научная статья по теме СТОХАСТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА АТОМОВ В РЕЗОНАНСНОМ СВЕТОВОМ ПОЛЕ В КВАЗИКЛАССИЧЕСКОМ ПРИБЛИЖЕНИИ Физика

Текст научной статьи на тему «СТОХАСТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА АТОМОВ В РЕЗОНАНСНОМ СВЕТОВОМ ПОЛЕ В КВАЗИКЛАССИЧЕСКОМ ПРИБЛИЖЕНИИ»

ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2004, том 97, № 1, с. 88-95

ФИЗИЧЕСКАЯ ^^^^^^^^^^^^ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА

УДК 535.214(047.3)

СТОХАСТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА АТОМОВ В РЕЗОНАНСНОМ СВЕТОВОМ ПОЛЕ В КВАЗИКЛАССИЧЕСКОМ ПРИБЛИЖЕНИИ

© 2004 г. А. В. Безвербный, А. В. Шаповалов

Томский государственный университет, 634050 Томск, Россия Поступила в редакцию 17.06.2003 г.

Рассмотрена стохастическая динамика атомов с вырожденными энергетическими уровнями в резонансном неоднородно поляризованном лазерном поле в рамках квазиклассического подхода. Регулярная сила, входящая в уравнение Ланжевена, и корреляционная функция случайной силы представлены в виде разложений по пространственным градиентам суммарного светового поля. На примерах модельной системы и двухмерной полевой конфигурации рассмотрены особенности кинетических распределений, обусловленные мультипликативным характером шума, анизотропией диссипативных процессов и наличием вихревой компоненты в светоиндуцированной силе.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время кинетика атомарных ансамблей в световых полях представляет значительный интерес: за последние два десятилетия достигнуты большие успехи в лазерном охлаждении [1], захвате и удержании атомов с образованием периодических и квазипериодических пространственных структур (оптических решеток) [2, 3]. Проблема описания движения атома в неоднородно поляризованных световых полях достаточно сложна из-за сильной корреляции между внутренними и поступательными степенями свободы атома. Поэтому при рассмотрении результатов экспериментов в реальных двухмерных (2Б) и трехмерных (3Б) полевых конфигурациях и при учете реальной структуры энергетических уровней атомов преимущественно используются методы численного моделирования исходных квантовых кинетических уравнений [4]. Эти методы дают хорошее количественное согласие результатов моделирования с экспериментом. В сравнении с ними квазиклассический подход [5, 6] в ряде экспериментальных ситуаций неприменим: при очень малых интенсивностях поля I либо при больших отстройках 5 частоты поля ю от резонанса ю0 квазиклассическая оценка температуры атомарного ансамбля оказывается некорректной [7, 8]. Однако этот подход позволяет обнаружить и в деталях оценить влияние различных физических механизмов, приводящих к локализации и охлаждению атомов.

Целью данной работы является исследование особенностей стохастической динамики медленных атомов, имеющих полные угловые моменты

]0 и ]1 в основном и возбужденном состояниях и резонансно взаимодействующих с полем

Е (г, г) =

г юг + гкпг

е Е„ + к.с.) =

п = 1

(1)

= е

Е (г) + е Е* (г),

образованным конфигурацией из 5 когерентных световых пучков одинаковой частоты ю с волновыми векторами кп ((...)* - комплексное сопряжение).

В квазиклассическом приближении кинетический этап эволюции атомарного ансамбля характеризуется уравнением Фоккера-Планка (УФП) для функции распределения атомов 9 в фазовом пространстве {г, р}, описывающим динамику атомарного ансамбля по поступательным степеням свободы:

(д, + уУ ) 9 = - Ур (Е 9) + (1/2)(Ур Э Ур) 9. (2)

Здесь УФП выводится из исходного уравнения эволюции для атомарного оператора плотности при использовании адиабатического приближения [9, 10], основанного на различии характерных временных масштабов эволюции по внутренним (г^ ~ шах{у-1, (у5)-1}, где у-1 - время жизни возбужденного состояния атома, 5 - параметр насыщения резонансного дипольного перехода) и поступательным (гех ~ (йк/Лр)-1,^) степеням свободы атома: при малости импульса фотона йк по отношению к дисперсии атомного импульса Лр мы имеем гех > г^. Коэффициентами УФП являются дипольная сила Е(г, р), обусловленная эффектами отдачи при поглощении и спонтанном и вынужденном испускании атомом фотонов, и тензор

диффузии Э (г, р) в пространстве импульсов,

5

обусловленный случайным характером процессов испускания-поглощения. Структура этих коэффициентов несет информацию о действующих в среде диссипативных механизмах, механизмах захвата и удержания атомов в областях локализации. В случае медленных атомов, когда за время ^ атомы смещаются на расстояния, значительно меньшие длины волны света (V ^ <§ X), для корректного учета диссипативных процессов в структуре силы Г достаточно ограничиться нулевым и первым порядками по скорости, а в структуре

тензора э - нулевым порядком по скорости:

F (г, v ) = Fo (г) + Ж (г) v,

э (г, v ) = áind (г) + aspont( г).

(3)

Данное приближение адекватно описывает экспериментальные результаты, соответствующие области линейной зависимости температуры ансамбля от интенсивности суммарного поля.

КИНЕТИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ

Уточним тензорную структуру и физическое содержание входящих в (3) величин. В работе [11] показано, что в приближении медленных атомов коэффициенты (3) можно разложить по градиентам g¡ (г = 1, ..., 6) поля (1):

Fo = h YS £ Fg,

ind

h h2Y S

Г 4 /

I

U j = i

v Dij J

gi ® g j +

(4)

I

X

Im

l, m = 5 V Dlm J

gl ® gm

3o = E (г) E * (г), 3i = E (г) E (г), i = cos2e = V3i3*/3o.

(5)

дипольного перехода1 1/2 —«- 3/2 в приближении малых насыщений 5 <§ 1 [11], когда имеется зависимость только от € и 5 = 5/у:

= (3-€2)/3, ^з = -25 А €/3, = -А,

Х23 = -3 А €, Х33 = 6 5€2, Х43 = 3€,

Х^ = 125А2(3 ± €) N

166;

X™ = -3 А( 1 ± €)(А + В) N,

165у

Вп = (3 + 12 52 А2€2 - €2)/6, В12 = - 5 А2€2,

В13 = А€(12 52 €2 + 1)/6, В14 = 4 5 А€2/3, (6)

В22 = (3 + 2€2 - 3€4)/6, В24 = -А(3 + 4€2)/6,

2

В33 = (1 + €2 + 12 5 €4)/6, В44 = (3 + 4€2)/6,

В23 = - 5 А€3, В34 = 4 5 €3/3,

В55л = (1 ± €)[1 + (С ± 0)^]/6,

66

где (а ® Ь)у = агЬу означает прямое произведение векторов, скалярные коэффициенты разложения ^, Ху, Вц зависят от типа перехода у0 —► у и выражаются только через инварианты 30 и € поля (1):

Здесь 30 пропорционален интенсивности поля, а параметр эллиптичности € связан со степенью линейной поляризации I = €2 [12] и углом эллиптичности поля е(г): € = 1 соответствует линейной, а € = 0 - циркулярной поляризации. Для примера приведем явный вид ^, Ху, Бц для простейшего

D56 = -2 5 Ai(9 - i2)N/3.

Наряду с параметром A = Jl - i2 = sin2e, связанным со степенью циркулярной поляризации поля, здесь также использованы обозначения N = [2(9 -~2 ~2 ~2 - i2 + 36 52 A2)]-1, А = (12 52 + 1)i, В = 12 52 - 3, С =

2 2 2 = 9(1 + 4 52) + i2(11 + 12 52), D = 18i(1 - 4 52) + i3(2 +

~2

+ 245 ). Дополнительно к (6) введем коэффициенты F1 = -2 5 F2, X1j = -2 5 X2j (j = 1, ..., 4). Тензор диффузии симметричен, т.е. Dij = Dji. Остальные коэффициенты равны нулю.

Векторные поля g1t 6(r), образующие базис разложения, являются соответственно градиентами интенсивности, общей фазы Ф, эллиптичности £ и трех углов ф, а, в, задающих вариацию положения эллипса поляризации суммарного поля (1) при вариации координаты r (рис. 1). Эти поля могут быть без труда построены для произвольной световой конфигурации в соответствии с приведенными ниже формулами:

gi = (1/2) V ln3o, g2 = —Ф = Im [ V (EE*)]/3o + A g4,

g3 = — £ = -(Vi)/2 A, (7)

g4 = V ф = -Im (V ee* )/A, g5 = V а = V (e_a eo), g6 = V p = V (ebeo).

1 Для перехода 1/2 приведены в [13].

1/2 аналогичные коэффициенты

4

6

+

(а)

(б)

I / / / ( / ''г /

/к -иф 1 1 ч ^^ Ь 1

/ ^^^' / ' /

¡^^ 1 / / / ч / /

/ / а /

/ . __ 1 / / /

II

еа = (е + е *) Ц2 (1 + £), еЬ = -г (е - е *)7^2 (1 - £), е0 = -г [е х е * ]/А.

(8)

Рис. 1. Эллипс поляризации (а) и пространственный поворот плоскости поляризации (б) из положения I в положение II, где ф - угол поворота эллипса поляризации в исходной плоскости I; а, в - углы поворотов большой и малой осей а, Ь из исходной плоскости в конечные положения а', Ь'.

Здесь подчеркивание указывает на дифференцируемую величину. Общая фаза и единичный вектор эллиптической поляризации суммарного поля могут быть определены как ехр[2гФ(г)] =

= Зх/7З13* , е(г) = Е/[л/Зо ехр(гФ)]. Единичные векторы еа и еЬ, задающие положение большой и малой осей эллипса поляризации (рис. 1), и вектор нормали к плоскости поляризации е0 здесь определены в виде

Исследование пространственной структуры полей g¡ (г) (г = 1, ..., 6) показало [14], что в окрестностях циркулярной и линейной поляризаций и вблизи узлов поля (30 = 0) они имеют особенности в конфигурациях размерности Б > 1. В окрестностях узлов эллиптичность поля в общем случае не определена, и здесь становится неприменимым само квазиклассическое приближение. Поля g2 и g4 имеют вихревую структуру и расходятся как 1/Г в области циркулярной поляризации, а g6 обладает аналогичными особенностями в области линейной поляризации. Здесь г означает расстояние до особой области конфигурации.

Выделим три характерные особенности кинетических коэффициентов. Сила Г0(г) описывает эффективное силовое действие света на неподвижный атом и является результатом действия на атом потенциальных сил Г;, зависящих от внутреннего (адиабатического) состояния атома |г), усредненным по стационарному внутреннему состоянию неподвижного атома [5, 6]. При размерности полевой конфигурации Б > 1 эта сила наряду с потенциальной составляющей = -УУ(г) (градиентной силой), определяющей процессы локализации атомов, также содержит вихревую

компоненту Е™Л (силу светового давления), что является первой особенностью динамики атомов в световых полях. Потенциальная составляющая

обусловлена прежде всего градиентами интенсивности g1 и эллиптичности gз, тогда как Е0 связана с векторными полями g2 и g4. Из явного вида коэффициентов следует, что при больших

отстройках (|5| > 1) потенциальный вклад в целом преобладает. Положение областей локализации зависит от знака отстройки 5 и типа перехода. Например, для перехода 1/2 —-1/2 при 5 > 0 это области минимумов интенсивности либо области циркулярной поляризации [13, 14], тогда как при 5 < 0 это будут максимумы интенсивности либо области линейной поляризации. Для перехода 1/2 —► 3/2 при 5 > 0 преимущественная локализация будет в областях минимумов интенсивности либо в областях линейной поляризации, а при отстройках 5 < 0 - в областях максимумов интенсивности либо в областях циркулярной поляризации.

Тензор Ж имеет антисимметричную компоненту, роль которой можно све

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.

Показать целиком