Теория светоиндуцированной анизотропии резонансных атомов в стационарных эллиптически поляризованных полях

• Автор: Юдин, Валерий Иванович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Содержание
1 Введение
2 Формализм матрицы плотности в задачах взаимодействия атомов с электромагнитным полем
2.1 Квантовое кинетическое уравнение
2.2 -представление
2.2.1 Атом со сверхтонкой структурой уровней
2.2.2 Замкнутый оптический переход
2.3 Неприводимое кд-представление
2.4 ” Обычный” и "естественный” базисы при описании эллиптической поляризации
3 Наведенная анизотропия атомов и нелинейная лазерная спектроскопия разреженных газов в эллиптически поляризованных световых пучках
3.1 Теория возмущения в случае ограниченных световых пучков
3.1.1 Нулевое приближение
3.1.2 1-й шаг итерации
3.1.3 2-й шаг итерации
3.1.4 3-й шаг итерации
3.2 Спектроскопия пробного поля
3.2.1 Общий геометрический анализ спектроскопического сигнала
3.3 Амплитудно-частотная характеристика спектроскопического сигнала
3.3.1 Нелинейная спектроскопия во встречных световых пучках
3.3.2 Нелинейная спектроскопия в однонаправленных световых пучках
3.3.3 Уточнение формы нелинейных резонансов
3.4 Анализ влияния спонтанного переноса анизотропии на нелинейный спектроскопический сигнал
3.5 Спектроскопия щелочных металлов
3.6 Нелинейная спектроскопия в присутствии статического магнитного поля
4 Стационарное состояние резонансных атомов в эллиптически поляризованном поле
4.1 Постановка задачи
4.2 Переходы Fg = F Fe = F — 1
4.2.1 Инвариантное описание КПН
4.2.2 КПН в статическом магнитном или электрическом поле
4.3 Переходы Fg = F Fg = F (F - целое)
4.3.1 Инвариантный вид темного состояния
4.3.2 Описание через присоединенные спиноры
4.3.3 КПН в статическом магнитном или электрическом попе
4.4 Переходы Fg = F —> Fe = F (F - полуцелое)
4.4.1 Вычисление матричных элементов
4.4.2 Условия слабого и сильного насыщения переходов
4.5 Переходы Fg = F—>Fe = F + l
4.5.1 Аналитический вид стационарной матрицы плотности
4.5.2 Вычисление матричных элементов
5 Заключение
6 Литература

1 Введение
Во второй половине XX века, благодаря созданию принципиально новых источников электромагнитного излучения - квантовых генераторов (лазеров, мазеров и др.), явно обозначился новый этап развития практически во всех областях естествознания. Все более доминирующее положение приобретают оптические методы исследования различных свойств материи (физических, химических, биологических и т.д.). Уже трудно найти крупную современную научно-техническую или промышленную разработку, в которой бы лазеры не имели самого широкого применения, начиная от пассивных методов контроля и кончая активным использованием в технологических процессах. Неоценимое значение имеют лазеры для фундаментальной науки и метрологии. Все это ставит исследование различных аспектов взаимодействия электромагнитного излучения с веществом на передний край научно-технического прогресса.
Ведущая роль в этом направлении принадлежит таким разделам физики, как квантовая и нелинейная оптика, лазерная физика, радиофизика и пр., которые, в сущности, тесно переплетены и взаимно дополняют друг друга. К настоящему времени уже накоплен и продолжает накапливаться огромный эмпирический материал по исследованию распространения электромагнитных волн в различных средах и реакции вещества на световое воздействие. И дальнейшее развитие науки в немаловажной степени зависит от уровня теоретического осмысления происходящих при этом процессов. Основой для теоретического анализа в большинстве случаев являются следующие фундаментальные дисциплины: квантовая механика, квантовая электродинамика, классическая электродинамика, а также некоторые их взаимные сочетания.
Особое место в современной оптической физике занимают резонансные явления (например, в газовых средах они возникают в присутствии узкополосного электромагнитного излучения, частота которого близка к одной из собственных частот атомов или молекул).
В этом случае наиболее ярко проявляются квантовомеханические особенности строения частиц вещества и до создания лазеров детальное исследование таких явлений было весьма затруднительным и ограничивалось, в основном, анализом линейчатых спектров в парах различных веществ. Как оказалось, условие резонансности является настолько принципиальным, что потребовался коренной пересмотр многих представлений, сформировавшихся при построении классической оптики и электродинамики, в которых практически не учитывалось влияние нелинейных резонансных эффектов. Более того, замечательное свойство лазерного излучения - когерентность, позволило начать исследование совершенно новых физических явлений (параметрическая генерация, светоиндуцированные прозрачность и поглощение, а также некоторые другие).
Однако, все бесконечное многообразие электромагнитных явлений имеет общий аспект, обусловленный векторной природой электромагнитного поля, который приводит к зависимости различных физических характеристик от поляризации излучения. Поэтому можно утверждать, что исследование поляризационных особенностей взаимодействия света с веществом является неотъемлемой частью фундаментальной науки. Поворотным событием и началом интенсивного систематического изучения этих особенностей для резонансных сред послужило открытие в 1950 году А. Кастлером (Нобелевская премия за 1966 год) эффекта оптической накачки (ориентации) атомов [1]-[4]. Суть этого явления проста и с самых общих позиций состоит в передаче в процессе взаимодействия упорядоченности от света к частицам и к формированию в среде макроскопической анизотропии. Многие замечательные научные достижения последних десятилетий подтверждают значимость и перспективность работ в этом направлении. Так светоиндуцированная анизотропия, приобретаемая в процессе оптической ориентации, влияет на распространение самого излучения накачки если среда достаточно протяженная [5]-[8], приводит к различным интерференционным явлениям в спонтанном излучении атомов [9]-[14], влияет на элементарные процессы межатомных и атомно-молекулярных взаимодействий [15]-[17], на протекание химических реакций [18]-[21], на процессы хемо- и фотодиссоциации [22]-[24], спинобменной ориентации [24]-[25] и т.д.. Процессы оптической накачки играют важную роль при изучении различных астрофизических объектов: распространении излучения через облака межпланетного газа, определении плотности частиц, оценке магнитных полей и другой астрофизической информации [26]-[29]. Оптическая ориентация имеет принципиальное значение и в различных кинетических явлениях - вспомним, например, уникальную возможность сверхглубокого охлаждения атомов в полях с градиентом поляризации (Нобе-

проводилось в работах [109, 110, 111], в которых была заложена общая идеология данной проблемы. Дальнейшее развитие этого метода нашло отражение в [112]-[116]. При этом форма нелинейных резонансов в пролетной ситуации детально анализировалась для модели невырожденных энергетических уровней В пределе 7Т <С 1, т.е. когда пролетные эффекты необходимо учитывать в равной степени как для основного состояния, так и для возбужденного. В настоящей диссертации, наоборот, рассматривается другой предел 7т > 1, когда пролет требуется учитывать только в уравнении для матрицы плотности основного состояния, вырожденного по проекции углового момента. Получены весьма простые аналитические выражения, описывающие формы резонансов, обусловленные НИЭФ, которые имеют существенно нелоренцевский вид. Так, например, реальная часть (симметричная форма) имеет довольно острую вершину в центре и экспоненциальное затухание по краям, а у мнимой части (антисимметричная форма) направление касательной в центре почти вертикально. Напомним, что в упрощенном подходе пролетные эффекты, обусловленные ограниченностью световых пучков, обычно моделируют введением пролетного затухания в основном состоянии со скоростью ~ 1/г, что и приводит к появлению в теории комплексных лоренцевских контуров типа (1 ± гДг)-1.
Проведено обобщение рассмотренных выше задач на случай присутствия произвольно направленного слабого магнитного поля, когда П < 7 (Ш - зеемановское расщепление в основном состоянии). Показано, что магнитное поле переориентирует и деформирует мультипольные моменты основного состояния, приводя к существенному изменению тензора диэлектрической восприимчивости. В области насыщения по магнитному полю (1/r < fl < 7) для встречных волн проведено сравнение теоретических расчетов с экспериментом и обнаружено хорошее совпадение. Проанализированы некоторые специфические особенности спектроскопической структуры сигнала для однонаправленных волн. Показано, что в случае 1/f < ft < 7 происходит расщепление ’’сверхузкого” резонанса в общем случае на пять контуров, соответствующих разности частот двух волн Д = 0, ±0, ±2П.
В целом, результаты данной главы представляют достаточно полную теорию нелинейной лазерной спектроскопии для узких световых пучков малой интенсивности в атомарных газах с учетом поляризационных особенностей взаимодействия частиц со светом, сверхтонкой структуры атомных уровней, радиационной релаксации возбужденных состояний. Эти результаты отражены в работах [117]-[124].
Отметим также, что для слабых полей подобным образом могут быть решены не только спектроскопические задачи. Так, например, в работе [125] в рамках теории возмущений,