СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ЯЧЕИКИ МИКРОННОИ ТОЛЩИНЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ РЕЖИМА ПАШЕНА-БАКА НА СВЕРХТОНКОЙ СТРУКТУРЕ АТОМОВ ЦЕЗИЯ
А. Саргсян", Б. Глушкоь, Д. Саркисян"*
" Институт физических ■исследований Национальной академии наук Армении 0203, Аштарак, Армения
'■HIT Technologies Ltd 69719, Tel Aviv, Israel
Поступила в редакцию 4 августа 2014 г.
Продемонстрировано, что применение спектроскопических ячеек микронной толщины (L = 10-50 мкм) позволяет эффективно исследовать поведение индивидуальных уровней атомов Cs, £>2-линии, в сильных магнитных полях вплоть до 9 кГс. В частности, установлено, что при полях, больших 8 кГс, спектр поглощения при возбуждении излучением с круговой поляризацией состоит из двух полностью раздельных групп, каждая из которых содержит по восемь атомных переходов. В пределах каждой группы интенсивности атомных переходов и их частотные наклоны практически одинаковы. Приведено физическое объяснение зарегистрированных особенностей, в частности, показано, что один из 54 возможных атомных переходов (при умеренных магнитных полях обозначается как Fg = 4, wf = 4 —> Fg = 5, wf = 5) имеет уникальные характеристики, которые позволяют предсказать интенсивности и частотные наклоны семи атомных переходов в группе, в которой он находится. Отмечены практические применения устройства на основе сильных магнитов и микронных ячеек.
DOI: 10.7868/S0044451015040011 1. ВВЕДЕНИЕ
Атомы цезия, рубидия, калия широко применяются для исследования и практического применения магнитооптических процессов [1 3]. Это обусловлено сильными атомными переходами, расположенными в ближнем инфракрасном диапазоне 700 900 нм, для которого имеются доступные лазеры с хорошими параметрами. Также получение свободных атомов в виде столба паров, содержащихся в спектроскопических ячейках толщиной от 0.1 см до 10 см, технически доступно. Даже при комнатной температуре плотность паров АТ этих атомов достигает величины порядка Ю10 ат./'см3, что позволяет технически достаточно просто регистрировать спектры поглощения и флуоресценции.
Из магнитооптических процессов, успешно применяемых на практике, отметим следующие: разработка узкополосных оптических фильтров на основе
* E-mail: david'fflipr.sci.am, davsark'fflyahoo.com
эффекта фарадеевского вращения плоскости поляризации в магнитных полях [4], создание оптических изоляторов [5], привязка (стабилизация) частоты лазерного излучения к узким атомным переходам, смещенным в сильных магнитных полях [6]. Поэтому-детальное знание поведения атомных уровней этих металлов, в частности цезия, является важным.
В работах [7 9] было продемонстрировано, что использование так называемых наноячеек толщинами Ь = А или Ь = А/2 (А длина волны резонансного оптического излучения) позволяет успешно изучать поведение атомных переходов отмеченных выше атомов в широком диапазоне магнитных полей. При измерении сильно неоднородных магнитных полей применение паиоячейки толщиной Ь = А обеспечивает лучшее спектральное разрешение, в то время как применение паиоячейки толщиной Ь = А/2 обеспечивает лучшее пространственное разрешение.
Однако изготовление оптических наноячеек [10] является технически сложной задачей, и поэтому-широкого применения в спектроскопии паиоячейки пока не получили. Целыо настоящей работы яв-
ляотся экспериментальная демонстрация того, что ячейки микронной толщины (микроячейки, МЯ) (10 50 мкм) также могут быть успешно использованы для детального исследования атомных переходов, в частности цезия, в широком интервале магнитных полей (0.1 9 кГс). Наряду с технической простотой в изготовлении, необходимая рабочая температура микроячеек составляет 60 70 °С, что существенно ниже рабочей температуры иапоячеек 120 130 °С. В работах [11 14] микроячейки, запол-н6нны6 рубидием, использовались для исследования нижних (основных) уровней атомов Rb с помощью техники когерентных процессов (таких как когерентное пленение населенности и формирование узких резонансов в Дг-системе) в магнитных полях. Однако эта техника может быть успешно применена только до магнитных полей В < 2 кГс, так как при больших полях необходимые для измерений резонансы не формируются.
Как показано ниже, микроячейки (заполненные парами атомов Cs), помещенные в сильные магнитные поля могут успешно использоваться в режиме однопроходной регистрации спектров поглощения столба паров атомов, а также в режиме схемы техники «насыщенного поглощения» (когда лазерное излучение расщепляется на два пучка, которые направляются навстречу друг другу). Заметим, что максимальное магнитное поле в настоящей работе достигало 9 кГс, однако ограничений на величину прикладываемого поля мы не видим.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ 2.1. Конструкция микроячеек
На рис. 1 приведена фотография микроячейки, заполненной Cs, с зазором между внутренними поверхностями окон L = 10 мкм (для обеспечения зазора между внутренними поверхностями окоп помещены тонкие платиновые полоски). Окна диаметром 20 мм и толщиной 2 мм изготовлены из хорошо отполированного кристалла YAG (окна также могут быть изготовлены из технического кристаллического сапфира [10]). У этого кристалла отсутствует двулучепреломлеиие, а также он химически стоек к горячим парам щелочных металлов (вплоть до 1000 °С). В нижней части окон просверлено отверстие, в которое до склейки окоп вставляется топкая сапфировая трубка диаметром приблизительно 2 мм (диаметр внутреннего отверстия трубки 0.8 мм). К сапфировой трубке горячей пайкой припаивается стеклянная трубка (так называемое «молибденовое
Рис. 1. Фотография микроячейки, заполненной цезием, толщина столба паров L = 10 мкм. Окна диаметром 20 мм и толщиной 2 мм изготовлены из кристалла YAG (гранат). Рядом приведена фотография линейки. В нижней части окон просверлено отверстие, куда до склейки окон вставляется тонкая сапфировая трубка диаметром около 2 мм. Столб металлического Cs находится в сапфировой трубке
стекло»). Стекло должно иметь коэффициент теплового расширения (КТР), близкий к КТР сапфира. Далее, стеклянная трубка припаивается к вакуумной системе и заполнение цезием проводится таким же образом, как для стеклянных ячеек. Из-за относительно невысокой рабочей температуры можно легко проводить нагрев микроячейки обдувом горячего воздуха. Отсутствие стационарного нагревателя (печки) позволяет ближе расположить постоянные магниты и формировать большие магнитные поля (вплоть до 9 кГс, см. ниже).
Проведем сравнение преимуществ и недостатков микроячеек и иапоячеек. Отметим, что изготовление наноячеек является технически более сложной задачей, при этом необходимо обеспечить широкие области с толщинами зазоров между внутренними поверхностями величиной в длину волны и (или) по-
ПМ,
Лазер
\и
Окна
А
пм
л~л
\и
МП
ст
пп
МП
,сп
Нагреватель
I
Заправка
Рис.2. Стеклянная МЯ с сапфировыми окнами. Слева внизу — схема склейки стеклянной трубки (СТ) и сапфировой пластины (СП), см. текст. Трубка меньшего диаметра вставляется в трубку большего диаметра (между ними помещается платиновая полоска (ПП) или кольцо толщиной 10-50 мкм). Открытые части трубок могут быть соединены друг с другом горячей пайкой (МП — место пайки). Заправка металлом проводится через стеклянную трубку с последующей вакуумной отпайкой. ПМ — постоянные магниты диаметром 10-12 мм (и с отверстием 1 мм)
л овину длины волны [10]; в случае микроячеек для формирования зазора достаточно разместить между внутренними поверхностями окон тонкие платиновые полоски (прокладки) размерами 0.5 мм х 2 мм необходимой толщины (10-50 мкм).
К преимуществам микроячеек следует отнести относительно невысокую рабочую температуру (60-70°С), что позволяет использование стеклянных узлов, которые до 100°С являются химически стойкими к горячим парам щелочных металлов. Поскольку изготовление микроячейки, показанной на рис. 1, может вызывать определенные технические трудности (склейка сапфира и граната), предлагается конструкция стеклянной микроячейки с сапфировыми окнами (которая может быть изготовлена во многих лабораториях), см. рис. 2. В левом углу — пояснение «горячей пайки» (склейки) стеклянной трубки к тонкой сапфировой пластине, которая помещена на плоский нагреватель.
Важно подобрать марку стекла, которое должно иметь КТР, близкий к КТР сапфира. При температуре нагревателя 900-1000 °С (зависит от марки стекла) стекло сильно подплавляется и припаивается к сапфировой пластине. При хорошем согласовании КТР стекла и сапфира после остывания они
Рис.3. Схема экспериментальной установки. ЕС01_ — диодный лазер, Р1 — фарадеевский изолятор, 1 — пластина А/4, ПГ — поляризатор Глана, МЯ — микроячейка с Се, ПМ — постоянные магниты, 2 — магнитопровод для усиления магнитного поля (показан на вставке), 3 — фотоприемники, ЧР — частотный репер для определения положения атомных переходов при нулевом магнитном поле
остаются хорошо припаянными (при хорошей адгезии этот узел сохраняет вакуум). Таким же способом припаивается стеклянная трубка меньшего диаметра к тонкой сапфировой пластине. Далее, трубка меньшего диаметра вставляется в трубку большего диаметра (предварительно между ними помещается платиновая полоска (ПП) толщиной 10-50 мкм, или платиновое кольцо такой же толщины шириной 1-2 мм, или платиновая проволока, согнутая в кольцо). Открытые части трубок могут быть припаяны друг к другу горячей пайкой, при этом необходимо дополнительно прижимать СП между собой, чтобы зазор между ними не возрос. Заправка металлом проводится через дополнительную стеклянную трубку с последующей вакуумной отпайкой. Постоянные магниты ПМ диаметром 10-12 мм (и с отверстием 1 мм для прохождения лазерного излучения) могут быть расположены, как показано на рис. 2. Другие возможные конструкции микроячеек приведены в работах [15,16].
К преимуществам использования наноячеек следует отнести формирование в однопроходных спектрах пропускания и флуоресценции более узких суб-доплеровских оптических резонансов.
2.2. Однопроходные спектры поглощения микроячеек с цезием в сильных магнитных полях
На рис. 3 приведена экспериментальная схема для регистрации спектра поглощения микрояче
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.