Експериментальні дослідження механічних та спектральних ефектів у взаємодії лазерного випромінювння з атомами та молекулами
Аналiз передачi механiчного iмпульсу вiд лазерного поля до атомiв при взаємодiї амплiтудно-модульованих лазерних полiв з атомними частками. Дослiдження резонансiв флуоресценцiї у випромiнюваннi гелiй-неонових лазерiв з нелiнiйно-поглинаючим середовищем.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 02.08.2014 |
| Размер файла | 138,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Київський національний університет
імені Тараса Шевченка
НЕГРIЙКО Анатолiй Михайлович
УДК 535.214; 535.33/.37:621.373.826
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фiзико-математичних наук
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНI ДОСЛIДЖЕННЯ МЕХАНIЧНИХ ТА СПЕКТРАЛЬНИХ ЕФЕКТIВ У ВЗАЄМОДIЇ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМIНЮВАННЯ З АТОМАМИ ТА МОЛЕКУЛАМИ
01.04.05 - оптика, лазерна фiзика
Київ -- 2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в лабораторії лазерної спектроскопії відділу фото активності Інституту фізики Національної академії наук України.
Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор, Яценко Леонiд Петрович Інститут фізики НАН України, провідний науковий співробітник лабораторії лазерної спектроскопії відділу фото активності.
Офіційні опоненти:
доктор фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент НАН України Соскін Марат Самуїлович Інститут фізики НАН України, завідуючий відділом оптичної квантової електроніки;
доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Анохов Сергій Павлович директор Міжнародного центру „Інститут прикладної оптики” НАН України;
доктор фізико-математичних наук, професор, Слободянюк Олександр Валентинович професор кафедри експериментальної фізики фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка.
Провідна установа: Ужгородський національний університет.
Захист дисертації відбудеться „ 27 ” грудня 2005_ р. о 1430 год. на засіданні cпеціалізованої вченої ради Д 26.001.23 в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03680, м. Київ, проспект Академіка Глушкова 2, корп. 1, фізичний факультет, ауд. 200.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, Київ, вул. Володимирська, 58.
Автореферат розісланий „ 25 ” листопада 2005 року.
Вчений секретар cпеціалізованої вченої ради Д 26.001.23, доктор фізико-математичних наук, професор Поперенко Л.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Прогрес у розвитку квантової метрологiї довжини, часу i частот значною мiрою пов'язаний з розвитком фундаментальних дослiджень взаємодiї лазерного випромiнювання з атомами та молекулами. Формування ефективних квантових реперiв частоти -- надвузьких оптичних резонансiв, по яких стабiлiзується частота випромiнювання квантового генератора, стало можливим завдяки розробцi методiв усунення доплерiвського розширення спектральних лiнiй засобами нелiнiйної лазерної спектроскопiї, лазерного керування рухом атомних часток та їх квантовим станом, зокрема, їх охолодження до субкельвiнiвських температур, дослiдження тонких фiзичних ефектiв, якi зумовлюють розширення та зсуви резонансiв.
У всiх згаданих напрямах протягом останнiх десятилiть спостерiгався значний прогрес [1-4], проте важливi питання, якi становлять значний науковий та прикладний iнтерес, залишались недостатньо вивченими. Деякi з них стали предметом дослiдження даної дисертацiйної роботи:
· Вважалося загальноприйнятим, що сила резонансного свiтлового тиску на атомнi частки має верхню межу, яка досягається при насиченнi резонансного переходу i визначається спiввiдношенням F = hk, де h -- стала Планка, k-- хвильовий вектор i 2 -- швидкiсть релаксацiї населеностi збудженого атомного рiвня. Принципово важливим є дослiдження нових можливостей здiйснення свiтлового тиску на атомнi частинки, якi б дали змогу обiйти вказане обмеження.
· Методи здiйснення резонансного свiтлового тиску, якi були вiдомi на час, коли були розпочатi роботи, результати яких викладенi у дисертацiї, не забезпечували передачi значного, бiльше, нiж iмпульс фотона, механiчного iмпульсу вiд свiтлового поля до молекул, на вiдмiну вiд атомiв та iонiв. Розробка ефективних механiзмiв передачi значного механiчного iмпульсу вiд свiтлового поля до молекул та розробка вiдповiдних експериментальних схем значно розширили б сферу застосування методiв лазерного керування рухом атомних часток.
· Зважаючи на те, що лазери, стабiлiзованi по компонентах НТС молекулярного йоду сьогоднi є важливими джерелами еталонних довжин хвиль видимого дiапазону спектра, актуальними залишаються роботи, спрямованi на покращення їх метрологiчних параметрiв. При стабiлiзацiї частоти гелiй-неонового лазера по резонансах насиченого поглинання молекулярного йоду шляхом модуляцiї частоти лазера в околi компоненти НТС, має мiсце модуляцiйний зсув частоти, природа якого дослiджувалась протягом тривалого часу, але залишалась дискусiйною. Для пiдвищення точностi вiдтворення довжини хвилi випромiнювання стабiлiзованого лазера важливо встановити фiзичнi механiзми виникнення вказаної асиметрiї та розробити методи формування квантових реперiв частоти, вiльних вiд модуляцiйного зсуву.
· Зсуви частот компонент НТС молекулярного йоду сильно корелюють з рiвнем концентрацiї домiшок стороннiх газiв у поглинаючих комiрках. Залишався недостатньо вивченим аномально великий зсув центра компоненти НТС, зумовлений домішками у поглинаючій комірці сторонніх ізотопів йоду, зокрема, домiшки молекул 127I129I або 129I2 в комiрцi з 127I2. Вивчення впливу таких домiшок на частоту випромiнювання стабiлiзованого лазера, розробка методiв контролю рiвня домiшок у поглинаючих йодних комiрках має важливе значення для покращення метрологiчних характеристик He-Ne/127I2 лазера. З розробкою лазерiв зi змiнюваною довжиною хвилi було продемонстровано принципову можливiсть детектування гранично малих концентрацiй елементiв (аж до одиничних атомiв та молекул), у тому числi iз забезпеченням селективностi по iзотопному складу. У практично важливому випадку молекул йоду, якi мiстять iзотоп 129I, не були визначені чутливі лiнiї для ізотопічно селективного збудження та граничні характеристики експериментальних схем лазерного детектування малих домiшок гетероiзотопних молекул.
Таким чином, дисертацiйна робота присвячена розробцi важливих питань лазерної фiзики, взаємодiї оптичного лазерного випромiнювання з атомами та молекулами, які не були досліджені раніше, так що тема дослiдження є актуальною.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у лабораторiї лазерної спектроскопiї вiддiлу фотоактивностi Iнституту фiзики НАН України у рамках вiдомчих тем НАН України "Фiзика когерентних лазерних джерел та квантовi ефекти у взаємодiї атомiв та молекул з лазерним свiтлом", № держ. реєстрацiї 0104U000684; "Когерентнi та нелiнiйнi ефекти у взаємодiї вiльних атомiв та молекул з лазерними полями та розробка на їх основi методiв керування станом квантових систем", № 0101U000355; "Динамiка когерентного лазерного збудження атомiв i молекул та фiзика високостабiльних лазерiв", № 0198U016823; "Не-лiнiйнi ефекти у взаємодiї лазерного випромiнювання з атомами та молекулами та фiзика вузьких оптичних резонансiв", № 0195U016823; проекту Мiнiстерства освiти i науки України "Розробка технологiї виготовлення пасивних газонаповнених елементiв високостабiльних лазерних систем, методiв i засобiв контролю їх якостi" №8/87-2001, науковим керiвником або спiвкерiвником яких був дисертант, а також вiдомчих тем "Лазерна спектроскопiя на основi вузьких оптичних резонансiв та фiзика стабiлiзованих лазерiв", № держ. реєстрацiї 01910008609; "Дослiдження резонансних явищ в лазерах та їх застосування у лазернiй спектроскопiї, оптичних стандартах частоти та гiроскопiї", № 01860042914; науково-технiчної програми 2М/1380-97 "Розробка нових лазерних систем та керуючих пристроїв квантової електронiки", у виконаннi яких дисертант брав участь як виконавець.
Метою роботи було вивчення механiчних та спектральних ефектiв у взаємодiї лазерного випромiнювання з вiльними атомами та молекулами та використання одержаних нових наукових даних для розвитку фундаментальних фiзичних основ сучасної квантової метрологiї довжини, часу та частоти, зокрема, шляхом розробки нових способiв керування рухом атомiв та молекул силами свiтлового тиску, визначення природи актуальних зсувiв частоти нелiнiйних оптичних резонансiв у випромiнюваннi гелiй-неонових лазерiв, стабiлiзованих по компонентах НТС молекулярного йоду, формування ефективних квантових реперiв для лазерних стандартiв довжини, часу i частоти.
Для досягнення поставленої мети вирiшувались такi задачi:
1. Аналiз передачi механiчного iмпульсу вiд лазерного поля до атомiв при взаємодiї амплiтудно-модульованих лазерних полiв з атомними частками та розробка схем для ефективної передачi iмпульсу з використанням вимушених переходiв.
2. Експериментальна реалiзацiя розроблених нових схем здiйснення стимульованого свiтлового тиску на прикладi атома натрiю у полi стоячоїхвилi двочастотного лазера на барвниках, вивчення основних властивостей стимульованого свiтлового тиску.
3. Експериментальне пiдтвердження теоретичного висновку про те, що значення сили стимульованого свiтлового тиску може перевищувати верхню межу максимального значення сили спонтанного свiтлового тиску.
4. Розробка методу передачi значного механiчного iмпульсу вiд свiтлового лазерного поля до молекули та експериментальне здiйснення стимульованого свiтлового тиску на молекули Na2.
5. Розробка нових методiв керування механiчним рухом молекул та малих часток твердого тiла силами свiтлового тиску.
6. Розробка перспективних стабiлiзованих He-Ne/127I2 лазерiв на основi активних елементiв з поперечною високочастотною накачкою та визначення їх метрологiчних параметрiв.
7. Дослiдження резонансiв насиченої флуоресценцiї у випромiнюваннi гелiй-неонових лазерiв з нелiнiйно-поглинаючим середовищем у резонаторi та визначення їх метрологiчних характеристик як квантових реперiв нового типу.
8. Уточнення механiзмiв асиметрiї резонансiв насиченого поглинання та модуляцiйних зсувiв частоти He-Ne /127I2 лазерiв шляхом експериментальних дослiджень стабiлiзованих лазерiв з поперечною високочастотною накачкою.
9. Визначення впливу iзотопного складу нелiнiйно-поглинаючого газу на частоту випромiнювання стабiлiзованого He-Ne /127I2 лазера.
10. Теоретичнi оцiнки та експериментальне визначення граничної чутливостi методу лазерно-флуоресцентного аналiзу для детектування малих домiшок стороннiх iзотопiв йоду у газових зразках молекулярного йоду. Розробка методiв лазерно-флуоресцентного аналiзу для контролю якостi поглинаючих комiрок для метрологiчних лазерiв.
Об'єктом дослiдження дисертацiйної роботи є взаємодiя лазерного випромiнювання з вiльними атомами та молекулами, а предметом дослiдження є механiчнi та спектральнi ефекти у взаємодiї лазерного випромiнювання з атомами та молекулами, такi, як стимульований свiтловий тиск на атомнi частки та нелiнiйнi оптичнi резонанси у випромiнюваннi гелiй-неонових лазерiв з внутрiшньорезонаторним поглинаючим газом.
Методи дослiдження: При виконаннi дослiджень застосовувалася напiвкласична модель взає-модiї атома та лазерного поля, коли стан атома описується рiвняннями квантової механiки, а електромагнiтне поле випромiнювання лазера описується класичними рiвняннями. Теоретичні розрахунки сили світлового тиску на атоми і молекули та параметрів нелiнiйних резонансiв насиченого поглинання базувалися на апарат матриця густини та оптичних рiвняннях Блоха. Для експериментальних дослiджень застосовувалися неперервні та імпульсні лазернi джерела з контрольованим спектральним складом; системи формування атомного та молекулярного пучка. Використовувалися методи нелiнiйної лазерної спектроскопiї насиченого поглинання та насиченої флуоресценцiї, методи лазерно-флуоресцентного спекрального аналізу.
Наукова новизна одержаних результатiв.
· Вперше експериментально дослiджено силу резонансного свiтлового тиску нового типу -- силу стимульованого (вимушеного) свiтлового тиску на атоми та молекули, зумовлену передачею iмпульсiв фотонiв атомнiй частцi внаслiдок упорядкування процесiв поглинання свiтла з одної хвилi та стимульованого випромiнювання у другу.
· Вперше запропонованi, обгрунтованi та експериментально здiйсненi схеми спостереження дiї такої сили на атоми натрiю у полi зустрiчних резонансних бiхроматичних свiтлових хвиль
· Вперше запропонованi, проаналiзованi та експериментально здiйсненi схеми спостереження дiї сили стимульованого свiтлового тиску на молекули натрiю Na2 у полi коротких зустрiчних свiтлових iмпульсiв.
· Вперше показано, що сила стимульованого свiтлового тиску зберiгає знак на вiдстанi, що значно перевищує довжину хвилi свiтла, для її розмiру вiдсутнє обмеження зверху величиною F = hk i вимушений характер сили дає змогу передати молекулi iмпульс суттєво бiльший, нiж hk .
· Запропоновано та експериментально здiйснено схему керування рухом малих матерiальних часток силами свiтлового лазерного тиску у полi лазерного пучка, утвореного двома рiзними поперечними модами.
· Розвинуто фiзичнi засади стабiлiзацiї частоти гелiй-неонових лазерiв. Вперше запропонованi та експериментально дослiдженi квантовi репери частоти нового типу -- резонанси внутрiшньорезонаторної насиченої флуоресценцiї у He-Ne/127I2 лазерах.
· Одержано нову наукову iнформацiю про фактори, якi визначають асиметрiю вузьких оптичних резонансiв насиченого поглинання та природу модуляцiйного зсуву частоти стабiлiзованого He-Ne/127I2 лазера та зсуву, зумовленого змiною iзотопного складу нелiнiйно-поглинаючого середовища, зокрема, малими домiшками iзотопу 129I у молекулярному 127I2 газi.
· Вперше експериментально дослiдженi метрологiчнi характеристики He-Ne/127I2 лазерiв з накачкою поперечним високочастотним розрядом.
· На основi теоретичних розрахункiв та експериментальних дослiджень уточненi данi про спектри збудження флуоресценцiї гетероiзотопних 127I129I молекул йоду у видимому дiапазонi спектру
· Вперше експериментально визначена гранична чутливiсть лазерно-флуоресцентного iзотопiчно селективного детектування малих домiшок стороннiх iзотопiв йоду шляхом селективного збудження неосновного iзотопу йоду.
Практичне значення одержаних результатiв. Розвинутi у дисертацiї теоретичнi та експериментальнi методи реалiзацiї сили стимульованого свiтлового тиску на атоми та молекули застосовуються для пiдвищення ефективностi керування механiчним рухом атомних часток у фiзичних експериментах, можуть бути використанi для створення елементiв атомної оптики, у експериментах по атомнiй iнтерферометрiї та при створеннi вимiрювальних приладiв нового поколiння. Результати дослiджень нелiнiйних оптичних резонансiв та стабiлiзованих за частотою лазерiв можуть бути корисними для пiдвищення стабiльностi частоти лазерного випромінювання та точностi вiдтворення еталонних довжин хвиль для потреб метрологiї, iнтерферометрiї, прецизiйних вимiрювань та наукових дослiджень. Дослiдження зсуву частоти He-Ne /127I2 лазера, зумовленого змiною iзотопного складу поглинаючого середовища та розроблених у дисертацiї методiв лазерно-флуоресцентного контролю рiвня забруднення парiв молекулярного йоду стороннiми iзотопами лягли в основу розробки високоякiсних йодних поглинаючих комiрок, якi використовуються на практицi, наприклад, у ДНВО "Метрологiя" (Харкiв). Розробленi у дисертацiї методи лазерно-флуоресцентного iзотопiчно селективного детектування малих домiшок стороннiх iзотопiв йоду можуть застосовуватися для контролю процесiв переробки ядерного палива на заводах по переробцi ядерних вiдходiв, створення систем монiторингу навколишнього середовища на вмiст радiоактивного iзотопа йоду 129I, який має великий перiод напiврозпаду i є глобальним забруднювачем навколишнього середовища.
Особистий внесок здобувача. Усi результати, якi включенi до дисертацiї, одержанi за особистої визначальної участi здобувача у постановцi задач, розробцi методик та методiв експериментального дослiдження, пiдготовцi та проведеннi експериментальних вимiрювань, обробцi їх результатiв, формулюваннi висновкiв.
У роботах по дослiдженню вимушеного свiтлового тиску на атоми натрiю [1*-6*, 24*, 28*, 29*] за безпосередньою участю дисертанта зроблений аналiз можливих схем здiйснення вимушеного свiтлового тиску на атоми, у яких швидкiсть передачi iмпульса не пов'язана безпосередньо з часом життя збудженого рiвня. Дисертантом розробленi фiзичнi моделi для теоретичного аналiзу механiчної дiї на атоми резонансних свiтлових полiв рiзних конфiгурацiй. Розробленi методики експериментальних дослiджень [2*, 3*, 8*, 9*, 23*-25*, 29*]. Всi експериментальнi результати одержанi за безпосередньою особистою участю дисертанта.
У роботах по розробцi та експериментальнiй реалiзацiї методiв здiйснення вимушеного свiтлового тиску на молекули та пiдвищення ефективностi керування малими частками [7*, 10*-13*] автором зроблений аналiз проблеми передачi значного iмпульсу вiд свiтлового поля до молекули, труднощiв його здiйснення та перспектив використання схем здiйснення вимушеного свiтлового тиску для керування рухом молекул та малих часток. За безпосередньою участю дисертанта розробленi фiзичнi моделi для теоретичного аналiзу, зроблений висновок про принципову можливiсть спостереження дiї вимушеного свiтлового тиску на молекулу. Ним розроблена методика та схеми експериментальних дослiджень. Експериментальнi дослiдження дiї поля зустрiчних послiдовностей коротких лазерних iмпульсiв аргонового лазера iз синхронiзацiєю мод на молекули натрiю здiйсненi за особистою участю дисертанта.
У роботах по дослiдженню нелiнiйних резонансiв насиченого поглинання та насиченої флуоресценцiї [14*, 15*, 17*, 19*, 21*, 22*, 27*, 30*, 31*, 36*] дисертантом розробленi експериментальнi методики та експериментальнi лазернi системи, пiд його керiвництвом та за безпосередньою участю проведенi експериментальнi дослiдження стабiльностi частоти гелiй-неонових лазерiв, модуляцiйних зсувiв та асиметрiї резонансiв, сформульованi висновки та пiдготовленi роботи до друку. Сформульована задача детектування малих домiшок iзотопу йод-129 у присутностi значних кiлькостей стабiльного iзотопу йод-127 методами лазерно-флуоресцентної спектроскопiї, науковi та технiчнi проблеми вирiшення такої задачi. Визначенi критерiї вибору чутливих лiнiй гетероiзотопного йоду. За особистою участю дисертанта виконанi усi експериментальнi дослiдження, результати яких наведенi у [18*, 21*, 22*, 26*, 34*]. У роботах [14*-17*, 20*, 21*, 27*, 32*, 33*, 35*] дисертанту належить постановка задач, проведення експериментальних дослiджень стабiльностi частоти лазерiв, стабiлiзованих по резонансах насиченого поглинання та насиченої флуоресценцiї, нелiнiйних резонансiв насиченого поглинання компонент надтонкої структури молекулярного йоду рiзного iзотопного складу, формулювання висновкiв та пiдготовка робіт до друку.
Апробацiя результатiв дисертацiї. Включенi до дисертацiї результати дослiджень доповiдалися та обговорювалися на Всесоюзному симпозiумi по стабiлiзацiї частоти радiо та оптичного дiапазонiв (Москва, Росiя, 1987), науково-технiчному семинарi "Применение лазеров в науке и технике" (Тольятти, Росiя, 1989), XIII Мiжнаpоднiй Вавiловськiй конфеpенцiї по нелiнiйнiй оптицi (Новосибiрськ, Росiя, 1990), XIV Мiжнаpоднiй конфеpенцiї по когеpентнiй та нелiнiйнiй оптицi (Ленiнград, Росiя, 1991), Мiжнароднiй конференцiї "Фiзика в Українi" (Київ, Україна, 1993), школi-семинарi-виставцi "Лазеры и современное приборостроение"( С.-Петербург, Росiя, 1993), Нацiональнiй школi-семiнарi з мiжнародною участю "Спектроскопiя молекул i кристалiв"(Суми, Україна, 1997), American Physical Society Centennial Meeting (Atlanta, USA, 1999), XIV Мiжнароднiй школi-семiнарi "Спектроскопiя молекул i кристалiв"(Одеса, Україна, 1999), XXVI International Union of Radio Science (URSI) General Assembly (Toronto, Canada, 1999) , XV Мiжнароднiй школi-семiнарi "Спектроскопiя молекул i кристалiв" (Чернiгiв, Україна, 2001), Conference on Lasers, Applications andTechnologies. (Moscow, Russia, 2002). Матерiали робiт, якi включенi до дисертацiї, доповiдалися на щорiчних наукових конференцiях Iнституту фiзики НАН України та на наукових семiнарах лабораторiї лазерної спектроскопiї вiддiлу фотоактивностi iнституту.
Матеріали дисертацiї опублiкованi у 23 статтях у наукових журналах, трьох препринтах, одному авторському свiдоцтвi та дев'яти тезах наукових конференцiй.
Дисертація складається із вступу, дев'яти розділів, висновку, списку використаних джерел, який включає 253 найменуваня. Загальний обсяг дисертації 270 сторінок. Робота містить 85 рисунків та 12 таблиць, з них 81 рисунок та 2 таблиці повністю займають площу 88 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому роздiлi зроблений огляд опублiкованих робiт, у якому основна увага зосереджена на проблемах процесiв обмiну iмпульсами атомiв з свiтловим полем та фундаментальних принципових обмеженнях на величину сили спонтанного свiтлового тиску, якi iснували на момент початку робiт над дисертацiєю.
Вважається, що пропозицiя про можливiсть використання світлового тиску для керування рухом атомiв та молекул за допомогою лазерного свiтла, резонансного вiдповiдним оптичним переходам, вперше висловлена А. Ашкіним у 1970 р. [5]. Разом з тим, у [6] повідомлялося, що пропозицiя щодо використання лазерного випромiнювання для здiйснення свiтлового тиску на газ з метою реалiзацiї селективної вiдкачки окремих компонент газової сумiшi була висловлена харкiвськими вченими О.Я. Усиковим, В.М. Конторовичем, Е.О. Канером та П.В. Блiохом ще у 1962 р. на Вченiй радi Iнституту радiоелектронiки АН УРСР та у 1963 р. на школi по теоретичнiй фiзицi i захищена авторським свiдоцтвом СРСР 1965 р. На жаль, з невiдомих нам причин, робота [6] була опублiкована лише 1972 р., через два роки після пiсля роботи А. Ашкiна [5], у якiй, у т.ч., описано схему насоса, дiя якого базувалася на використаннi свiтлового тиску, схожу на описану у [6].
Вже у перших роботах по дослiдженню свiтлового тиску лазерного випромiнювання [5] було встановлено, що сила свiтлового тиску на атом насичується при високих iнтенсивностях лазерного поля. Твердження про iснування верхньої межi для сили свiтлового тиску [5] базується на правильному положеннi про те, що атом, який знаходиться у оcновному станi пiсля завершення циклу ”поглинання -- стимульоване випромiнювання“ матиме той же iмпульс, який вiн мав перед початком циклу. Проте цей основоположний висновок справедливий лише для взаємодiї атома з одним свiтловим пучком. У загальному випадку наявностi кiлькох свiтлових пучкiв атом, поглинувши фотон з одного пучка, внаслiдок вимушеного переходу може випромiнювати фотон у будь-який iнший, так що ћk1 - ћk2 0. На початку минулого столiття А. Ейнштейн у своїй класичнiй роботi [7] вказував, що коли молекула знаходиться пiд дiєю кiлькох напрямлених пучкiв променiв, то у елементарному процесi iндукованого випромiнювання бере участь лише один з них, і тiльки цей пучок визначає зміну iмпульса молекули. Таким чином, в принципi, можлива послiдовнiсть елементарних процесiв, коли молекула поглине квант з одного пучка i внаслiдок iндукованого випромiнювання передасть квант енергiї iншому пучку. Якщо напрями поширення пучкiв не спiвпадають, тодi молекула одержить ненульовий iмпульс вiддачi. Саме на цьому положеннi базується частина дисертацiї, у якiй дослiджується сила стимульованого свiтлового тиску на атоми та молекули. Реалiзацiя такого пiдходу була вперше запропонована у [8]: якщо атом взаємодiятиме з двома зустрiчними iмпульсними пучками, кожний з яких є цугом р-iмпульсiв, так, що атом буде переходити у збуджений стан пiд дiєю р -iмпульса з одного пучка, а повертатись у основний стан пiд дiєю такого ж iмпульса з iншого пучка, то пiсля кожного такого циклу атом одержить iмпульс 2ћk. Проте здiйснення цiєї схеми виявилась технічно складною задачею i, як показано далi, подiбний механiзм був вперше реалiзований нами з використанням оригiнальних експериментальних схем взаємодiї атомiв та молекул з iмпульсними свiтловими полями [1*,2*]. Таким чином, оскiльки iснування верхньої межi для сили свiтлового тиску вважалося фундаментальним положенням теорiї свiтлового тиску на атоми, то розробка та перша експериментальна демонстрацiя методiв досягнення сили свiтлового тиску на атом бiльшої, нiж вказане у [5] граничне значення має принципове значення i пiдкреслює фундаментальний характер одержаного у дисертацiї результату.
У Роздiлi 2 поданий огляд основних понять теорії резонансного світлового тиску на атоми, детально розглянуті роботи, у яких пропонувалися схеми спостереження вимушеного світлового тиску і наведені оригінальні результати теоретичних досліджень вимушеного світлового тиску на атоми у полі зустрічних амплітудно-модульованих світлових полів з різними законами модуляції. Подано основи теорії резонансного світлового тиску на атом , що базуються на відомих результатах інших авторів. Розглянуто класичну та квантовомеханічну моделі передачі механічного імпульсу від світлового поля до атома. Оскільки в роботі використовується напівкласична модель, більша увага приділялася аналізу результатів, одержаних за допопомогою квантовомеханічного підходу [9].
Вперше схему, яка б дозволяла спостерiгати знакосталу на значних просторових масштабах градiєнтну силу, було запропоновано Казанцевим у [10] і розвинено у [11]. У запропонованій схемі спостереження сили нового типу - сили вимушеного світлового тиску -- пропонувалося здійснювати у полі двох стоячих світлових світлових хвиль з різними частотами та амплітудами. Сила, яка дiє на атом у таких полях, розглядалася у рамках моделi, згiдно якої слабе поле призводить до появи неоднорiдної у просторi ефективної розстройки . Схема здійснення сили вимушеного світлового тиску на атом, висловлена у [11], близька до незалежно запропонованої схеми [1*], в результаті експериментального здійснення якої вперше експериментально спостерігалося відхилення атомного пучка під дією сили вимушеного світлового тиску [2*].
Відзначимо, що на момент початку роботи над дисертацією жодна з розглянутих вище схем спостереження сили вимушеного світлового тиску на атом не була реалізована експериментально.
У частині 2.3 розглянуто резонансний свiтловий тиск на атоми у полi зустрічних амплiтудно-модульованих свiтлових хвиль. Показано, що близькi до iдеального випадку - iмпульсiв результати можуть бути отриманi вже у найпростiшому для аналізу випадку зустрiчних амплiтудно-модульованих хвиль -- суперпозицiї двох стоячих хвиль з частотами та :
З урахуванням виду поля рівняння для елементів матриці густини можна записати у наближенні обертової хвилі як
де , -- частота лазерного випромінювання, -- швидкість руху атома.
Тоді вираз для сили матиме вигляд
У випадку слабкого насичення рiвняння можна розв'язати, використовуючи як малий параметр величину де - частота Рабi. В загальному випадку руху атома iз швидкiстю та вiдстройкою вiд резонансу на атом дiятиме сила, яка квадратична по частотi Рабi (тобто пропорцiйна iнтенсивностi поля) i яка виникає вже в першому порядку розкладення матрицi густини:
Перші два члени у дужках описують взаємодію атома із стоячою хвилею частоти , останні два - з хвилею з частотою .Нові ефекти виникають при врахуванні ефектів третього порядку малості, коли сила обумовлена одночасною взаємодією з обома стоячими хвилями і залежить не лише від амплітуд полів цих хвиль, а і від фазового зсуву між цими хвилями. Для нерухомого атома при вираз для сили буде
Далі показано, що середня сила, яка дiє на атом при довiльних , як і при слабкому насиченні, є непарною функцією з періодом , проте для великих залежність суттєво відрізняється від синусоїдальної.
В умовах експерименту частіше вибиралося , . При цьому сила пропорційна , що якісно пояснюється тим, що резонансний перехід атома насичувався полем одної хвилі, а друга могла розглядатися як мале збурення. Усереднена по сила у цьому випадку буде
Бiльш загальною є ситуацiя, розглянута у [4*, 5*], коли атом взаємодiє iз зустрiчними змiнними у часi полями, амплiтуда яких модулюється по довiльному закону:
Вважалося, що для частот Рабі виконуються умови , , так що поля є сильними, тобто такими, у яких частота Рабi, яка змінюється від до , у будь-який момент часу значно перевищує ширину спектру спонтанного випромiнювання . Знайдені вирази для сили як для випадку довільного закону модуляції, так і для важливих окремих випадків, коли , є періодичними функціями часу з періодом T. Для малого індексу модуляцiї, коли , , де середнi значення величин та дорiвнюють нулю, можна знайти
Для тривалої взаємодії атома з двома зустрічними світловими полями, амплітуда яких модулюється по довільному закону з малим індексом модуляції усереднена по часу та координаті сила, що діє на атом може бути виражена як
де кутові дужки означають усереднення по часу.
Наведені результати свідчать, що сила світлового тиску в розглянутих амплутудно-модульованих полях може значно перевищувати силу спонтанного світлового тиску у одній біжучій хвилі. Реальне збiльшення сили на один-два порядки можливе уже при параметрах насичення 103 - 104, що досить легко здiйснюється на практицi.
У частині 2.4 поданi результати [3*, 6*] дослiдження сили вимушеного свiтлового тиску на атом у полi двох зустрiчних послiдовностей коротких свiтлових iмпульсiв з перiодом слiдування тривалiсть яких, вiдповiдно, та .
У цьому випадку релаксацiєю та еволюцiєю елементiв матрицi густини, зумовлених допплерівським зсувом частоти та вiдстройкою частоти поля вiд частоти атомного переходу , протягом тривалостi iмпульсу можна знехтувати. Нехай хвиля, яка поширюється у додатньому напрямi осi OZ, взаємодiє з атомом у iнтервалах часу, обмежених часовими координатами та , а зустрiчна хвиля -- у iнтервалах часу вiд до де m -- цiле число. Тодi сила, що дітиме на атом, може бути записана як
де введено та . Фізичний зміст очевидний: переданий атому за період імпульс визначається різницею змін інверсій населеності, викликаних дією двох зустрічних світлових імпульсів. При цьому треба мати на увазі, що зміна інверсії на 2 (перехід атома із одного рівня на інший) відповідає передачі імпульса . Для -імпульса , а , так що .
Аналіз сили, що діє на атом у полі біжучої послідовності світлових імпульсів з довільним значенням показав, що ця сила близька до сили, що діє на атом у полі біжучої монохроматичної хвилі за винятком вузьких областей в околі точок , де вона зменшується до нуля. Для цих точок число актiв поглинання дорiвнює числу актiв вимушеного випромiнювання, тому iмпульс вiд поля атому не передається та сила дорiвнює нулю. Завдяки релаксацiї пiд час дiї iмпульса баланс вимушених переходiв порушується i сила буде вiдмiнна вiд нуля.
Для двох зустрiчних хвиль, що складаються з послiдовностей iмпульсiв однакової площi, розглянуто відомий випадок зустрічних -імпульсів та випадок довільних при малих та великих .
Для -імпульсів сила
перетворюється у нуль при і досягає максимуму при .
У найважливішому випадку довільних середня по координаті сила, що діє на атом є
Видно, що умова не є обов'язковою для існування значної сили вимушеного світлового тиску. Якщо мало відрізняється від , сила зменшується з ростом по лінійному закону
Врахування релаксацiї при часах взаємодiї, бiльших , приводить до того, що дiюча на атом сила випадково змiнює напрям. В загальному випадку довiльних залежнiсть сили вiд описується множником , який дорiвнює рiзницi iмовiрностей прискорення атома у додатньому та від'ємному напрямі .
У частині 2.5 проаналізована можливiсть пiдвищення ефективностi керування рухом мiкрочасток силами світлового тиску, яка базується на специфiчному механiзмi резонансного збiльшення поглинання свiтла мiкрочасткою в присутностi атома з резонансною до падаючого свiтла частотою оптичного переходу. Оцiнки для мiкрочастинки натрiю розмiрами 2R = 10 нм показують, що у присутностi атома натрiю та резонансного оптичного поля з довжиною хвилi 589 нм ефективнiсть каскадної передачi енергiї може досягати 103-104. Такий механiзм резонансного збiльшення поглинання енергiї оптичного поля мiкрочасткою може знайти застосування при розробцi оптичних пасток для часток малих розмiрiв.
Запропоновано та експериментально реалізовано маніпулювання малими поглинаючими світло частками за допомогою лазерного пучка, який є суперпозицією поперечних ТЕМ00 та ТЕМ01 мод. Вибиралися спецiальнi режими генерацiї, коли поле з довжиною хвилi 488,8 нм являло собою моду TEM01, а поле з довжиною хвилi 514,5 нм - моду TEM00 Таким чином формувалася оптична пастка з осьовим мiнiмумом iнтенсивностi, проте на осi інтенсивнiсть лазерного поля не дорiвнювала нулю. Така оптична пастка забезпечує стiйкiсть частки як у поздовжньому, так i у поперечному напрямi для поглинаючих часток незалежно вiд їх розмiру.
Основнi результати Роздiлу 2 опублiкованi у роботах [1*, 3* - 6*, 21*, 25*, 29*].
У Роздiлi 3 поданi результати дослідження вимушеного свiтлового тиску на атоми натрiю у полi зустрiчних амплiтудно-модульованих хвиль.
Розглянуті основні відомі схеми здійснення світлового тиску на атоми [3, 4] та подано обґрунтування вибору атома натрію як об'єкта для дослідження вимушеного світлового тиску. У роботі важливе місце займає розробка оригінальних схем лазерів із заданими спектральними характеристиками для здійснення досліджень світлового тиску зустрічних амплітудно-модульованих полів на атоми натрію. Двочастотне лазерне поле з приблизно однаковими амплiтудами двох хвиль формувалося за допомогою лазера на барвнику з резонатором, який має спецiальну частотну залежнiсть втрат так, що втрати для двох мод, якi мають відповідну рiзницю частот, будуть мiнiмальнi. Для застосувань у експериментах по дослiдженню сили свiтлового тиску на атоми натрiю розроблений двочастотний лазер на барвниках, особливiстю якого є використання резонатора на базi iнтерферометром Майкельсона, що дає змогу зменшити число внутрiшньорезонаторних елементiв порiвняно iз схемами, якi базуються на використаннi iнтерферометра Фабрi-Перо, знизити неселективнi втрати та пiдвищити ККД двочастотного лазера. У розробленій схемі лазера з iнтерферометром Майкельсона досягнуто стiйкого двочастотного режиму генерацiї з ККД при потужностi накачки 2,8 Вт усiма лiнiями аргонового лазера 11% та з порогом генерацiї близько 1 Вт. Розробка та створення лазерів на барвниках, які застосовувалися у дослідженнях, здійснювалася з використанням методів оптимізації параметрів внутрішньорезонаторних елементів, які базуються на розроблених оригінальних методах визначення частотної залежності втрат, що вноситься дисперсійним елементом. Оскільки теоретичні розрахунки таких залежностей дають лише наближену їх оцінку, ми використовували методику, розроблену у роботах [9*,23*, 25*], суть якої полягає в тому, що при настройцi частотного селектора лазера на область, де є вузька лiнiя додаткового пiдсилення на фонi широкої лiнiї пiдсилення барвника, при деякiй критичнiй розстройцi вiдбувається захоплення частоти генерацiї лазера лiнiєю додаткового пiдсилення.
Показано, що розроблена методика вимiрювання дає змогу визначати частотну залежність втрат, величина яких складає 10-4 - 10-5 см-1. Застосування вказаних підходів дало змогу розробити двочастотні лазери з різницями частот порядку 1,5 -- 1,7 ГГц та довжинами хвиль, які можуть перестроюватися у діапазоні генерації барвника Родамін 6Ж.
Наводяться результати першого спостереження дії вимушеного світлового тиску на атоми натрію. Дiя вимушеного свiтлового тиску на атоми натрiю вивчалася на установцi, у якiй тепловий пучок атомiв натрiю поміщався у резонатор лазера і перетинав стоячу хвилю двочастотного лазерного поля під прямим кутом. Атом натрiю взаємодiяв з зустрiчними амплiтудно-модульованими хвилями, а вiдхилення атомiв натрiю пiд дiєю сили свiтлового тиску визначалося по просторовому розподiлу iнтенсивностi флуоресценцiї у площинi спостереження. Зміщуючи точку перетину лазерного і атомного пучків відносно дзеркала резонатора можна було змінювати різницю фаз між зустрічними амплітудно модульованими хвилями. Експериментально зареєстрована характерна залежнiсть вiдхилення атомiв вiд рiзницi фаз зустрiчних амплiтудно - модульованих хвиль, коли не тiльки величина вiдхилення, а i його знак змiнюється при вiдповiднiй змiнi ц. Вже у цих перших експериментах максимальна величина сили вимушеного свiтлового тиску становила F ~ 1,2 ћk г, що перевищує максимальну силу світлового тиску на атом поля однiєї бiжучої хвилi. Величина сили вимушеного світлового тиску зростає із збільшенням інтенсивності лазерного поля по закону, близькому до лінійного так що пiдвищення потужностi лазера i вибiр оптимального значення частоти амплітудної модуляції, або, що у нашому випадку те ж саме, різниці частот двох мод Щ ( в нашому випадку величина Щ визначається конструктивними особливостями лазера на барвнику) дозволяє досягнути значень F, суттєво бiльших за ћk г, що i було показано у пiзнiших роботах iнших авторiв. Основнi оригiнальнi результати Роздiлу 3 опублiкованi у роботах [2*, 3*, 10* - 12*, 23* - 25*, 28*, 29*].
У Роздiлi 4 поданi результати дослiдження дiї свiтлового тиску на молекули натрiю. До початку досліджень, результати яких викладені у цьому розділі, вважалося, що керування рухом молекул силами резонансного свiтлового тиску неможливе через принципове обмеження, зумовлене багаторівневою енергетичною структурою молекули [12]. Дійсно, молекула пiсля поглинання резонансного фотона та переходу (vi, Ji) > (v?k, J?k) у збуджений стан внаслiдок спонтанної релаксацiї збудженого рiвня з великою iмовiрнiстю перейде в квантовий стан з vm vi i вийде з резонансної взаємодiї з лазерним полем. Вiд резонансного лазерного поля молекула одержить лише iмпульс ћk i подальший обмiн механiчними iмпульсами поля та молекули припиниться. Таким чином, розробленi для атомiв схеми здiйснення спонтанного свiтлового тиску не могли застосовуватися для керування рухом молекул.
Для аналізу можливості здійснення вимушеного світлового тиску на молекулу, нами розглянута схема її взаємодiї з коротким р - iмпульсом, що поширюється у додатньому напрямку осi OZ i вiдразу за цим з р -iмпульсом, що бiжить у зустрiчному напрямку. Iмпульс молекули пiсля поглинання i вимушеного випромiнювання фотона змiнюється на величину 2 ћk, де ћk - iмпульс фотона, причому молекула після взаємодії з парою цих зустрічних р - iмпульсів повернеться у стан з тими ж значеннями квантових чисел vi, Ji . Послiдовна взаємодiя з парами таких iмпульсiв з перiодом слiдування T приводить до середньої сили свiтлового тиску 2 ћk /T на молекулу.
В реальнiй експериментальнiй ситуацiї площа iмпульсiв вiдмiнна вiд р, тому була розглянута динаміка молекули в полi послiдовностей зустрiчних коротких iмпульсiв довiльної площi. Знайденi рекурентнi спiвiдношення для матрицi густини дозволяють за початковим розподiлом молекул по iмпульсах визначити заселеностi основного i збудженого станiв в будь-який момент часу i, таким чином, знаходити iмпульс молекул i його дисперсiю пiсля взаємодiї з полем. Проведенi числовi розрахунки пiдтверджують можливiсть передачi значного, порядку сотен ћk, iмпульсу помiтнiй (порядку 0,01 - 0,1) долi молекул навiть у випадку, коли перiод слiдування iмпульсiв значно перевищує 1/г, а площа iмпульса лежить в дiапазонi 0,5 р - р.
На основі зробленого аналізу запропонована схема дослiдження дiї на молекули натрiю сили вимушеного свiтлового тиску зустрiчних коротких iмпульсiв випромiнювання аргонового iонного лазера з довжиною хвилi л ? 488 nm, який збуджує перехiд мiж рiвнями X1 У (v ?? = 3, J?? = 43) > B1Рu (v? = 6, J? = 43). Генерацiя коротких iмпульсiв здiйснювалася шляхом синхронiзацiї мод аргонового лазера за допомогою акустоптичного модулятора. Спостерiгалося вiдхилення молекулярного пучка пiд дiєю сили вимушеного свiтлового тиску. Залежність відхилення від потужності лазер знаходиться у якісній вiдповiдностi з теорiєю при порівняно невеликiй потужностi аргонового лазера, яка досягалася у наших дослідженнях. Максимальне вiдхилення центра мас пучка становило 7 · 10-4 радiан. Середня змiна iмпульса молекул, що залишилися в станi X1 У (v ?? = 3, J?? = 43) пiсля взаємодiї з полем вiдхиляючого лазера становить ~20 ћk. При максимально досягнутiй потужностi в нашому експериментi на робочому рiвнi пiсля взаємодiї з вiдхиляючим випромiнюванням залишалося приблизно 3% молекул.
Розглянута можливiсть адiабатичного переносу населеності мiж магнiтними пiдрiвнями молекул з передачею молекулi значного iмпульсу. Теоретично обгрунтована можливiсть передачi молекулi iмпульсу 2j ћk ( j - обертальне квантове число, ћk - iмпульс фотона) при взаємодiї молекули з двома зустрiчними iмпульсами з круговою поляризацiєю.
Зробленi числовi розрахунки для молекули Na2 (X > B - електронного переходу) показують, що можна, в принципi, очiкувати змiни iмпульсу молекули на величину приблизно 100 ћk, причому практично всi молекули, якi залишилися на поглинаючому свiтло обертальному рiвнi j пiсля взаємодiї з полем, будуть знаходитись на одному магнiтному пiдрiвнi m = j. Основнi результати Роздiлу 4 опублiкованi у роботах [7*- 10*, 29*].
У Роздiлi 5 поданi результати експериментальних дослiджень асиметрiї резонансiв насиченого поглинання в He-Ne/127I2 лазерах з накачкою поперечним високочастотним розрядом.
З'ясування природи асиметрiї резонансiв насиченого поглинання, що призводить до модуляцiйних зсувiв частоти стабілізованого лазера є важливим як для розумiння фiзичних процесiв у лазерах iз внутрiшньорезонаторним нелiнiйним поглинанням, так i для пiдвищення вiдтворюваностi частоти випромiнювання стабiлiзованих лазерiв. Завдяки низькому рiвню амплiтудних шумiв використання лазерiв з накачкою поперечним високочастотним розрядом дало змогу iстотно пiдвищити точнiсть вимiрювань i тим самим надати можливiсть уточнити роль основних чинників, що призводять до асиметрiї резонансiв насиченого поглинання. Так, використання накачки поперечним високочастотним розрядом у He-Ne/127I2 лазерах дозволило розширити дiапазон девiацiї частоти D, в якому вимiряна залежнiсть частоти випромiнювання стабiлiзованого лазера вiд D (модуляцiйний зсув). З використанням лазера із збудженням сталим струмом ця залежнiсть була експериментально дослiджена тiльки у досить вузькiй областi 3 МГц < D <10 МГц. В цьому дiапазонi девiацiй вона була, в межах похибки, практично лiнiйною, що не дозволяло встановити природу асиметрiї.
Залежна вiд частоти випромiнювання добавка P до вихiдної потужностi лазера з внутрiшньорезонаторною поглинаючою комiркою (резонанс насиченого поглинання) поблизу центральної частоти лiнiї поглинання являє собою суму основного симетричного та малого антисиметричного за вiдстроюванням доданкiв
де k -- контрастнiсть резонансу, P0 -- вихiдна потужнiсть лазера за вiдсутностi нелiнiйного поглинання, Г -- однорiдна ширина лiнiї поглинання. У випадку слабкого насичення поглинаючого середовища форм-фактори Ls(x) та La(x) є, вiдповiдно, дiйсною та уявною частинами комплексного лоренцiана L(x) = 1/(1 + ix). Малий параметр , що вiдображає роль ефектiв просторової неоднорiдностi, у випадку слабкого насичення пiдсилюючого середовища, є сумою трьох доданкiв, якi описують вiдносну роль трьох можливих механiзмiв впливу нелiнiйних лiнзоподiбних властивостей поглинаючого середовища на вихiдну потужнiсть лазера:
де -- ширина смуги резонатора, -- вiдносне перевищення накачки над пороговим значенням, -- частотна вiдстань мiж аксiальними модами, Td -- дифракцiйнi втрати в резонаторi за прохiд. Малий параметр описує радiальну неоднорiднiсть лiнiйного пiдсилення g(r), яке апроксимується виразом , де g0 -- лiнiйне пiдсилення на осi пiдсилюючої трубки, w0 -- радiус гауссового пучка в шийцi каустики. Безрозмiрнi множники визначаються геометрiєю резонатора. Як видно, величина асиметрiї залежить вiд ряду параметрiв лазера, точнi значення яких звичайно невiдомi, так що надiйно розрахувати параметр не є можливим. Для експериментального визначення вкладу лiнзових ефектiв в асиметрiю резонансiв використовують функцiональну залежнiсть модуляцiйного зсуву вiд девiацiї D, яку визначимо як вiдстройку , що вiдповiдає нулю сигналу третьої гармоніки флуоресценцiя лазерний атом неоновий
У найбiльш важливому випадку слабкої асиметрiї розв'язання рiвняння з урахуванням дає
Відомо, що на форму провалу Лемба в коефiцiєнтi поглинання газу низького тиску в полi стоячої хвилi можуть справляти вплив також пружні зiткнення зi змiною швидкостi молекул поглинаючого газу. Виникнення асиметрiї провалу при наявностi пружних зiткнень зумовлене тим, що зiткнення, для яких , де -середньотеплова швидкість, - характерний кут розміювання, - ширина резонасу і -хвильовий вектор, є пружними i рiшення квантово-кiнетичних рiвнянь для них дає симетричний контур резонансу потужностi, який зсунуто вiдносно центру лiнiї поглинання на величину, яку дає ударна теорiя розширення спектральних лiнiй. У випадку, який має місце для лазера, і результуючий контур резонансу являє собою суму зсунутого та незсунутого симетричних контурiв i, таким чином, є асиметричним. У випадку слабкого насичення форму резонансу насиченого поглинання можна представити як
де малий параметр (, - комплексний параметр, що вiдiграє роль частоти пружних зiткнень для недiагонального елементу матрицi густини поглинаючого газу). Як i у випадку лiнзової асиметрiї, надiйно обчислити величину параметра не є можливим, оскiльки параметри та вiдомi тiльки за порядком величини. Проте видiлити внесок пружних зiткнень можна, аналiзуючи залежнiсть модуляцiйного зсуву вiд девiацiї D, яка для малої асиметрiї може бути представлена у виглядi
Аналiз модуляцiйних зсувiв, отриманих в нашому експериментi показав, що в He-Ne/127I2 лазерах модуляцiйний зсув зумовлений спiльною дiєю лiнзоподiбних властивостей поглинання та зiткнень молекул зi змiною швидкостi. Визначено параметри асиметрiї чlens (лiнзовий зсув) та чcoll (зсув, зумов лений зiткненнями) , якi склали, вiдповiдно, чlens = -(5, 2±0, 2)·10-2 та чcoll = (0, 90±0, 05) · 10-2. Внесок кожного з механiзмiв асиметрiї до результуючого модуляцiйного зсуву поблизу значень девiацiї D = 6 МГц, яка рекомендована Мiжнародним комiтетом з мiр та ваг, приблизно однаковий. Розраховано залежностi модуляцiйних зсувiв, зумовленi впливом сусiднiх компонент НТС на форму резонансу. Зсуви є максимальними для крайнiх компонент d та g i майже вiдсутнi для f компоненти, що зумовлено її симетричним положенням вiдносно сусiднiх компонент e та g, що забезпечує iстотне послаблення впливу сусiднiх компонент на форму резонансу.
Результати дослiджень, наведених у цьому роздiлi, опублiкованi в роботах [14*, 15*, 30*].
У Роздiлi 6 поданi результати дослiджень нелiнiйних резонансiв iнтенсивностi флуоресценцiї внутрiшньорезонаторного молекулярного йоду як квантових реперiв для стабiлiзацiї частоти He-Ne/127I2 лазера.
Застосування вiльних вiд допплерiвського розширення резонансiв флуоресценцiї як квантових реперiв для стабiлiзацiї частоти лазерiв до останнього часу обмежувалося схемами iз зовнiшнiми поглинаючими комiрками, оскiльки вважалося, що при реєстрацiї iнтенсивностi флуоресценцiї внутрiшньорезонаторної поглинаючої комiрки важко сформувати резонанс з необхiдними для стабiлiзацiї частоти параметрами. У даному роздiлi розглянутi умови, при яких задача формування вузького резонансу насиченої флуоресценцiї внутрiшньорезонаторного поглинання може бути вирiшена.
Потужнiсть випромiнювання флуоресценцiї пропорцiйна внутрiшньорезонаторнiй iнтенсивностi та коефiцiєнту насиченого резонансного поглинання :
де -- радiус каустики лазерного пучка, і -- коефiцiєнти, які характеризують, відповідно, ефективнiсть збирання випромiнювання та квантовий вихід флуоресценцiї. Контрастнiсть й амплiтуда резонансу iнтенсивностi флуоресценцiї будуть визначатися двома конкуруючими процесами -- зростанням потужностi внутрiшньорезонаторного випромiнювання та зменшенням коефiцiєнта насиченого поглинання в центрi резонансу. Отже, якщо вiдносне зростання потужностi лазера в центрi резонансу виявиться бiльшим, нiж вiдносне зменшення коефiцiєнта насиченого поглинання, то резонанс iнтенсивностi флуоресценцiї повторюватиме резонанс насиченого поглинання, тобто матиме форму пiка. У цьому випадку резонанс iнтенсивностi флуоресценцiї буде мати таку ж асиметрiю, що i резонанс насиченого поглинання, а його контрастність не перевищуватиме її значення для резонансу насиченого поглинання. Iстотного пiдвищення контрастностi для резонансу флуоресценцiї можна очiкувати лише тодi, коли вiдносне зростання потужностi лазера в центрi резонансу буде значно меншим, нiж вiдносне зменшення коефiцiєнта насиченого поглинання. У цьому випадку асиметрiя резонансу iнтенсивностi флуоресценцiї буде, в основному, визначатися асиметрiєю коефiцiєнта насиченого поглинання, а внесок в асиметрiю механiзмiв, пов'язаних з процесами, що вiдбуваються при генерацiї лазера, буде набагато меншим.
Для визначення умов споcтереження резонасу iнтенсивностi флуоресценцiї з оптимальними параметрами розглянуті залежностi його контрастностi та амплiтуди вiд коефiцiєнта ненасиченого пiдсилення активного середовища, вiдношення коефiцiєнтiв нерезонансного фонового поглинання та ненасиченого резонансного поглинання . Розвинута модель формування резонансiв насиченої флуоресценцiї для системи з ефективною кiлькiстю iдентичних компонент НТС, яка близька до реальної картини, оскiльки iнтенсивностi насичення поглинаючого переходу для усiх компонент НТС йоду лiнiї R(127) практично однаковi, частотнi вiдстанi мiж компонентами НТС приблизно 10 МГц, ширини резонансiв 2, 5 МГц, тобто набагато меншi, нiж допплерiвська ширина ? 400 МГц. На основi розробленої моделi встановлено, що в областi, далекiй вiд порога генерацiї контрастнiсть iнтенсивностi флуоресценцiї, на вiдмiну вiд контрастностi резонансу насиченого поглинання, зростає асимптотично до величини . Амплiтуда резонансу в цiй областi лiнiйно зростає з пiдвищенням G0, як i для резонансу насиченого поглинання. Аналiз розрахованих залежностей показує, що оптимальнi умови спостереження резонансiв iнтенсивностi флуоресценцiї вiдрiзняються вiд оптимальних умов реєстрацiї резонансiв насиченого поглинання. Максимальнi контрастностi резонансiв насиченого поглинання обмежуються фоновим поглинанням. На вiдмiну вiд них, контрастностi резонансiв iнтенсивностi флуоресценцiї практично не обмежуються фоновим поглинанням. Оскiльки коефiцiєнт фонового поглинання йоду на нм на порядок перевищує коефiцiєнт резонансного поглинання , то можна очікувати, що контрастнiсть резонансiв iнтенсивностi флуоресценцiї внутрiшньорезонаторного поглинаючого газу в He-Ne/127I2 лазерах має перевищувати на порядок максимальну контрастнiсть резонансiв насиченого поглинання. Можна також очiкувати, що в He-Ne/127I2 лазерах, стабiлiзованих за резонансом iнтенсивностi флуоресценцiї внесок лiнзоподiбних властивостей поглинаючого середовища в модуляцiйний зсув частоти випромiнювання має бути значно нижчим, нiж для лазера, стабiлiзованого за резонансами насиченого поглинання. Це зумовлено тим, що основний внесок в асиметрiю резонансу iнтенсивностi флуоресценцiї буде давати асиметрiя коефiцiєнта поглинання. Дiйсно, потужнiсть випромінювання флуоресценцiї Pfl є пропорцiйною внутрiшньорезонаторнiй iнтенсивностi та коефiцiєнту насиченого резонансного поглинання . Оскiльки контрастнiсть резонансу в вихiднiй потужностi лазера мала, то можна вважати, що змiна визначається частотною залежнiстю доплерiвського контура лiнiї пiдсилення i в межах резонансу, нехтуючи малими доданками (серед яких i асиметричний доданок, пов'язаний з лiнзоподiбними властивостями поглинаючого середовища), є практично сталою величиною. При таких умовах форма резонансу буде визначатися коефiцiєнтом насиченого поглинання .
...Подобные документы
Взаимодействие лазерного излучения с атомами. Пробой жидкостей под действием лазерного излучения. Туннельный эффект в лазерном поле. Модель процессов ионизации вещества под воздействием лазерного излучения. Методика расчета погрешностей измерений.
дипломная работа [7,4 M], добавлен 10.09.2010Расчет параметров воздействия отраженного или рассеянного лазерного излучения на органы зрения персонала, который обслуживает лазерные установки. Применение лазерного излучения в медицине. Параметры лазерного пучка, преобразованного оптической сиcтемой.
дипломная работа [1,5 M], добавлен 20.07.2015Режимы лазерного нагрева и их воздействие на полупространство. Критериальные параметры и закономерности температурного поля. Особенности нагревания материала световым пятном. Кинетика взаимосвязанных химических, оптических и теплофизических свойств.
контрольная работа [448,0 K], добавлен 24.08.2015Принцип работы лазера. Классификация современных лазеров. Эффекты, в виде которых в тканях организма реализуется биологическое действие высокоинтенсивного лазерного излучения. Действующие факторы лазерного излучения. Последствия действия светового потока.
презентация [690,8 K], добавлен 19.05.2017Определение мощности лазерного излучения, подаваемого на образец. Вычисление размеров лазерного пучка на образце. Разработка системы измерения мощности излучения и длительности лазерного импульса, системы измерения температуры в зависимости от времени.
лабораторная работа [503,2 K], добавлен 11.07.2015Принцип действия и разновидности лазеров. Основные свойства лазерного луча. Способы повышения мощности лазерного излучения. Изучение особенностей оптически квантовых генераторов и их излучения, которые нашли применение во многих отраслях промышленности.
курсовая работа [54,7 K], добавлен 20.12.2010Физические основы лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии. Расчет необходимой импульсной мощности лазерного излучателя. Габаритный и энергетический расчет передающей системы. Процесс сборки и юстировки лазерного эмиссионного спектроанализатора.
дипломная работа [4,8 M], добавлен 05.01.2013Назначение, состав и работа лазерного однокомпонентного измерителя вибрации. Пространственное моделирование рассеянного когерентного излучения на сферических микрочастицах. Расчет прохождения неполяризованного лазерного пучка по методу Мюллера и Джонса.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 25.04.2012Стадии процесса трансформации поглощенной энергии короткого лазерного импульса. Поверхностные и объемные эффекты: отжиг полупроводников; индуцированная аморфизация поверхности; разрушение тел идеально чистых и с локальными макроскопическими примесями.
реферат [1,8 M], добавлен 23.08.2012Характеристика методик испытаний, используемых для целей сертификации. Принципы эллипсометрического измерения температуропроводности наноструктурированных материалов. Процессы температуропроводности в нанопокрытиях при воздействии лазерного излучения.
курсовая работа [642,1 K], добавлен 13.12.2014История создания лазера. Принцип работы лазера. Некоторые уникальные свойства лазерного излучения. Применение лазеров в различных технологических процессах. Применение лазеров в ювелирной отрасли, в компьютерной технике. Мощность лазерных пучков.
реферат [610,1 K], добавлен 17.12.2014История и основное энергетическое понятие фотометрии; визуальные и физические методы. Разработка оптико-механической схемы лазерного измерителя скорости на основе спекл-полей; расчет оптических параметров, чувствительности; описание установки в динамике.
курсовая работа [123,9 K], добавлен 19.05.2013Понятие об оптическом волокне. Прохождение светового излучения через границу раздела сред, а также в оптических волокнах, определение окон прозрачности. Стабильность мощности лазерного излучения. Принципы измерения мощности на разных длинах волн.
курсовая работа [832,5 K], добавлен 07.01.2014Производство и применение продуктов с заданной атомной структурой путем контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Наука и технология коллоидных систем. Открытие нанотехнологий, их развитие в России. Стратегия развития наноиндустрии.
презентация [12,5 M], добавлен 18.11.2012Понятие межмолекулярного взаимодействия как связи между электрически нейтральными молекулами или атомами. Типы Ван-дер-Ваальсовых сил: ориентационные, дисперсионные и индукционные. Уравнение состояния газа. Характеристика сил притяжения и отталкивания.
контрольная работа [147,3 K], добавлен 03.03.2012Определение понятия "газ" как агрегатного состояния вещества, характеризующегося очень слабыми связями между молекулами, атомами и ионами. Основные состояния жидкостей: испарение, конденсация, кипение, смачивание и смешиваемость. Свойства твердых тел.
презентация [711,7 K], добавлен 31.03.2012Перспективы развития и проблемы молекулярной нанотехнологии. Учение микромира на новом уровне. Выход из-под контроля молекулярных систем и нанотехнологий. Манипуляция атомами и молекулами с помощью техники виртуальной реальности с обратной связью.
реферат [14,9 M], добавлен 15.11.2009Визначення параметрів синхронної машини. Трифазний синхронний генератор. Дослід ковзання. Параметри обертання ротора проти поля статора. Визначення індуктивного опору нульової послідовності, індуктивних опорів несталого режиму статичним методом.
лабораторная работа [151,6 K], добавлен 28.08.2015Пересмотр модели генетического кода. Экспериментальные подтверждения существования волновых генов. Экспериментальные доказательства солитонообразования на информационных биополимерах "in vitro". Запись ИК-лазерного сигнала.
дипломная работа [210,8 K], добавлен 08.02.2003Понятие и назначение лазера, его структура и принцип действия, основные сферы применения на сегодня. История развития данного устройства. Спонтанные и вынужденные переходы. Главные свойства лазерного излучения. Методы создания инверсии населённости.
реферат [106,2 K], добавлен 18.12.2010
