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.