научная статья по теме ФОРМА ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА НАСЫЩЕННОГО ПОГЛОЩЕНИЯ НА ПЕРЕХОДАХ МЕЖДУ ВЫРОЖДЕННЫМИ СОСТОЯНИЯМИ АТОМА НЕОНА Физика

Текст научной статьи на тему «ФОРМА ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА НАСЫЩЕННОГО ПОГЛОЩЕНИЯ НА ПЕРЕХОДАХ МЕЖДУ ВЫРОЖДЕННЫМИ СОСТОЯНИЯМИ АТОМА НЕОНА»

ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2014, том 117, № 3, с. 355-364

СТЕКТРОСКОПИЯ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

УДК 530.18:535

ФОРМА ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА НАСЫЩЕННОГО ПОГЛОЩЕНИЯ НА ПЕРЕХОДАХ МЕЖДУ ВЫРОЖДЕННЫМИ СОСТОЯНИЯМИ АТОМА НЕОНА

© 2014 г. И. А. Карташов, А. А. Черненко, А. В. Шишаев

Институт физики полупроводников Сибирского отделения РАН, 630090 Новосибирск, Россия

E-mail: chernen@isp.nsc.ru Поступила в редакцию 13.11.2013 г.

Экспериментально и теоретически исследованы формы спектрополяриметрических резонансов пробной волны линейной поляризации на переходах 1s5 — 2p2 и 1s5 — 2p4 атома неона в присутствии сильной встречно направленной циркулярно поляризованной волны той же частоты. Определены физические процессы, приводящие к изменению формы поляриметрических резонансов при действии продольного магнитного поля.

DOI: 10.7868/S0030403414090086

ВВЕДЕНИЕ

Вырожденные атомные системы с долгоживу-щим нижним состоянием уже длительное время вызывают интерес у исследователей в связи с возможностью решения ряда фундаментальных и прикладных задач, среди которых следует отметить "сверхглубокое охлаждение" атомов [1], оптические стандарты частоты [2], квантовые вычисления [3] и др.

Важную информацию о таких атомных системах и протекающих в них физических процессах несут формы спектральных линий, регистрируемых при резонансном взаимодействии атомов с перестраиваемым по частоте лазерным излучением.

Одним из информативных методов исследований вырожденных атомных систем является поляризационная спектроскопия пробного поля, поскольку в нем по сути сочетаются особенности спектроскопии насыщенного поглощения и селективной по скорости оптической накачки [2, 4, 5]. Как спектроскопический метод поляризационная спектроскопия основывается на регистрации с помощью пробного поляризованного излучения оптической анизотропии исследуемой среды, наводимой сильным полем с круговой поляризацией. В таком виде методика эксперимента позволяет проводить как измерения частотных характеристик свободных от допплеровского уширения резонансов насыщенного поглощения, возникающих в спектре пробного поля, и релаксационных констант переходов [2, 5, 6], так и определять населенности уровней нижнего и верхнего состояний, оптически связанных полем накачки [7].

Возможности поляризационной спектроскопии расширяются при помещении поглощающей

среды в продольное магнитное поле, поскольку в этом случае регистрируемая форма сигнала определяется как коэффициентами поглощения, так и разностью показателей преломления циркулярных компонент поляризации среды в условиях неравновесного заселения магнитных подуровней нижнего долгоживущего состояния атомного перехода [6, 7]. Однако при снятии вырождения уровней магнитным полем наблюдается существенное усложнение спектра поляриметрического сигнала. Если при расщеплениях уровней, меньших ширины линии перехода, это проявляется в уширении и возникновении дублетной структуры в форме сигнала, то при расщеплениях, превышающих ширину линии перехода, возникают резонансные структуры как на частотах расщепленных компонент линии поглощения, так и вблизи центра линии нерасщепленного перехода, что дает возможность исследовать процессы, ответственные за формирование данных структур.

Впервые теоретическое рассмотрение формы линии поляриметрического сигнала с учетом эффекта оптической накачки было проведено в работе [8]. Однако это рассмотрение было проведено в модели бесструктурного четырехуровневого атома и приближении слабого пробного поля. Это обстоятельство существенно ограничивало возможность использования теоретических результатов [8] при интерпретации спектрополяриметрических резонансов, полученных в экспериментах с использованием вырожденных состояний в атомах На [6] и N0 [7].

В настоящей работе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований спектрополяриметрических резонансов, на-

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: 1 — призма-поляризатор, 2 — кварцевая пластинка, 3 — поляризационный модулятор, 4 — поглощающая ячейка, 5 — призма-анализатор, 6 — апертура, 7 — фотодетектор, 8 — пластинка Х/4.

блюдаемых в вырожденной системе уровней с долгоживущим нижним состоянием в атоме Не20 (переходы 1«5 — 2р2, J = 2 — J = 1 и 1«5 — 2р4, J = = 2 — J = 2). Важной особенностью приведенных результатов является регистрация формы спек-трополяриметрических резонансов и их особенностей в широком диапазоне частот расщепления уровней указанных переходов, а также теоретическая модель этих резонансов, учитывающая характеристики реальной структуры атомных переходов, поляризационные свойства насыщающего излучения и нелинейные эффекты, обусловленные полями встречно направленных световых волн. Это позволило определить характер влияния характеристик лазерного излучения и структуры атомных переходов, а также выявить особенности проявления родительских и перекрестных резонан-сов в формировании поляриметрических спектров пробного поля в условиях снятия вырождения уровней и селективной по скорости оптической накачки.

ФОРМА СПЕКТРОПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАНСОВ НА ПЕРЕХОДАХ 1«5 - 2р2

И 1«5 - 2р4 АТОМА Не20

Исследования формы спектрополяриметриче-ских резонансов проводились на экспериментальной установке [7], схема которой показана на рис. 1. Данная установка состояла из одночастот-ного перестраиваемого лазера на красителе рода-мин-6Ж с накачкой излучением Аг+-лазера. Мощность лазера накачки достигала 18 Вт, максимальная мощность перестраиваемого излучения на длине волны X = 590 нм составляла ~100мВт при ширине спектра ~2 МГц. Перестройка частоты излучения лазера на красителе

осуществлялась модуляцией длины резонатора лазера синхронно с подстройкой резонансных частот селектирующих элементов резонатора лазера на красителе (эталона Фабри—Перо и поглощающей пленки), которые обеспечивали одночастот-ный режим генерации. Контроль за спектром излучения лазера на красителе осуществлялся с помощью спектрографа и полуконфокального интерферометра с областью дисперсии ~862 МГц.

Излучение лазера на красителе разделялось с помощью оптического расщепителя (пластинки) на два пучка с различными интенсивностями, один из которых (с меньшей интенсивностью) служил пробным пучком, а второй - насыщающим пучком. Излучение пробного пучка с линейной поляризацией проходило через поляризатор 1, поляризационный модулятор 3, поглощающую ячейку 4, призму-анализатор 5, апертуру 6 и регистрировалось фотодетектором 7. В плече насыщающего пучка помещалась четвертьволновая пластинка 8 для получения циркулярно поляризованного излучения. Излучение насыщающей волны направлялось в поглощающую ячейку навстречу пробной волне, при этом угол неколлинеарности пучков относительно друг друга составлял ~10-2 рад. Электрический сигнал с фотодетектора, обусловленный прошедшей через призму-анализатор пробной волной, усиливался в фазовочув-ствительном селективном усилителе и подавался на У-канал самописца. Развертка самописца была синхронизована с частотой перестраиваемого лазера. Калибровка угла поворота плоскости поляризации излучения пробной волны осуществлялась с помощью калиброванной кварцевой пластинки 2, помещенной в продольное магнитное поле.

Поглощающая ячейка представляла собой разрядную трубку диаметром 25 мм с аксиально расположенными полыми катодом и анодом. В ячейке, наполненной спектрально чистым изотопом Не20 при давлении р ~ 0.1 Торр, поддерживался разряд при токе ~30 мА. Длина области поглощения составляла Ь ~ 10 см. Ячейка помещалась в соленоид, который позволял создавать в поглощающей области аксиальное магнитное поле с напряженностью до 500 Гс.

В данной схеме эксперимента регистрация поляризационных спектров осуществлялась в схеме почти скрещенных плоскостей поляризаций призм — поляризатора 1 и анализатора 5. Расстройка углов между плоскостями поляризаций в эксперименте составляла величину 90 < 10-1. Для повышения чувствительности регистрируемого сигнала применялась модуляционная методика (частота модуляции 0.м = 425 Гц) в сочетании с синхронным детектированием.

Исследования проводились на двух переходах между возбужденными состояниями атома Не20: 1*5 - 2р2 (I = 2 - I = 1, X = 588.189 нм) и 1у5 - 2р4 (I = 2 — I = 2, X = 594.483 нм). Структура магнитных подуровней состояний, а также типы оптических переходов показаны на рис. 2.

Экспериментальные зависимости амплитуд сигнала с фотодетектора при перестройке частоты излучения лазера на красителе вблизи частот переходов 1*5 — 2р2 и 1*5 — 2р4 атома неона и разных значениях напряженности внешнего магнитного поля представлены на рис. 3а, 3б. Из приведенных данных видно, что динамика спектров регистрируемого сигнала на исследуемых переходах в зависимости от магнитного поля (расщепления уровней) качественно одинакова. В отсутствие магнитного поля наблюдается пиковая форма сигнала с асимметричной подкладкой и с максимумом в центре линии. При наложении магнитного поля с ростом его напряженности в диапазоне значений Н < 2 Гс вначале наблюдается уменьшение амплитуды резонанса, а затем происходит его расщепление на две компоненты с разной амплитудой. При этом между расщепленными компонентами образуется узкий провал, амплитуда и ширина которого растут с ростом напряженности магнитного поля. При напряженностях магнитного поля в диапазоне 2 < Н < 20 Гс наблюдается уменьшение амплитуд компонент дублета, рост частотного расстояния между ними и значительное увеличение глубины провала. Максимальная амплитуда провала превосходит амплитуду не-расщепленного пика. Смена направления магнитного поля приводит к смене асимметрии компонент дублета расщепления, как это видно на рис. 3б при Н > 2 Гс. При дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля (Н > 20 Гс) происходит существенное увеличение частотного рас-

2Р2

(I = 1)

(I = 2)

2Р4

(I = 1)

1*5

(I = 2)

М = -2 -1

Рис. 2. Схемы атомных переходов и сопутствующих радиационных процессов.

стояния между пиками резонанса и расщепления провала. Причем если в случае перехода 1*5 — 2р2 наблюдается расщепление провала на две компоненты различной амплитуды (рис. 3а), то в случае

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