Експериментальні дослідження механічних та спектральних ефектів у взаємодії лазерного випромінювння з атомами та молекулами

Експериментально дослiдженi резонанси iнтенсивностi флуоресценцiї групи з чотирьох компонент НТС йоду d, e, f та g. Визначено контрастностi резонансiв по вiдношенню до сигналу флуоресценцiї, які становили відповідно K_g = (2, 6 ± 0, 2)·10^-2, K_f = (2, 4 ± 0, 2 ·10^-2, K_e = (2, 2 ± 0, 2)·10^-2, K_d = (1, 8 ± 0, 2) · 10^-2 i виявилися приблизно на порядок бiльшими, нiж контрастностi k_i резонансiв насиченого поглинання. Проведенi дослiдження показали, що лiнзоподiбнi властивостi поглинаючого середовища практично не впливають на форму резонансiв iнтенсивностi флуоресценцiї. Завдяки бiльшiй контрастностi резонансiв iнтенсивностi флуоресценцiї та вiдсутностi модуляцiйних зсувiв, можна сподіватися на пiдвищення стабiльності та вiдтворюваності частоти порiвняно iз iснуючими He-Ne/¹²⁷I₂ лазерами. Результати дослiджень, наведених у роздiлi, опублiкованi в роботах [17*, 21*, 27*, 31*].

У Роздiлi 7 наведено результати дослiдження зсуву частоти стабiлiзованого He-Ne/¹²⁷I₂ лазера, зумовленого домiшками у поглинаючiй комiрцi стороннього iзотопу йоду-129.

Вiдомо, що домiшки стороннiх газiв у поглинаючiй комiрцi є одним iз головних факторiв, якi збурюють частоту переходу компонент Н ТС. Серед цих домiшок особливе мiсце займають домiшки стороннiх iзотопiв йоду, специфіка яких полягає в тому, що викликанi ними зсуви частоти зумовленi не стiльки зiткненнями з молекулами основного iзотопа йоду, як це характерно для домішок інших газів, скiльки спотворенням контуру лiнiї поглинання основного iзотопу близько розташованими лiнiями поглинання домiшкового iзотопу. Тому традицiйнi методи контролю якостi йодних комiрок, що базуються на ефектах, чутливих до частоти мiжмолекулярних зiткнень, не гарантують відсутності зумовлених такою домішкою зсувів частоти стабілізованого лазера.

В умовах слабкого насичення поглинання залежнiсть вихiдної потужностi лазера в областi дослiджуваних компонент можна описати формулою:

де -- частотна відстройка компоненти від центру доплерiвськи уширеної лiнiї пiдсилення, -- частотна вiдстань мiж компонентами j i i, Г_i и k_i -- однорiдна ширина и контрастнiсть i -го резонанса. Використовуючи , можна чисельно розв'язати рівняння для зсуву частоти, при якому сигнал третьої гармоніки дорівнює нулю. Для числових оцінок необхідно знати контрастності та ширини резонансів, які реалізуються в експерименті. Експериментальне визначення цих параметрів здійснювалося із застосуванням йодних комірок, якi наповнювались йодом в Iнститутi фiзики НАН України iз застосуванням розробленої нами методики очистки йоду i вакуумно-термiчної обробки комiрок. Для дослiдження параметрiв резонансiв, якi вiдповiдають компонентам НТС коливально-обертального переходу P(33) 6-3 молекули ¹²⁷I¹²⁹I, використовувалась комiрка iз спiввiдношенням вагового вмісту iзотопiв 50:50.

В такiй комiрцi спiвiдношення концентрацiй молекул ¹²⁷I₂, ¹²⁷I¹²⁹I i ¹²⁹I₂ складає1:2:1. У результатi вимірювань були отриманi такi значення для ширин резонансів:

Г = 2.5 ± 0.1 МГц, k=(3.65±0.04) % -- компонента k лiнiї поглинання P(54) коливальної смуги 8-4 молекули ¹²⁹I₂,

Г = 2.4±0.1 МГц, k=(0.60±0.02) % -- компоненти лiнiї поглинання P(33) коливальної смуги 6-3 молекули ¹²⁷I¹²⁹I,

Г = 2.2±0.1 МГц, k=(0.11±0.01) % -- компоненти лiнiї поглинання R(127) коливальної смуги 11-5 молекули ¹²⁷I₂. Контрастностi кожної iз лiнiй перераховувалися так якби комiрка була наповнена тiльки молекулами одного ізотопного складу.

Застосовуючи цi залежностi i приведенi вище параметри резонансiв, були розрахованi зсуви частотного положення нуля сигналу третьої гармонiки для d, e, f, i g компонент лiнiї R(127) молекули ¹²⁷I₂, якi пов'язанi iз забрудненням ¹²⁷I₂ комiрки iзотопом ¹²⁹I. Компоненти d, e, f, i g були вибранi, оскiльки саме вони використовуються для звiрень частот стабiлiзованих He-Ne/I₂ лазерiв. Девiацiя приймалась рiвною D = 6 МГц. Видно, що вже при вмiстовi стороннього iзотопа ¹²⁹I на рiвнi 0,25 % зсув частоти He-Ne/¹²⁷I₂ лазера, зумовлений впливом такої домiшки, є визначальним i складає величину, спiвмiрну iз сумарним впливом усiх iнших вiдомих факторiв при умовi їх мiнiмiзацiї до рiвня, що визначається вимогами сучасних метрологiчних норм. Результати дослiджень, наведених у цьому роздiлi, опублiкованi в роботах [19*, 21*, 22*, 27*, 36*].

У Роздiлi 8 наведенi результати дослiджень спектральних характеристик гетероiзотопних молекул йоду та визначення граничної чутливості iзотопно селективного лазерно-флуоресцентного спектроскопiчного аналізу малих концентрацiй iзотопа йоду ¹²⁹I. Програма дослiджень включала розрахунок спектрiв поглинання гетероiзотопної молекули ¹²⁹I¹²⁷I з точнiстю не гiрше 0,01 см^-1 та їх експериментальне дослідження, спiвставлення спектрiв поглинання ¹²⁹I¹²⁷I i ¹²⁷I₂ з метою визначення спектральних "вiкон"у спектрi ¹²⁷I₂, в яких спостерiгаються iнтенсивнi лiнiї ¹²⁹I¹²⁷I, та оцiнка граничної чутливостi методу лазерно-флуоресцентного визначення iзотопного складу молекулярного йоду.

Для розрахунку спектру поглинання молекули ¹²⁷I¹²⁹I застосовувалася методика, яка полягала в тому, що відомі вирази для коливально-обертальних термів молекули ¹²⁷I₂ [13] модифiкувалися введенням вiдповiдних поправок на змiну приведеної маси молекули. Спектр поглинання молекули ¹²⁷I₂ вивчений достатньо добре. Бiльше нiж 100 000 йодних лiнiй для такого iзотопа,одержаних методами Фур'є-спектроскопiї, наведенi у [14].

При змiнi iзотопного складу приведена маса молекули змiнюється з на µ_i, так що вираз для коливального терму модифiкується до вигляду

а обертального - до вигляду

а -- квадратний корiнь iз спiвiдношення приведених мас даного iзотопа i ¹²⁷I₂. Для молекули ¹²⁹I₂ це спiвiдношення дорiвнює = 0.992210002 , а для ¹²⁷I¹²⁹I розрахунок iз використанням точних значень мас атомiв ¹²⁷I i ¹²⁹I дає = 0.996112616. За допомогою цієї методики розраховані терми молекули ¹²⁷I¹²⁹I та спектр її поглинання у області генерації лазера на барвнику Родамін 6Ж. Експериментально спектр поглинання молекули ¹²⁷I¹²⁹I досліджувався при її збудженні випромінюванням неперевного двочастотного лазера на барвниках, і було встановлено задовльне співпадання розрахованого та експериментального спектрів, що підтвердило правильність вибраної моделі.

Для забезпечення максимальної чутливості методу детектування малих домішок ізотопа ¹²⁹I здiйснений вибiр дiлянок спектра, де iнтенсивнi лiнiї поглинання ¹²⁷I¹²⁹I максимально далеко вiдстоять по частотi вiд лiнiй поглинання ¹²⁷I₂. Розроблена програма порiвняльного аналiзу спектрiв поглинання ¹²⁹I I i ¹²⁷I₂ для визначення таких спектральних вiкон у спектрi ¹²⁷I₂, спектральне положення яких спiвпадає з iнтенсивними лiнiями ¹²⁹I¹²⁷I. Введено критерій визначення чутливих ліній за величиною параметра

де додавання ведеться по всiх частотах , якi вiдповiдають лiнiям поглинання ¹²⁷I². При розрахунках ми поклали = 0.001 ГГц (однорiдна ширина лiнiї), ku = 0.2 ГГц (доплерiвська ширина). Приведений вираз дає спiвiдношення для коефiцiєнтiв поглинання ¹²⁷I¹²⁹I i ¹²⁷I₂ при настройцi на центр лiнiї поглинання ¹²⁷I¹²⁹I. Знайдені положення чутливих спектральних лiнiй з для ¹²⁷I₂ i ¹²⁷I¹²⁹I у спектральнiй областi перебудови довжини хвилi лазера на барвнику Родамiн 6Ж 16380-17100 см^-1.

Для цих ліній оцінки чутливості методу реєстрацiї вiдносного вмiсту ¹²⁹I за допомогою лазерноiндукованої флуоресценцiї при використаннi лазера на барвнику з нестабiльнiстю потужностi у смузi 1 Гц при фоновому коефiцiєнтi поглинання ¹²⁷I₂ , що дорiвнює 10^-3 вiд коефiцiєнту поглинання в центрi лiнiї ¹²⁷I¹²⁹I складає по ваговому вмiсту 10^-5. За допомогою лазерного флуориметра з двомодовим лазером експериментально досягнуто чутливостi визначення вiдносної концентрацiї ¹²⁷I¹²⁹I на фонi ¹²⁷I₂ на рiвнi ?= 3·10^-4. Така чутливiсть є достатньою для виявлення критичних концентрацiй стороннього iзотопу у йоднiй поглинаючiй комiрцi He-Ne/¹²⁷I₂ лазера, оскільки, як показано у попередньому розділі, зумовлений домішкою ¹²⁹I зсув частоти в 11.7 кГц досягається при концентрацiї ¹²⁹I, яка дорiвнює 0.25 %. Лазерно-флуоресцентний метод детектувння малих домішок сторонніх ізотопів йоду застосовуватись для контрою якостi поглинаючих комiрок метрологiчних лазерiв. Проведене тестування комiрок, виготовлених в Лабораторiї лазерної спектроскопiї iнституту фiзики НАН України вiдповiдно до розробленої i освоєної технологiї наповнення i контролю якостi йодних комiрок, що дозволило гарантувати вiдповiднiсть виготовлених комiрок вимогам Мiжнародного комiтету мiр та ваг.

Основнi результати даного роздiлу опублiкованi у роботах [18*, 21*, 22*, 27*, 26*, 34*].

У Роздiлi 9 наведенi результати використання досліджених у роботі нелiнiйних резонансів насиченого поглинання та насиченої флуоресценцiї як квантових реперів для стабiлiзацiї частоти гелiй-неонового лазера з накачкою поперечним високочастотним розрядом. Метою цiєї частини роботи було визначення характеристик стабiлiзованого з використанням таких реперiв He-Ne/¹²⁷I₂ лазера та їх порiвняння з вiдомими i дослiдженими ранiше, у тому числi у лабораторiї лазерної спектроскопiї Iнституту фiзики НАН України [13], схемами стабiлiзацiї частоти випромiнювання.

Як було показано в роздiлi 5, в He-Ne лазерах з накачкою поперечним високочастотним розрядом рiвень амплiтудного шуму вихiдного випромiнювання значно нижчий, нiж для He-Ne лазерiв з накачкою розрядом сталого струму i, отже, можна розраховувати на відповідне пiдвищення вiдношення сигналу до шуму при реєстрацiї резонансiв насиченого поглинання йоду, та, вiдповiдно, пiдвищення стабiльностi частоти його випромiнювання. В цих вимiрюваннях лазери стабiлiзувались за e та f компонентами НТС лiнiї поглинання R(127) коливальної смуги 11-5 електронного переходу молекули ¹²⁷I₂. Для порiвняння на цьому ж рисунку приведено аналогiчну залежнiсть для лазерiв з накачкою сталим струмом, яка була одержана з тими самими системами АПЧ в аналогiчних умовах [15]. Крива 3 одержана після удосконалення системи АПЧ.

Оскільки резонанси насиченої флуоресценції вперше застосовані для стабілізації частоти гелій-неонового лазера, розглянуті основнi чинники, якi визначають характеристики резонансiв iнтенсивностi флуоресценцiї. Показано, що через низьку квантову ефективнiсть реєстрацiї сигналу флуоресценцiї, чутливiсть методу реєстрацiї резонансiв iнтенсивностi флуоресценцiї та метрологiчнi параметри стабiлiзованого за ними лазера обмежуються дробовим шумом ФЕП, а не амплiтудними шумами лазера. Експериментально встановлено, що нестабiльнiсть частоти лазера, стабiлiзованого за резонансами iнтенсивностi флуоресценцiї лише дещо перевищує нестабiльнiсть частоти лазера, стабiлiзованого за резонансами насиченого поглинання йоду i складає 4 ·10^-12 для часу усереднення 100 с. Разом з тим, при стабiлiзацiї за резонансами iнтенсивностi флуоресценцiї модуляцiйний зсув в областi великих девiацiй є майже на порядок меншим, що свiдчить про те, що лiнзоподiбнi властивостi поглинаючого середовища, якi є однiєю iз головних причин модуляцiйних зсувiв, практично не впливають на форму резонансів iнтенсивностi флуоресценцiї.

Прийнятим у сучасній практиці підходом до підтвердження метрологічних характеристик високостабiльних лазерiв, призначених для вiдтворення еталонних довжин хвиль, є звiрення їх з еталонними лазерами.

У роботі наводяться результати звiрення лазера з накачкою поперечним високочастотним роз-рядом (лазер IФ-2 (Iнститут фiзики НАН України, Київ)), та лазера ДЕ-3, який входить до складу Державного еталона одиницi довжини України (ДНВО “Метрологiя”, Харкiв). Визначено, що середня рiзниця частот мiж лазерами IФ-2 та ДЕ-3 становила 1,2 кГц, а її середньоквадратичне відхилення S -- 3,2 кГц. Показано, що основнi метрологiчнi характеристики розробленого He-Ne/I₂ лазера з накачкою поперечним високочастотним розрядом вiдповiдають Рекомендацiї 1 (CI-1997) Мiжнародного комiтету з мiр та ваг.

Результати, наведені у роздiлi, опублiкованi в роботах [14*- 17*, 20*, 21*, 27*, 32*, 33*, 35*].

ВИСНОВКИ

У дисертацiйнiй роботi поданi результати вивчення механiчних та спектральних ефектiв у взаємодiї лазерного випромiнювання з вiльними атомами та молекулами. Розв'язана наукова проблема керування рухом атомiв та молекул силами вимушеного свiтлового тиску, якi не мають обмеження зверху та дають змогу передавати значний iмпульс вiд свiтлового поля до молекул. Одержана нова наукова iнформацiя про спектральнi характеристики вузьких нелiнiйно оптичних резонансiв у випромiнюваннi гелiй-неонових лазерiв з внутрiшньорезонаторним поглинаючим середовищем, запропонованi та експериментально реалiзованi ефективнi методи лазерно-флуоресцентного аналізу гетероiзотопного молекулярного йоду, методи формування нелiнiйних резонансiв насиченої флуоресценцiї внутрiшньорезонаторного поглинання та їх використання як квантових реперiв для стабiлiзацiї частоти випромiнювання гелiй-неонового лазера.

Основнi результати дисертацiйної роботи можна сформулювати так:

1. Вперше 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. Вже в найбiльш простому випадку зустрiчних амплiтудно-модульованих хвиль -- бiхроматичного свiтлового поля -- максимальне значення сили, яка дiє на атом, може бути значно бiльшим, нiж hkг (-час життя атома у збудженому стані). Дослiджено силу вимушеного свiтлового тиску, яка дiє на атом у полi зустрiчних амплiтудно-модульованих хвиль з довiльним законом модуляцiї та у полi зустрiчних свiтлових iмпульсiв.

2. Запропонованi, теоретично обгрунтованi та експериментально здiйсненi схеми спостереження дiї сили вимушеного свiтлового тиску на атоми натрiю у полi зустрiчних резонансних бiхроматичних свiтлових хвиль. Біхроматичне лазерне поле формувалося дисперсійним резонатором спеціально розробленого неперервного лазера на барвниках, параметри резонатора якого оптимізувалися за допомогою оригінального методу визначення частотної залежності втрат, які вносяться дисперсійним елементом. 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 = hkг i вимушений характер сили дає змогу передати атому або молекулi iмпульс суттєво бiльший, нiж hk. Максимальна величина сили вимушеного свiтлового тиску на атоми натрiю у наших експериментах становила F ? 1,2 hkг, що перевищує максимальну силу дiї на атом поля однiєї бiжучої хвилi. Експериментально зареєстрована характерна для сили вимушеного свiтлового тиску залежнiсть вiдхилення атомiв вiд рiзницi фаз зустрiчних амплiтудно - модульованих хвиль x₀(Ш), коли не тiльки величина вiдхилення, а i його знак змiнюється при вiдповiднiй змiнi Ш.

3. Вперше запропонованi, проаналiзованi та експериментально здiйсненi схеми спостереження дiї сили стимульованого свiтлового тиску на молекули натрiю Na₂ у полi коротких зустрiчних свiтлових iмпульсiв. Розглянуто поведiнку молекули в полi послiдовностей зустрiчних коротких iмпульсiв довiльної площi. Проведенi числовi розрахунки пiдтверджують можливiсть передачi значного, порядку сотень hk, 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 0,5р - р.

4. Розроблено та експериментально реалiзовано схему спостереження дiї на молекули натрiю сили вимушеного свiтлового тиску зустрiчних коротких iмпульсiв випромiнювання аргонового iонного лазера з довжиною хвилi л 488 нм, якi збуджували перехiд мiж рiвнями X¹У(v?? = 3, J?? = 43) > B¹Р_u(v? = 6, J? = 43). Спостерiгалося вiдхилення молекулярного пучка на 7 · 10^-4 радiан. Середня змiна iмпульса молекул, що залишилися в станi X¹У (v?? = 3, J?? = 43) пiсля взаємодiї з полем вiдхиляючого лазера склала ~ 20 hk. На робочому рiвнi пiсля взаємодiї з вiдхиляючим випромiнюванням залишалося приблизно 3% молекул.

5. Обгрунтовано схему передачi молекулi iмпульсу 2j hk, де j -- обертальне квантове число, hk -- iмпульс фотона при її взаємодiї з двома зустрiчними iмпульсами з круговою поляризацiєю. Зробленi числовi розрахунки для молекули Na₂ (X > B електронного переходу) показують, що величина переданого імпульсу може досягати 100 hk, причому практично всi молекули, якi залишилися на поглинаючому свiтло обертальному рiвнi j пiсля взаємодiї з полем, будуть знаходитись на одному магнiтному пiдрiвнi m = j.

6. Запропоновано механізм пiдвищення ефективностi керування рухом мiкрочасток, який базується на ефекті резонансного збiльшення поглинання свiтла мiкрочасткою в присутностi атома з резонансною до падаючого свiтла частотою оптичного переходу. Запропоновано та експериментально здiйснено схему керування рухом малих поглинаючих матерiальних часток силами свiтлового лазерного тиску у полi лазерного пучка, утвореного двома рiзними поперечними модами.

7. Показано, що в He-Ne/¹²⁷I₂ лазерах модуляцiйний зсув зумовлений спiльною дiєю лiнзоподiбних властивостей поглинаючого середовища та зiткнень молекул зi змiною швидкостi. Визначено параметри асиметрiї ч_lens (лiнзовий зсув) та ч_coll (зсув, зумовлений зiткненнями), якi склали, вiдповiдно, ч_lens = - (5, 2±0, 2)·10^-2 та ч_coll = (0, 90±0, 05)·10^-2. Внесок кожного з механiзмiв асиметрiї до результуючого модуляцiйного зсуву поблизу рекомендованого Мiжнародним комiтетом з мiр та ваг значень девiацiї D = 6 МГц приблизно однаковий.

8. Визначено зсув частоти стабiлiзованого лазера, зумовлений змiною iзотопного складу нелiнiйно поглинаючого середовища, зокрема, малими домiшками iзотопу ¹²⁹I у молекулярному ¹²⁷I₂ газi. Визначено теоретичну залежнiсть рiзницi частоти мiж лазером з комiркою, яка наповнена чистим ¹²⁷I₂, i з комiркою, яка забруднена iзотопом ¹²⁹I, вiд вiдносної концентрацiї ¹²⁹I. Показано, що вже при вмiстовi стороннього iзотопа ¹²⁹I на рiвнi 0,25 % зсув частоти He-Ne/¹²⁷I₂ лазера, зумовлений вливом такої домiшки, є визначальним i складає величину, спiвмiрну iз сумарним впливом усiх iнших вiдомих факторiв при умовi їх мiнiмiзацiї до рiвня, що визначається вимогами сучасних метрологiчних норм.

9. Встановлено, що оптимальнi умови спостереження резонансiв iнтенсивностi флуоресценцiї вiдрiзняються вiд оптимальних умов реєстрацiї резонансiв насиченого поглинання. Фонове поглинання йоду практично не впливає на контрастність резонансiв iнтенсивностi флуоресценцiї, яка може на порядок перевищувати максимальну контрастнiсть резонансiв насиченого поглинання, а форма резонансiв iнтенсивностi флуоресценцiї не чутлива до впливу лiнзоподiбних властивостей поглинаючого середовища. Ці властивості роблять їх перспективнми для стабілізації частоти He-Ne/¹²⁷I₂ лазерів.

10. Уточнено данi про спектри збудження флуоресценцiї гетероiзотопних¹²⁷I¹²⁹I молекул йоду у видимому дiапазонi спектру. Виконано розрахунок спектрiв поглинання гетероiзотопної молекули ¹²⁹I¹²⁷I з точнiстю не гiрше 0,01 см^-1 та здiйснено їх експериментальне спостереження. Розраховано положення чутливих спектральних лiнiй з q ? 10⁵ для ¹²⁷I₂ i ¹²⁷I¹²⁹I у спектральнiй областi перебудови довжини хвилi лазера на барвнику Родамiн 6Ж 16380-17100 см^-1. Показано принципову можливiсть вибору ряду лiнiй поглинання ¹²⁷I¹²⁹I, при збудженнi яких випромiнюванням вузькополосного лазера сигнал флуоресценції молекул ¹²⁷I¹²⁹I в10⁵ разiв перевищує відповідний сигнал флуоресценції молекул ¹²⁷I₂ при однакових їх концентрацiях. За допомогою лазерного флуориметра з двомодовим лазером експериментально досягнута чутливість детектування відносної концентрації молекул ¹²⁷I¹²⁹I на фонi ¹²⁷I₂ на рiвнi 3·10^-4.

11. Показано, що розроблений метод детектування малих домiшок гетероiзотопних молекул йоду має чутливiсть, достатню для виявлення критичних концентрацiй стороннього iзотопу у йоднiй поглинаючiй комiрцi He-Ne/¹²⁷I₂ лазера, i може застосовуватись для контрою якостi поглинаючих комiрок метрологiчних лазерiв. Тестування таким методом комiрок, виготовлених в лабораторiї лазерної спектроскопiї Інституту фiзики НАН України вiдповiдно до розробленої i освоєної технологiї наповнення i контролю їх якостi, дозволило гарантувати відсутність зсуву частоти стабілізованого лазера, зумовленого можливою присутністю домішок стороннього ізотопа.

12. Розроблені та досліджені стабілізовані по резонансах насиченого поглинання He-Ne/¹²⁷I₂ лазери з накачкою поперечним високочастотним розрядом, для яких у актуальному для роботи системи автоматичної підстройки частоти дiапазонi вiд 1 до 5 кГц спектральнi густини амплiтудних флуктуацiй вихiдного випромiнювання у чотири рази нижчі нiж для лазерiв з накачкою сталим струмом. Показано, що стабiльнiсть частоти випромiнювання лазерiв з високочастотною накачкою (варіація Аллана у (2, ф) при часі усереднення 100 с дорівнює 5 · 10^-13) є вищою за стабільність частоти лазерів з накачкою сталим струмом при однакових інших умовах.

13. Запропоновано та обгрунтовано використання резонансів насиченої внутрішньорезонаторної флуоресценції молекулярного йоду як частотних реперів для стабiлiзацiї частоти гелій-неонового лазера. Нестабiльнiсть частоти лазера, стабiлiзованого за цими резонансами склала 4·10^-12 для часу усереднення 100 с. При стабiлiзацiї частоти за резонансами інтенсивності флуоресценцiї модуляцiйний зсув в області великих девіацій є майже на порядок меншим, ніж для лазера, стабiлiзованого за резонансами вихiдної потужностi, що підтверджує висновок про незначний вплив на форму резонансів інтенсивності флуоресценцiї лiнзоподiбних властивостей поглинаючого середовища.

14. Шляхом звiряння розробленого стабілізованого лазера з накачкою поперечним високочастотним розрядом (лазер IФ2 (Iнститут фiзики НАН України,Київ)), та лазера ДЕ3, який входить до складу Державного еталона одиницi довжини (ДНВО “Метрологiя”, Харкiв) встановлено, що середня рiзниця частот мiж лазерами IФ2 та ДЕ3 становила 1,2 кГц, а її СКВ 3,2 кГц.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ АВТОРА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. Давление света на атомы во встречных амплитудно-модулированных волнах.// ЖТФ -- 1988. -- т. 58, N.6. -- P. 1174-1176.

2. Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. Наблюдение стимулированного светового давления амплитудно-модулированных волн на атомы . // Письма в ЖЭТФ -- 1989. -- т. 49, N.3. -- С. 138-140.

3. Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. Вынужденное световое давление на атомы во встречных амплитудно-модулированных волнах. // ЖЭТФ -- 1991. -- т. 99, N.2. -- С. 393-409.

4. Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яцен ко Л.П. Давление света на атомы в поле двух встречных амплитудно-модулированных волн // Укр. фiз. журн. -- 1991. -- т. 36, N. 2. -- С. 1042-1046.

5. Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яцеко Л.П. Давление света на атомы в поле резонансных атомному переходу встречных амплитудно и частотно-модулированных волн // Квантовая электроника. -- 1991. -- т. 18, N. 9. -- С. 1100-1102.

6. Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. Давление света на атомы в поле последовательности световых импульсов // Укр. фiз. журн. -- 1991. -- т. 36, N. 3. -- С. 332-337.

7. Негрiйко А.М. Механiчна дiя свiтла на атоми та молекули в умовах когерентної їх взаємодiї з лазерним полем //Укр. фiз. журн. -- 1999. -- т. 44, N. 1-2. -- С. 66-72.

8. Данилейко М.В., Негрийко А.М., Ходаковский В.М. Двухчастотный лазер на красителе с резонатором Майкельсона. // Квант. электроника -- 1987. -- т. 14, N.11. -- С. 2244-2246.

9. Данилейко М.В., Войцехович В.С., Негpийко А.М., Ходаковский В.М., Яценко Л.П. Конденсация спектра излучения лазера с линзоподобной поглощающей средой в резонаторе. // Квант. электроника -- 1990. -- т. 17, N.6. -- С. 725-727.

10. Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. О возможности наблюдения вынужденного светового давления на молекулы // Укр. фiз. журн. -- 1993. -- т. 38, N. 2. -- С. 212-218.

11 Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. Наблюдение светового давления на молекулы // Письма в ЖЭТФ. -- 1994. -- т. 59, N. 6. -- С. 381-384.

12. Данилейко М.В., Негрiйко А.М., Романенко В.I., Яценко Л.П. Адiабатичний перенос заселеностi по магнiтних пiдрiвнях молекул -- нова можливiсть керування їх рухом // Укр. фiз. журн. -- 1995. -- т. 40., № 8. -- С. 793-798.

13. Негрiйко А.М., Дмитрiєв К.Ю. Свiтловий тиск на вiльнi мiкро- та наночастинки: утримання та манiпулювання // Науковi записки НаУКМА. -- 2003. -- т. 21. -- С. 67-73.

14. Бойко А.В., Негрiйко А.М., Яценко Л.П. Асимметрия резонансов насыщенного поглощения в He-Ne/¹²⁷I₂ лазерах с накачкой поперечным ВЧ разрядом // Квантовая электроника. -- 1999. -- Т.28. -- N 8. -- С.151-156.

15. Boyko O.V., Negriyko A.M., Yatsenko L.P. Iodine-stabilized He-Ne laser pumped by transverse rf-discharge // Semiconductor physics, Quantum electronics and optoelectronics. -- 1999. -- v.2. -- No.1. -- P.133--141.

16. Бойко О.В., Лихолiт М.М., Негрiйко А.М., Яценко Л.П. Дослiдження стабiльностi частоти випромiнювання He-Ne/¹²⁷I₂ лазерiв з накачкою високочастотним розрядом // Український метрологiчний журнал. -- 1998. -- Вип.4 -- С.37-39.

17. Бойко О.В., Лихолiт М.М., Негрiйко А.М., Яценко Л.П. Резонанси насиченої флуоресценцiї внутрiшньорезонаторного поглинаючого газу -- новi ефективнi репери для лазерних стандартiв частоти // УФЖ. -- 1999. -- Т.44. --N 6. -- С.709-711.

18. Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Ходаковский В.М., Яценко Л.П. Лазерно-флуоресцентная спектроскопия гетероизотопного молекулярного йода // Оптика и спектроскопия.--1995.--Т.79, №1.--С.77-84.

19. Негрийко А.М., Бойко А.М., Качалова Н.М., Ходаковский В.М. О влиянии примеси ¹²⁹I на частоту излучения стабилизированного He-Ne/¹²⁷I₂ лазера // Квантовая электроника.--2004.--Т.34, № 5.--С.482-486.

20. Бойко О.В., Качалова Н.М., Негрiйко А.М., Яценко Л.П., Мачехiн Ю.П., Смулаковський В.М. Звiрення He-Ne/¹²⁷I₂ лазерiв з поперечним ВЧ розрядом з He-Ne/¹²⁷I₂ лазером Державного еталона одиницi довжини України // Український метрологiчний журнал. -- 1999.--в.1 --С.47-49.

21. Negriyko A.M., Boyko O.V., Kachalova N.M., Khodakovskiy V.M., Klochko O.I. Design and testing of iodine cells for metrological laser application // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics.-2003.-Vol.6, №3.-P.370-377.

22. Negriyko A.M., Boyko O.V., Kachalova N.M., Khodakovskiy V.M., Laser fluorescence test of iodine vapor cells // Advanced lasers and systems. Proc. of SPIE.-2003.-Vol.5137.-P.381-388.

23. Способ измеpения коэффициента усиления: А.с. 1556490 СССР, МКИ H01 S 3/00/ Данилейко М.В., Войцехович В.С., Негpийко А.М., Удовицкая Е.Г., Ходаковский В.М., Яценко Л.П. (CCCР) -- № 4444051; Заявл. 21.06.88; Опубл. 01.04.89, Бюл № 4. -- 2 с.

24. Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. Стимулированное световое давление на атомы. -К., 1990. --27 с. (Препр./АН УССР. Ин-т физики; №22).

25. Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негpийко А.М., Ходаковский В.М., Яценко Л.П. О природе захвата частоты излучения широкополосных лазеров. -К., 1988. --29 с. (Препр./АН УССР. Ин-т физики; №15).

26. Данилейко М.В., Кpавчук А.Л., Негpийко А.М., Полозов С.Б., Романенко В.И., Целинко А.М., Ходаковский В.М., Яценко Л.П. Лазеpно-флуоpесцентная спектpоскопия гетеpоизотопного молекуляpного йода. -- К., 1993.-- 32 с. (Пpепp. / АН Укpаины. Институт физики; №5).

27. Качалова Н.М., Негрийко А.М. Йодные поглощающие ячейки для лазерной метрологии: технология наполнения и тестирования.// Iнновацiйнi технологiї.--2003.--Т.1, № 2-3.--С.76-83.

28. Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. Исследование действия вынужденного светового давления на атомные частицы// Тезисы XIV международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (КиНО'91).--Ленинград, 1991.--С.154.

29. Voitsekhovich V.S., Danileiko M.V., Negriiko A.M., Romanenko V.I., Yatsenko L.P. Stimulated

light force on atoms and molecules in amplitude modulated counter-propagated waves // Proc. International conference "Physics in Ukraine".--Kiev, 1993.--С.267-269.

30. Boyko O.V., Negriyko A.M., Yatsenko L.P. Asymmetry of the saturation absorption resonances// Proc. XIY International School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals".--Odessa, 1999.--p.33.

31. Boyko O.V., Litvinov O.M., Negriyko A.M., Yatsenko L.P.Experimental Investigations of saturated fluorescence resonances of intracavity absorbing gas // Proc. XY International School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals".--Chernihiv, 2001.--p.44.

32. Boyko O.V., Negriyko A.M., Yatsenko L.P. Frequency stabilization of rf-pumped He-Ne/¹²⁷I₂ laser // American Physical Society Centennial Meeting. - Abstract NP01.76. - Atlanta, USA. - 20 26 March, 1999.

33. Smulakovskiy V.M., Machehin Y.P. Boyko A.V., Kachalova N.M., . Negriyko A.M, Yatsenko L.P. "Comparison of He-Ne/¹²⁷I₂ laser with transversal high-frequency discharge and He-Ne/¹²⁷I₂ laser of Ukraine State length standard".// XXVI International Union of Radio Science (URSI) General Assembly. - Abstract A3.7. - Toronto, Canada. - 13 - 21 August, 1999.

34. Негрiйко А.М., Ходаковський В.М., Яценко Л.П. Лазерна спектроскопiя молекулярного йоду-129 // Тези доповiдей XIII Нацiональної школи-семiнара з мiжнародною участю "Спектроскопiя молекул та кристалiв". -- Суми, 1997.--С.48.

35. Kachalova N.M.,Khodakovskiy V.M., Negriyko A.M. Molecular Iodine absorption Cells: Development and Applications in High-Resolution Laser Spectroscopy. // Proc. XY International School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals".--Chernihiv, 2001.--p.221.

36. Negriyko A.M., Khodakovskiy V.M. Laser fluorescence tests of iodine vapour cells // Techn. digest of International Quantum Electronics Conference IQEC2002 -- Moscow (Russia), 2002.--P.121.

Список використаних літературних джерел

1. Hall J. L., Optical Frequency Measurement: 40 Years of Technology Revolutions // IEEE J. Selected Topics in Quant. Electron. -- 2000. --N 6. -- P. 1136-1144.

2. Летохов В.С., Чеботаев В.П. Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения. -- М.: Наука, 1990. -- 512 с.

3. Миногин В.Г., Летохов В.С. Давление лазерного излучения на атомы. -- М.: Наука, 1986. -- 224 с.

4 Павлик Б.Д. Холодные и ультрахолодные атомы. -- К.: Наукова думка, 1993. -- 269 с.

5.Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure //Phys. Rev. Lett. --1970. -- v. 25, N 19. -- P. 1321-1324.

6. Усиков А.Я., Конторович В.М., Канер Э.О., Блиох П.В. Об использовании светового давления для избирательной откачки газов// Укр. физ. журнал --1972. -- т. 17, N. 2. -- P. 1245-1248.

7. Einstein A. Zum Quantumtheorie der Strahlung // Mitt. Phys. Ges. (Zurich) --1916. -- N. 18. -- P. 47-62. Переклад див.: Ейнштейн А. К квантовой теории света //Собрание научных трудов в 4 т. -- М.: Наука, 1966. -- т.3 -- с. 393-406.

8. Казанцев А.П. Ускорение атомов светом // ЖЭТФ. --1974. -- т. 66, N. 5. -- С. 1599 -1612.

9. Cook R.J. Atomic motion in resonant radiation: An application of Ehrenfest's theorem. //Phys. Rev. A -- 1979. -- т. 20, N.1. -- P. 224-228.

10. Казанцев А.П. Ускорение атомов стационарным полем. //Письма в ЖЭТФ -- 1973. -- т. 17, N.1. -- P. 212-215.

11. Казанцев А.П., Краснов И.В. Эффект выпрямления градиентной силы резонансного светового давления. //Письма в ЖЭТФ -- 1987. -- т. 46, N.7. -- P. 264-267.

12. . Wineland D.I., Itano W.M. Laser cooling // Physics Today. -- 1987. -- N 6. -- P. 34 - 45.

13. Герцберг Г. Спектры и строение двухатомных молекул. -- М.: Иностранная литература, 1949. -- 403 c.

14. Gerstenkorn S., Luc P. Atlas du spectre d'absorption de la molecule d'iode 14800 - 20000 cm-1. Component: Identication des transitions du systeme (B-X) -- Editions du CNRS. Paris, 1985.

15. Данилейко М.В., Кравчук А.Л., Целинко А.М., Яценко Л.П. Гелий-неоновые лазеры, стабилизированные по насыщенному поглощению в йоде // К.: Квант. электроника. -- 1989. -- в.36. -- С.1-20.

АНОТАЦІЯ

Негрійко А.М. Експериментальні дослідження механічних та спектральних ефектів у взаємодії лазерного випромінювння з атомами та молекулами -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка. Київ, 2005.

У дисертації досліджувалася механічна дія лазерного світла на атоми і молекули, спектральні характеристики резонансів насиченого поглинання та флуоресценції, резонансна флуоресценція молекулярного йоду різного ізотопного складу. Вперше експериментально реалізовано силу резонансного свiтлового тиску нового типу -- силу вимушеного свiтлового тиску на атоми і молекули, яка зберiгає знак на вiдстанi, що значно перевищує довжину хвилi свiтла, а для її розмiру вiдсутнє обмеження зверху величиною F = hk. Запропоновані і вивчені нові квантовi репери частоти -- резонанси внутрiшньорезонаторної насиченої флуоресценцiї у He-Ne/¹²⁷I₂ лазерах. Уточнено природу модуляцiйного зсуву частоти He-Ne/¹²⁷I₂ лазера та зсуву, зумовленого змiною iзотопного складу нелiнiйно-поглинаючого середовища. Визначена гранична чутливiсть лазерно-флуоресцентного аналізу гетероізотопного йоду.

Ключові слова: лазер, атом, молекула, вимушений світловий тиск, насичене поглинання, флуоресценція, натрій, йод, ізотоп, стабільність частоти.

SUMMARY

Negriyko A.M. Experimental investigation of mechanical and spectral effects at interaction of laser radiation with atoms and molecules. -- Manusript.

Thesis for a Doctor of Sciences degree in Physics and Mathematics speciality 01.04.05 - optics, laser physics. - National Taras Shevchenko University of Kyiv. Kyiv, 2005.

In the thesis the mechanical action of the laser light onto atoms and molecules, spectral properties of saturated absorption and fluorescence resonances, resonance fluorescence of molecular iodine of various isotopic composition were studied. The new force of resonant light pressure -- the force of stimulated light pressure on atoms and molecules was studied experimentally in the first time. This force keeps of constant sign on the distance exceeding the wavelength, and its size is not restricted by the value F = hk. The frequency quantum references of new type -- the resonances of saturated intracavity fluorescence in He-Ne/¹²⁷I₂ laser were proposed and investigated. The nature of He-Ne/¹²⁷I₂ laser frequency shifts caused by frequency modulation and by variation of absorption media isotopic composition was defined more accurately. The limits of sensitivity for laser fluorescence heteroisotope iodine test was specified..

Key words: laser, atom, molecule, stimulated light pressure, saturated absorption, fluorescence, sodium, iodine, isotope, frequency stability.

АННОТАЦИЯ

Негрийко А.М. Экспериментальные исследования механических и спектральных эффектов во взаимодействии лазерного излучения с атомами и молекулами. -- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко. Киев, 2005.

В диссертации представлены результаты изучения механического действия лазерного излучения (светового давления) на атомы и молекулы натрия, исследования спектральных характеристик резонансов насыщенного поглощения и насыщенной флуоресценции в гелий-неоновом лазере с внутрирезонаторной иодной поглощающей ячейкой, лазерной резонансной флуоресценции гетероизотопного молекулярного иода. Впервые экспериментально реализована сила светового давления нового типа - сила вынужденного светового давления на атомы и молекулы, которая сохраняет знак на расстояниях, значительно превышающих длину волны излучения, ее величина не ограничена сверху значением F = hkг. Предложены и изучены новые квантовые реперы частоты - резонансы внутрирезонаторной насыщенной флуоресценции в He-Ne/¹²⁷I₂ лазерах. Уточнена природа модуляционного сдвига частоты He-Ne/¹²⁷I₂ лазера и сдвига, обусловленного изменением изотопного состава нелинейно-поглощающей среды. Определена граничная чувствительность лазерно-флуоресцентного анализа гетероизотопного йода.

Размещено на Allbest.ru