ИССЛЕДОВАНИЕ УЗКОПОЛОСНОГО ^РЕЗОНАНСА, ФОРМИРУЕМОГО В ТОНКИХ АТОМАРНЫХ СЛОЯХ РУБИДИЯ
А. Саргсян, Р. Мирзоян, Д. Саркисян*
Институт физических ■исследований Национальной академии наук Армении 0203, Аштарак, Армения
Поступила в редакцию 3 апреля 2012 г.
Исследован узкополосный 1\1-резонанс, формируемый в А-системе атомов рубидия £>1-линии, при наличии буферного газа неона и излучения двух непрерывных узкополосных диодных лазеров. Использовались специальные ячейки, с помощью которых исследовалась зависимость процесса от толщины Ь столба паров в милли-, микро- и нанометровой областях. Проведенное сравнение зависимостей 1\1-резонанса и резонанса электромагнитно-индуцированной прозрачности (ЭИП) от Ь показали: минимальная (рекордно малая) толщина, при которой регистрируется 1\1-резонанс составляет Ь = 50 мкм, в то время как контрастный ЭИП-резонанс легко формируется даже при Ь к 800 нм. Показано, что 1\1-резонанс в магнитном поле для атомов 8,11Ь расщепляется на пять или шесть компонент (в зависимости от направлений магнитного поля и лазерного излучения). Полученные результаты указывают на то, что в формировании 1\1-резонанса начальным и конечным уровнями являются нижние уровни Ед = 2.3. Проведено исследование зависимости 1\1-резонанса от угла между лазерными пучками. Отмечены практические применения.
1. ВВЕДЕНИЕ
Несмотря па успешное применение процессов когерентного пленения населенности (КПН) и электромагнитно-индуцированной прозрачности (ЭИП) при создании высокочувствительных магнитометров, при замедлении скорости света и оптической записи информации, в задачах квантовой коммуникации и др. [1 3], продолжается поиск процессов, которые совмещают в себе достоинства КПН-и ЭИП-процсссов, а также могут иметь дополнительные преимущества. В последние годы в качестве альтернативы активно исследуется процесс, в котором формируется узкополосный М-резонанс (также называемый резонансом трехфотонного поглощения). Первое сообщение о регистрации М-резонанса приведено в работе [4]. По своим характеристикам М-резонанс похож на «светлый» резонанс, формируемый в результате процесса электромагнитно-индуцированного поглощения в У-снстеме [5], однако в данном случае используется Л-система атомов рубидия или 1?2-шишй. К основным достоинствам процесса следует отнести технически более легкое формирование высококонтрастного М-резо-
* E-mail: davidöipr.sd.am, davsarkö'yahoo.com
нанса. В работе [6] показано, что более высокий контраст N-резонанса достигается на £>2-линии атомов рубидия, однако меньшая спектральная ширина достигается на Di-линии. В работе [7] обнаружена возможность обнуления частотного сдвига N-резонан-са, обусловленного электрическим полем лазерного излучения, что важно для создания атомных часов. Асимметрия профиля N-резонанса исследована в работе [8]. В работе [9] показано, что при использовании трех лазерных излучений за счет уменьшения частотной отстройки связывающего лазера от соответствующего перехода достигаются улучшенные параметры N-резонанса. Отметим, что в работах [4,6 9] для формирования N-резонанса применялся буферный газ с давлением 3 30 Topp. Для формирования N-резонанса используются два лазерных пучка: пробный (с перестраиваемой частотой) и связывающий (с фиксированной частотой) с длинами волн приблизительно 795 нм. На рис. 1« приведена схема формирования N-резонанса в Л-системе атомов 85Rb (Di-линии), в котором нижними уровнями для Л-системы являются уровни Fg = 2,3, а верхним уровнем 5Piß (состоящий из двух доплеровски уширенных сверхтонких уровней Fc = 2,3).Частота пробного лазера fp сканируется по переходам Fg = 2 —¥ Fc = 2,3, а частота связы-
83Rb. D
83Rb, Di 5 Р1/а
Fa
Fa
Рис.1, а) А-система атомов 8,3ИЬ, £>1-линии; частота пробного лазера ир сканируется по переходам = 2 —э- Р = 2.3 и при частоте иа — ир = А в спектре пробного излучения формируется 1\1-ре-зонанс; в случае, когда и'Р сканируется по пере-
хода М F„
Fe = 2.3 (показана штрихо-
выми линиями), для формирования N-резонанса необходима меньшая частота связывающего лазера v'cl = va — ЗД. б) Л-система атомов 8,Rb, Di-линии; при той же частоте пробного лазера vp, но при другой частоте связывающего лазера vci = va — 2Д формируется «темный» резонанс, демонстрирующий уменьшение поглощения
вающого лазера vci фиксирована. В спектре пробного излучения каскадный N-резонанс формируется в случае, когда разность частот vci — vp = Д, где Д величина сверхтонкого расщепления нижнего уровня (важно отметить, что частота vci отстроена на Д от частоты перехода Рд = 2 —¥ 5Pi/-2)- Нетрудно видеть, что если использовать меньшую часто-
ту пробного лазера р'р (на рис. 1« показана штриховыми линиями), которая сканируется по переходам Рд = 3 ^ 0Р1/2, и р'р «отложить» с уровня Рд = 2, то в этом случае для формирования М-резонанса необходима меньшая частота связывающего лазера ь>'С1 = Рс1 — ЗД. Важно отметить, что в обоих случаях контраст и спектральная ширина М-резонанса практически одинаковы. На рис. 16 для сравнения приведена схема формирования ЭИП-рсзонанса в той же Л-системе атомов 85Ш.) (£>1 -линии), при этом используется такая же частота пробного лазера Рр, однако частота связывающего лазера ь>с-2 в этом случае должна быть меньше на величину 2Д. Таким образом, формируемый в Л-системе в спектре пробного излучения «темный» резонанс (демонстрирующий уменьшение поглощения) при увеличении частоты связывающего лазера Ра = + 2Д становится «светлым» М-резонансом (демонстрирующим увеличение поглощения).
В настоящей работе исследована зависимость процесса от толщины Ь столба паров рубидия и показано, что даже при малой толщине Ь = 50 мкм М-резонанс имеет хороший контраст и узкую спектральную ширину. Также приведены результаты исследования расщепления М-резонанса в магнитных полях для атомов 85Ш), -линии. Анализ спектров позволяет утверждать, что начальным и конечным уровнями являются нижние уровни атома Рд = 2,3. Приведено сравнение характеристик М-резонанса и ЭИП-рсзонанса, формируемых в той же Л-системе атомов рубидия, в зависимости от толщины столба паров Ь. Исследована неколлинеарная геометрия для формирования М-резонанса. Отмечены возможные практические применения.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
2.1. Конструкция ячеек
Фотография используемых в эксперименте ячеек, содержащих пары атомов рубидия и газа неона, приведена на рис. 2. Для того чтобы иметь одновременно несколько областей различных толщин столба паров атомов Ш), применялись ячейки, состоящие из двух секций (ДС). В верхней части показана сверхтонкая ячейка (СТЯ), окна которой изготовлены из технического сапфира. Клиновидный зазор между внутренними поверхностями окон изменяется в интервале от 50 им до 3 мкм: при вертикальном перемещении ячейки лазерное излучение проходит через нужную область исследуемой толщины (детальное описание СТЯ приведено в рабо-
Рис. 2. Фотография ДС-ячейки: содержит пары рубидия и газ неон. В верхней части показана СТЯ: клиновидный зазор между внутренними поверхностями окон, его ширина изменяется в интервале 503000 нм. СТЯ с помощью сапфировой трубки соединена с ячейкой длиной L, к которой прикреплена другая сапфировая трубка, заполненная металлическим рубидием (резервуар). В нижней части виден металлический держатель, на котором фиксируется ДС, и термопара, которая определяет температуру резервуара
то [10]). СТЯ с помощью сапфировой трубки диаметром приблизительно 3 мм соединена с сапфировой ячейкой длиной L = 8 мм, к которой подсоединена дополнительная сапфировая трубка-отросток диаметром около 3 мм, заполненная металлическим рубидием. Поскольку СТЯ и ячейка длиной L соединены сапфировой трубкой, в обеих частях устанавливается одинаковое давление газа неона, что позволяет исследовать процессы при существенно разных толщинах L (милли-, микро- и наномотровыо области) при том же давлении неона. Были изготовлены три ДС-ячейки, которые содержали пары атомов рубидия и газ неон с давлением 6 Topp, 20 Topp и 400 Topp. ДС-ячойка помещалась в двухсекционный нагреватель, который имел шесть отверстий: по два отверстия для пропускания лазерного излучения через СТЯ и через ячейку длиной L и по одному отверстию для регистрации в боковом направлении флуоресценции от СТЯ и от ячейки длиной L. В случае использования СТЯ отросток (розорву-
Рис. 3. Схема эксперимента. ECDL — диодные лазеры с внешним резонатором, 1 — изоляторы Фа-радея, Gi,2 — поляризаторы Глана, 2 — катушки Гельмгольца, 3 — фотодиоды, 4 — ячейка с парами атомов, 5 — вспомогательная СТЯ, F — нейтральные оптические фильтры, 6— интерференционный фильтр для длины волны 795 нм, 7 — цифровой осциллограф
ар) со столбом рубидия нагревался до температуры приблизительно 120°С (плотность паров атомов рубидия в СТЯ порядка 1013 ат./'см3), а в случае исследования процессов в ячейке длиной L отросток нагревался до 60 70 °С, что создавало плотность паров атомов (3 5) • 1011 ат./'см3 (дополнительные детали конструкции приведены в работе [11]). В эксперименте использовалась также клиновидная ячейка с сапфировыми окнами и толщиной L столба паров рубидия, изменяющейся в интервале 50 90 мкм, содержащая неон с давлением 200 Topp.
2.2. Экспериментальные результаты
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 3. Использовалось излучение двух непрерывных узкополосных (с шириной порядка 1 МГц) диодных лазеров с внешним резонатором (Extended Cavity Diode Lasor, ECDL), один из которых имел фиксированную частоту ve (связывающий лазер), а второй, с перестраиваемой частотой vp, являлся пробным лазером (длины волн лазеров ~ 795 нм). Оба луча диаметром 2 мм совмещались призмой Глана Gi (поляризации связывающего и пробного лазеров были линейными и взаимно перпендикулярными) и направлялись на ячейку с парами атомов. Часть пробного излучения направлялась на дополнительную СТЯ толщиной L = А (5), с помощью которой формировался частотный репер по методике, приведенной в работе [12]. Регистрация излучений проводилась фотодиодами ФД-24К (3). Перед
100 %
о а С
10%
К-розопапс
Частотный репер
Черестройка пробной частоты
Рис. 4. Верхняя кривая — спектр пропу
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.