конфигурации имеется возможность сверхглубокого одномерного охлаждения при положительных отстройках поля от резонанса. Атомарные пучки в режиме стационарного каналирования обладают уникальными характеристиками, как-то : высокая коллимированность каналов; высокая концентрация атомов в каналах; атомы в канале .обладают определенной проекцией спина, причем в соседних каналах атомы имеют различные проекции спина.
Апробация результатов
Основные результаты диссертации обсуждались на семинарах ИГУ, ИАпЭ СО РАН, ИЯФ СО РАН, ЛГУ, ГОИ им.С.И.Вавилова и др. организаций, докладывались на IX Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1978 г.), на / Всесоюзном семинаре по оптической ориентации атомов и молекул (Ленинград, 198Q г.), на Международной конференции (Volga Laser Tour'93, Саратов, 1993 г.) и отражены в публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 80 наименований. Общее число страниц 63, в том числе 20 рисунков в тексте диссертации.
