Дифракция и охлаждение атомов и электронов при их отражении от поверхностных световых волн
Диссертация
Значение прогресса в атомной оптике для фундаментальной науки велико. Ожидается, что использование атомного интерферометра и атомного лазера для измерений во многих отраслях современной физики, несомненно, приведет к скачку в развитию науки вцелом, сравнимому с тем, который был вызван применением обычных оптических лазеров. В силу наличия у атомов ненулевой массы покоя и сложной внутренней… Читать ещё >
Содержание
- Глава I.
- Когерентный источник ультрахолодных атомов
- 1. 1. Введение
- 1. 2. Увеличение атомной фазовой плотности лазерном волноводе
- 1. 2. 1. Плоский волновод
- 1. 2. 2. Цилиндрический волновод
- 1. 2. 3. Плоский сужающийся волновод
- 1. 2. 4. Трехмерный сужающийся волновод
- 1. 3. Обсуждение результатов и
- выводы
- 1. 3. 1. Бозе-Эйнштеиновский конденсация
- 1. 3. 2. Яркий когерентный источник холодных атомов
- 1. 4. Выводы к главе I
- Глава II.
- Когерентный расщепитель атомного пучка на основе световой отражающей дифракционной решетки
- 2. 1. Введение
- 2. 2. Основная идея
- 2. 3. Экспериментальное изучение модулированной световой поверхностной волны
- 2. 4. Дифракция атомов на периодическом световом потенциале
- 2. 5. Выводы к главе II
- Глава III.
- Импульсное зеркало для электронного пучка на основе поверхностной световой волны
- 3. 1. Введение
- 3. 2. Уравнения .движения электрона в световом поле
- 3. 3. Электро-оптическая аналогия. Показатель преломления для электронов, распространяющихся в лазерном излучении
- 3. 4. Отражение электронов от поверхностной световой волны
- 3. 4. 1. Случай г «Ztr
- 3. 4. 2. Случай г >> г&bdquo
- 3. 4. 3. Случай г = Ttr
- 3. 6. Формирование ультракоротких электронных импульсов
- 3. 6. 1. Кулоновское расталкивание
- 3. 6. 2. Тормозное излучение
- 3. 7. Выводы к главе III
Список литературы
- Миногин В.Г., Летохов B.C. Давление лазерного излучения на атомы. Москва, Наука, 1986.
- Казанцев А.П., Сурдутович Г. И., Яковлев В. Л. Механическое действие света на атомы, Москва, Наука, 1991.
- C.S. Adams, M. Sigel, J.Mlynek. Atom optics, Physics Reports v.240, p. 143−210, 1993.
- I. Bloch, T.W. Hansch, T. Esslinger. Atom laser with CW output coupler, Phys. Rev. Lett. 82, 3008 (1999).
- M.O. Mewes, M.R. Andrews, D.M. Kurn, D.S. Durfee C.G. Taunsend, W. Ketterle, Output coupler for Bose-Einstein condensed atoms. Phys. Rev. Lett. 78, (1997) 582.
- Hall J.L., Zhu М., Buch P. Prospects for using laser-prepared atomic fountains for optical frequency standards applications. J.Opt.Soc.Am. В v.6, n. ll, p.2194−2205, 1989.
- Chu S., Prentiss M.G., Cable A.E., Bjorkholm J.B. Laser Cooling and Trapping of Atoms, in Laser Spectroscopy VIII, W. Persson and S. Svanberg, eds. (Springer-Verlag, Berlin), p.58−63, 1987.
- Weiss D.S., Young B.C., Chu S. Precision measurements of h / mCsbased on photon recoil using laser-cooled atoms and atomic interferometry. Appl. Phys. В v.59, p.217−256, 1994.
- Beverini N., Giammanco F., Maccioni E., Strumia F., Vissani G. Measurment of the calcium lPi- lDi transition rate in a laser-cooled atomic beam. J.Opt.Soc.Am. В v.6, n. ll, p.2188−2193, 1989.
- Schmiedmayer J., Chapman M.S., Ekstrom C.R., Hammond T.D., Wehinger S., and Pritchard D.E. Index of refraction of various gases for sodium matter waves. Phys.Rev.Lett, v.74, p. 1043−1046, 1995.
- Morinada A., Nakamura M., Kurosu Т., Ito N., Phase shift induced from the DC Stark effect in an atom interferometer comprised of four copropagating laser beams. Phys.Rev. A v.54, p. R21-R24, 1996.
- Kasevich M., Chu S., Atomic interferometry using stimulated Raman transitions, Phys.Rev.Lett, v.67, p.181−184, 1991.
- Балыкин В.И., Летохов B.C., Сидоров А. И. Формирование интенсивного стационарного потока холодных атомов методом лазерного замедления атомного пучка. ЖЭТФ, т.86, стр.2019−2026, 1984.
- Gallagher A., Pritchard D.E. Exoergic collisions of cold Na-Na. Phys.Rev.Lett. v.63, p.957−960, 1989.
- Julienne P. S., Heather R. Laser modification of ultracold atomic collisions: Theory. Phys.Rev.Lett v.67, p.2135−2138, 1991.
- Lett P.D., Jenssen P. S., Phillips W.D., Rolston S.J., Westbrook C.L., Gould P.L., Laser modification of ultracold atomic collisions: Experiment Phys.Rev.Lett v.67, p.2139−2142, 1991.
- Wallace C., Dinneen T.P., Tan K. N, Grove T.T., Gould P.L. Isotopic difference in trap loss collisions of laser cooled rubidium atoms. Phys.Rev.Lett v.69, p. 897 900, 1992.
- Hafflnan D., Bali S., Walker T. Trap depth measurement using ultracold collisions. Phys.Rev.A v.54, n.2, p. R1030-R1033, 1996.
- Bo Gao, Theory of slow atom collisions. Phys.Rev.A v.54, n.3, p.2022−2039, 1996.
- Julienne P. and Mies F. Collisions of ultracold trapped atoms. J.Opt.Soc.Am. B v.6, n. ll, p.2257−2269, 1989.
- Weiner J. Experiments in cold and ultracold collisions. J.Opt.Soc.Am. B v.6, n. ll, p.2270−2278, 1989.
- Landragin A., Courtois J.-Y., Labeyrie G., Vansteenkiste N., Westbrook C. L, and Aspect A. Measurement of the van der Vaals force in an atomic mirror. Phys.Rev.Lett. v.11, p. 1464−1467.
- Lounis B., Veikerk P., Courtois J.-Y., Salomon C., Grinberg G. Quantized atomic motion in ID cesium molasses with magnetic field. Europhys. Lett v.21, p. 13−17, 1993.
- Petrich W., Anderson M.H., Ensher J.R., Cornell E.A. Stable, tightly confining magnetic trap for evaporative cooling of neutral atoms. Phys.Rev.Lett. v.74, p.3352−3355, 1995.
- Davis K.B., Mewes M.-O., Joffe M.A., Andrews M.R., Ketterle W. Evaporative cooling of sodium atoms. Phys.Rev.Lett. v.74, p.5202−5205, 1995.
- Anderson M.H., Ensher J.R., Matthews M.R., C.E. Wieman C.E., Cornell E.A. Observation of Bose-Einstein Condensation in a dilute atomic vapor. Science v.269, p.198−201, 1995.
- Bradley C.C., Sackett C.A., Tollett J.J., Hulet R.G. Evidence of Bose-Einstein Condensation in an atomic gas with attractive interactions. Phys.Rev.Lett. v.75, p.1687−1690, 1995.
- Davis K.B., Mewes M.-O., Andrews M.R., van Druten N.J., Durfee D.S., Kum D.M., Ketterle W. Bose-Einstein Condensation in a gas of sodium atoms. Phys.Rev.Lett. v.75, p.3969−3973.
- Mewes M.-O., Andrews M.R., van Druten N.J., Kurn D.M., Durfee D.S., Townsend C.G., Ketterle W. Collective excitations of a Bose-Einstein condensate in a magnetic trap. Phys.Rev.Lett. v.77, p.988−991,1996.
- Phillips Boser E. W. Hagley, L. Deng, M. Kozuma, J. Wen, K. Helmerson, S. L. Rolston and W. D. Phillips, «A well-collimated quasi-continuous atom laser,» Science 283, 1706 (1999).
- Nichols E.F., Hull G.F. Phys. Rev. 17 (1903) 26- Phys. Rev. 17 (1903) 91-
- Einstein A. Strahlungs. Emission und Absorption nach der Quantentheorie. Verhandl.Dtsch.Phys.Ges. 18, 318−323, 1916- А. Эйнштейн Собрание научных трудов в 4-х томах, Т. Ш, стр.386−392, Москва, Наука, 1966.
- Einstein A. Zur Quantentheorie der Strahlung. Mitt.Phys.Ges. Nr. 18, 47−62, 1916. А. Эйнштейн Собрание научных трудов в 4-х томах, Т. Ш, стр.393−406, Москва, Наука, 1966.
- Frisch O.R. Z.Phys. v.86, р.42−48, 1933.
- Летохов B.C. Сужение допплеровской линии в стоячей световой волне. Письма в ЖЭТФ, т.7, стр.348−351, 1968.
- Аскарьян Г. А. Воздействие градиента поля интенсивного электромагнитного' луча на электроны и атомы. ЖЭТФ, т.42, стр.1567−1670, 1962.
- Askin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure. Phys.Rev.Lett, v.24, p. 156−159, 1970.
- Askin A. Atomic beam deflection by resonance-radiation pressure. Phys.Rev.Lett., v.25, p.1321−1324, 1970.
- Schieder R., Walter H., Woste L. Atomic beam deflection by the light of a tunable dye laser. Opt.Comm., v.5, p.337−340, 1972.
- Hansch T.W., Schawlow A.L. Cooling of gases by laser radiation. Opt.Comm., v.13, p.68−69, 1975.
- Летохов B.C., Миногин В. Г., Павлик Б. Д. Охлаждение и пленение атомов и молекул резонансным световым полем. ЖЭТФ, т-72, стр. 1328−1341, 1977.
- Neuhauser W., Hohenstatt М., Toschek P., Dehmett H. Optical-Sideband Cooling of visible atom cloud confined in parabolic well. Phys.Rev.Lett., v.41, p.233−236, 1978.
- Reif F. Fundamentals of Statistical and Thermal Physics, McGraw-Hill, New York, 1965.
- Lett P.D., Phillips W.D., Rolston S.L., Tanner C.E., Watts R.N., Westbrook C.I. Optical Molasses, J.Opt.Soc.Am.B, v.6,n.ll, p.2084−2107, 1989.
- Балыкин В.И., Летохов B.C., Мишин В. И. Наблюдение охлаждения свободных атомов натрия в резонансном лазерном поле со сканируемой частотой. Письма в ЖЭТФ, т.29, стр.614−618, 1979.
- Андреев С.В., Балыкин В. И., Летохов B.C., Миногин В. Г. Радиационное, замедление и монохроматизация пучка атомов натрия до 1,5 К во встречном лазерном луче. Письма в ЖЭТФ, т.34, стр.463−467, 1981.
- Phillips W.D., Metcalf Н. Laser deceleration of an atomic beam. Phys.Rev.Lett., v.48, p.596−599, 1982.
- Balykin V. L, Letokhov V.S., Minogm V.G., Zueva T.V. Collimation of atomic beams by resonant laser radiation pressure. Appl.Phys.B, v.35, p.149−153, 1984.
- Balykin V.I., Letokhov V.S., Minogin V.G., Rozhdestvensky Y.V., Sidorov A.I., Radiative collimation of atomic beams through two-dimentional cooling of atoms by laser radiation pressure. J.Opt.Soc.Am.B, v.2, p.1776−1783, 1985.
- Prodan J., Migdall A., Phillips W.D., So I., Metcalf H., Dalibard J. Stopping atoms with laser light Phys.Rev.Lett., v.54, p.992−995, 1985.
- Ertmer W., Blatt R., Hall J.L., Zhu M. Laser manipulation of atomic beam velocities: Demonstration of stopped atoms and velocity reversal, Phys.Rev.Lett., v.54, p.996−999, 1985.
- Watts R.N., Wieman C.E. Manipulating atomic velocities using diode lasers, Opt. Lett, v. ll, p.291−294, 1986.
- Witte A., Kisters Th., Riehle F., Helmke J. Laser cooling and deflection of a calcium atomic beam. J.Opt.Soc.Am.B, v9, p. 1030−1037, 1992.
- Faulstich A., Schnetz A., Sigel M., Sleator T., Carnal O., Balyldn VJ., Takuma H. and Mlynek J. Strong velocity compression of a supersonic atomic beam using moving optical molasses, Europhys.Lett., v.17, p.393−399, 1992.
- Raab E.L., Prentiss M., Cable A., Chu S., and Pritchard D.E. Trapping of neutral sodium atoms with radiation pressure. Phys.Rev.Lett., v.59, p.2631−2634, 1987.
- Lett P.D., Watts R.N., Westbrook C.I., Phillips W.D., Gould P.L., Metcalf H.J. Observation of Atoms Laser Cooled below the Doppler Limit, Phys.Rev.Lett, v.61, p.169−172, 1988.
- Weiss D.S., Riis E., Shevy Y., Ungar P.J., Chu S. Optical molasses and multilevel atoms: experiment, J.Opt.Soc.Am. B, v.6, n. ll, p.2072−2083, 1989.
- Castin Y., Wallis H., Dalibard J. Limit of Doppler cooling, J.Opt.Soc.Am. B, v.6, n. ll, p.2046−2057, 1989.
- Dalibard J., Cohen-Tannoudji C. Laser cooling below me Doppler limit by polarization gradients: simple theoretical models, J.Opt.Soc.Am. B, v.6, n. ll, p.2023−2045, 1989.
- Gupta R., Xie C., Padua S., Batelaan H., and Metealf H. Bichromatic laser cooling in a three- level system, Phys.Rev.Lett, v.71, p.3087−3090, 1993.
- Ovcinnikov Yu.B., Soding J., Grimm R. Cooling atoms in dark gravitational laser traps. Pis’ma Zh. Eksp. Teor. Fiz., 61, CTp.23−27, 1995.
- Drewsen M., Laorent Ph., Nadir A., Santarelli G., Clairon A., Castin Y., Grison D., Salomon C. Investigation of sub-Doppler cooling effects in a cesium magneto-optical trap, Appl.Phys.B, v.59, n.3, p.283−299, 1994.
- Ketterle W., Davis K.B., Joffe M.A., Martin A., and Pritchard D.E. High densities of cold atoms in a dark spontaneous force optical trap, Phys. Rev. Lett., v.70, p.2253−2256, 1993.
- A.A. Ischenko, V.P. Spiridonov, L. Schafer, J.D.Ewbank, J.Mol.Stuct., 300 (1993) 115.
- A.A. Ischenko, J.D.Ewbank, L. Schafer. J. Mol. Struct 320 (1994) 147.
- A.A. Ischenko, L. Schafer, J.D.Ewbank «Structural and vibrational kinetics of photoexitations processes using time resolved gas electron diffraction». To be published in J. Mol. Struct. n3. 2000.
- V.I. Balykin, M.V. Subbotin, V.S. Letokhov. «Reflection of an electron beam by femtosecond light waves». Optics Communications 129, (1996) pp. 177−183.
- В.И. Бальпсин, Д. В. Ларюшин, M.B. Субботин, B.C. Летохов. «Увеличение атомной фазовой плотности в полом лазерном волноводе». Письма в ЖЭТФ, т. 63 (1996) вып. 10 стр. 763−767.
- M.V. Subbotin, V.I. Balykin, D.V. Laryushin, V.S. Letokhov. «Laser controlled atom waveguide as a source of ultracold atoms». Optics Communications 139 (1997) pp. 107−116.
- V.I. Balykin, D.A. Lapshin, M.V. Subbotin, V.S. Letokhov. «Near field diffraction grating for atoms». Optics Communications 145 (1998) pp. 322−328.
- M.V. Subbotin, D.A. Lapshin, V.I. Balykin, V.S. Letokhov «Light-matter coherent atomic beam splitter» ICONO '98: Quantum Optics, Interference Phenomena in Atomic Systems, and High-Precision Measurements SPIE Vol. 3736, p. 58−67, (1998).
- V.I.Balykin and V.S.Letokhov. «Atom Optics with Laser Light», Laser Science and Technology, Harwood Acad. Publishers. (1995)
- J.P.Dowling and J. Gea-Banacloche, Evanescent light-wave atom mirrors, resonators, waveguides and traps, Adv. At. Mol. Opt. Phys. 36, (1996)
- R.J.Cook and R.K.Hill, An electromagnetic mirror for neutral atoms. Opt.Comm. 43, 258 (1982)
- S.M.Tan and D.F.Walls. Analysis of atomic mirrors based on light induced forces, Phys. Rev., A50, 1561 (1994)
- В.И.Балыкин, В. С. Летохов, Ю. Б. Овчинников, А. И. Сидоров, Отражение атомного пучка от градиента светового поля, Письма в ЖЭТФ, 45, 282 (1987)
- C.G.Aminoff, A.M.Steane, P. Bouyer, P. Desbiolles, J. Dalibard, C. Cohen-Tanoudji, Cesium atoms bouncing in a stable gravitational cavity, Phys.Rev.Lett 21, 3083 (1993).
- M.Kazevich, P. S.Weiss and Chu, Normal incidence reflection of slow atoms from optical evanescent wave, Opt. Lett., J5, 607 (1990)
- Ю.Б.Овчинников, Д. В. Ларюшин, В. И. Балыкин, B.C. Летохов, Охлаждение атомов при отражении от поверхностной световой волны. Письма в ЖЭТФ, 62, 102 (1995).
- M.A.Ol'shanii, Yu.B.Ovchinnikov and V.S.Letokhov. Laser guiding of atoms in a hollow optical fiber, Opt. Coramun., 98, 77 (1993)
- M.J.Renn, D. Montgomery, O. Vdolin, Z.D.Anderson, C.E.Wieman and E.A.Cornell. Laser guided atoms in hollow-core optical fibers, Phys. Rev. Lett., 75, 3253 (1995)
- S.Marksteiner, C.M.Savage, P. Zoller, Coherent atomic waveguides from hollow optical fibers: quantized motion, Phys. Rev. A50, 3, 2680 (1994)
- MJ.Renn, E.A.Donley, E.A.Cornell, C.E. Wieraan, D.Z. Anderson, Evanescent-wave guiding of atoms in hollow optical fibers. Phys. Rev. A53, (1996) R648
- J.Soding, R. Grimm and Yu.B.Ovchinnikov, Gravitational laser trap for atoms with evanescent wave cooling, Opt.Comm. 119, (1995) 652.
- J.Dalibard and C. Cohen-Tannoudji, Dressed-atom approach to atomic motion in laser light: the dipole force revisited. JOSA 2, (1985) 1707.
- V.I.Balykin and V.S.Letokhov, Atomic cavity with light-induced mirrors, Appl. Phys., B48, (1989) 517.
- K.B.Davis, M. Mewes, M.A.Joffe, M.R.Andrews, and W. Ketterle, Evaporative cooling of sodium atoms, Phys. Rev. Lett. 74, (1995) 5202.
- J.E. Bjorkholm, R.R. Freeman, A. Achkin and D.B. Petson. Phys. Observation of focusing of neutral atoms by the dipole force of resonance-radiation pressure, Rev. Lett., 41 (1978) 1361
- Ch.J. Borde, N. Courtier, F. du Burck, A.N. Goncharov and M. Gorlicki, Atomic interferometry with internal state labeling, Phys. Lett. A188 (1994) 187.
- T. Sleator, T. Pfau, V. Balykin, O. Carnal and J. Mlynek, Experimental demonstration of the optical Stern-Gerlach effect, Phys. Rev. Lett. 68 (1992> 1996.
- A. Steane, P. Szriftgiser, P. Desbioles and J. Dalibard, Phase modulation of atomic de Broglie wawes, Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 4972.
- T. Pfau, Ch. Kurtsiefer, S.C. Adams, M. Sigel and J. Mlynek, Magneto-optical beam splitter for atoms, Phys. Rev. Lett. 71 (1993) 3427.
- P.J. Martin, P.L. Gould, B.J. Oldaker, A.H. Miklich and D.E. Pritchard, Diffraction of atoms moving through a standing light wave. Phys. Rev. A36 (1987) 2495.
- J.V. Hajnal and G.I. Opat, Diffraction of atoms by standing evanescent light wave a reflective grating for atoms. Optics Com. 71 (1989) 119.
- R.Deutschmann, W. Ertmer, H. Wallis, Reflection and diffraction of atomic de Broglie waves by evanescent laser wave. Phys. Rev. A47 (1993) 2169.
- C. Henkel, J.-Y. Courtois and A. Aspect, Atomic diffraction by a thin phase grating J. Phys II (Paris) (1994) 1955.
- B.W. Stenlake, I.C.M. Littler, H.-A. Bachor and K.G.H. Baldwin, Observation of velocity-tunned resonances in the reflection of atoms from evanescent light grating. Phys. Rev. A49 (1994) R16.
- D. Barchiesi and D. van Labeke, Application of Mie scattering of evanescent waves to scanning tunneling optical microscopy theory. J. of Modern Opt. 40 (1993) 1239.
- M.A. Paesler, P.J. Moyer. «Near-Field Optics» (John Wiley & Sons) 1996.
- Д.А. Лапшин. «Фотонный сканирующий туннельный микроскоп с нерезонансно-силовым режимом». ЖТФ 68 (1998) н.9, 51.
- D.A. Lapshin, V.I. Balykin, V.S. Letokhov, «Imaging of metal dielectric diffraction grating by a collection mode photon scanning tunneling microscope» J. Modern Opt. 45 (1998) 747.
- A. Sentenac and J.J. Greffet. Study of the features of PSTM images by mean of perturbative approach, Ultramicroscopy 57 (1996) 246.
- A. Scholz, M. Christ, D. Doll, J. Ludwig, W. Ertmer, Magneto-optical preparation of slow, cold, and bright Ne* atomic beam, Opt. Comm. Ill (1994) 155
- P.L. Kapitza and P.A.M. Dirac, The reflection of electrons from standing light waves. Proc. Cambridge Philos. Soc.29 (1933) 297.
- L.S. Bartell, H.B. Thomson and R.R. Roskos, Observation of stimulated Compton scattering of electrons’by laser beam Phys. Rev.Lett. 14 (1965) 851.
- P.W. French, The generation of ultrashort iaser pulses, Rep. Progr. Phys. 58 (1995) 169
- A. Sullivan, H. Hamster, H: G. Kapteyn, S. Gordon, W. White, H. Nathel, RJ, ~ Blair and R.W. Falcone, Multiterawatt, 100-fs laser. Optics Lett. 16 (1991) 1406.
- M.V. Fedorov, Interaction of intense laser light with free electrons, in: Laser Science and Technology, Vol. 13 (Harwood, 1991)
- C.I. Moore, J.P. Knauer and D.D. Meyerhofer, Observation of the transition from Thomson to Compton scattering in multiphoton interaction with low-energy electrons. Phys. Rev.Lett. 74 (1995) 2439.
- V.A. Lobastov, J.D. Ewbanc, L. Schafer and Ischenko, Rev. Sci. Instrum. 69 (1998) 2633.
- M.Ya. Schelev, G.I. Bryukhnevich, V.I. Losovoi, M.A. Monastyrski, A.M. Prokhorov, A.V. Smirnov, N.S. Vorobiev, SPIE Proceedings 3516 (1999) 489.
- B.C. Летохов, Фокусировка электронного пучка дипольной силой ультракороткого лазерного импульса. Письма в ЖЭТФ. 61 (1995) 787.
- Л.Д. Ландау, Е. М. Лившиц, Теория поля, изд."Наука" 1967 г.
- T.W. Kibble,. Phys. Rev. А 138 (1965) 740.
- T.W. Kibble, Mutual refraction of electrons and photons. Phys. Rev. 150 (1966) 1060.
- B. Bom and E. Wolf, Principles of Optics (Pergamon Press, 1970).
- V.I. Balykin, V.S. Letokhov, YU.B. Ovchinnikov and A.I. Sidorov, Quantum-state-selective mirror reflection of atoms by liser light. JETP Lett. 45 (1987) 282- Phys. Rev. Lett. 60 (1988) 2137 Errata 61 (1988) 902.
- A.I. Zewail, in: Femtosecond Chemistry, eds. J. Manz and L. Woste (VCH, Weinheim, 1995) p. 15.