Нелинейная спектроскопия атомарных газов в поле эллиптически поляризованных волн

• Автор: Бражников, Денис Викторович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 96 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 Формализм матрицы плотности
Глава 2 Сдвиг и асимметрия резонанса насыщенного поглощения в поле встречных эллиптически поляризованных волн
2.1 Общий анализ уравнений и геометрии полей
2.1.1 Анализ уравнений
2.1.2 Анализ симметрии
2.2 Аналитическое решение
2.3 Численные расчеты
Глава 3 Двойная структура резонанса насыщенного поглощения на отрытом дипольном переходе
3.1 Теория
3.1.1 Анализ выражения для спектроскопического сигнала
3.1.2 Общий качественный анализ
3.2 Численные расчеты
Глава 4 Магнитооптический резонанс пересечения уровней в бегущей эллиптически поляризованной волне
4.1 Переход >Ре
4.2 Переход >Ре~3. Резонанс ЭИА
Глава 5 Магнитооптический резонанс пересечения уровней
в поле встречных волн
5.1 Влияние встречной волны, возбуждающей смежный переход
5.2 Трансформация ЗИП в ЭИА и обратно во встречных волнах
5.2.1 Поляризационная Л-схема
5.2.2 Переход с учетом вырождения уровней
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Библиография

ВВЕДЕНИЕ
Исследования, проведенные в настоящей диссертационной работе, относятся к спектроскопии сверхвысокого разрешения, которая является одним из основных направлений в лазерной физике и нелинейной оптике. Узкие нелинейные резонансы играют важнейшую роль в физических исследованиях: позволяют понять строение вещества на молекулярном, атомном и субатомном уровнях, проверить основы квантовой физики и теории относительности. Спектроскопические методы лежат в основе фундаментальной лазерной метрологии, имеющей особую значимость в современной науке и технике и позволяющей проводить многие «тонкие» измерительные эксперименты (например, исследование постоянства мировых констант, прецизионное измерение частот атомных и молекулярных переходов). Спектроскопии уделяется большое внимание в передовых исследовательских институтах и лабораториях всего мира, например, NIST и JILA в США, РТВ в Германии, LPTF во Франции, НИИ Метрологии, Институт спектроскопии РАН, ФИАН, ИЛФ СО РАН, ИАЭ СО РАН, ИФП СО РАН и ИОА СО РАН в России.
До изобретения лазеров в спектроскопии газов были развиты в основном линейные методы, доплеровски уширенные резонансы для которых являлись пределом возможностей. Однако с изобретением лазеров (I960 г., Теодор Майман, рубиновый лазер; 1961, Али Яван, гелий-неоновый лазер) у исследователей появился высококогерентный источник электромагнитного излучения, обладающий вместе с тем высокой интенсивностью и возможностью перестройки в широком диапазоне частот (все это не было доступно лампам, применяемым ранее). К настоящему моменту лазеры находят широкое применение: в медицине и биологии (лазерный скальпель, лечение раковых опухолей, исследования клеток), в химии для инициирования реакций, в промышленности (сварка, резка, сверление,

закалка и легирование), в дальнометрии и связи, для разделения изотопов и во многих других областях науки и техники. Второе рождение испытала и спектроскопия. Стали бурно развиваться нелинейные спектроскопические методы, а в спектроскопии газов выделилось новое направление - спектроскопия сверхвысокого разрешения, позволяющая наблюдать структуру атомных и молекулярных переходов, скрытую доплеровским уширением, что позволило увеличить спектральное разрешение линии с 106 до 10м.
Несмотря на то, что с момента изобретения лазеров появилось множество статей и ряд монографий (например, [1]-[13]), посвященных вопросам лазерной спектроскопии, тем не менее, остается ряд принципиальных проблем, требующих более детального теоретического и экспериментального исследования. Например, одним из таких вопросов является поляризационный аспект взаимодействия атомов с элекгромагнитным полем, важность которого обусловлена тем, что параметры поляризации излучения (степень эллиптичности, ориентация вектора поляризации) являются равноправными степенями свободы в системе «атомы+поле» наряду с частотой поля и направлением волновых векторов. Поэтому для полноты понимания физики процессов, происходящих в резонансных средах под действием лазерного излучения, необходимо рассмотрение общего случая полей с эллиптической поляризацией.
К настоящему времени, большая часть как теоретических, так и экспериментальных исследований проводилась с использованием полей, имеющих циркулярную или линейную поляризации. Однако, в нелинейном режиме, когда закон суперпозиции не выполняется, знание отклика среды на электромагнитную волну с линейной или циркулярной поляризацией совершенно недостаточно для понимания поведения среды в общем случае эллиптической поляризации. С точки зрения теории ограничение частными случаями поляризации (линейной и циркулярной) связано, прежде всего, с математическими трудностями, которые возникают при решении квантовомеханических уравнений в общем случае эллиптической поляризации и обусловлены необходимостью учета зеемановской (низкочастотной) когерентности на резонансных энергетических уровнях. При этом, в отличие от вариантов с линейной и циркулярной поляризацией, эту

О 10
ЭЛЛИПТИЧНОСТЬ Єт (град.)

ЭЛЛИПТИЧНОСТЬ є1 (град.)
Рис.2.4. Сдвиг резонанса как функция эллиптичности е1 при е2 = 0 и <р- 45°. а) полное поглощение при Л] = К2 = 0.1/ , б) поглощение пробной волны Е] при ЯргоЬе = Я{ =0.1/,
Критр = Л2 =0.2/. Везде Г = 2 10-3/.
угол ф (град.)
Рис.2.5. Сдвиг резонанса как функция угла между главными полуосями эллипсов поляризации. Сигнал — полное поглощение обеих волн (32). Параметры: Я, = Л2 =0.3/,
«,=30°, £2=10°, Г = 2 -10~3