Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Когерентное пленение населенности в парах металлов

Диссертация: Когерентное пленение населенности в парах металлов
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Для возбуждения запрещенных переходов в редкоземельных атомах использование прямого воздействия на атом резонансной частотой зачастую оказывается неэффективным, т.к. переход чрезвычайно слаб. К тому же, источников, например, на частоту 10 ТГц с подходящими характеристиками вообще не существует. Поэтому такие запрещенные переходы удобно возбуждать через двухфотоииый механизм бихроматическим полем… Читать ещё >

Содержание

  • Глава 1. Эффект КПН
    • 1. 1. Постановка задачи
      • 1. 1. 1. Простейшая Л-система, простейшее описание
    • 1. 2. Переход от трехуровневой Л-системы к многоуровневой
      • 1. 2. 1. Язык матриц плотности
      • 1. 2. 2. Циклические переходы
      • 1. 2. 3. Интерференция Л-систем
      • 1. 2. 4. Конкурирующие процессы оптической накачки
      • 1. 2. 5. КПН в атомах рубидия
    • 1. 3. Экспериментальные условия
      • 1. 3. 1. Реакция трехуровневой системы на фазовый шум лазерного поля
      • 1. 3. 2. Ширина резонанса КПН при эксперименте в газовой кювете
      • 1. 3. 3. Остаточный доплер-эффект в присутствии столкновений
    • 1. 4. Основные направления и перспективы в исследовании КПН
    • 1. 5. Результаты главы
  • Глава 2. Фазово-когерентный источник бихроматического поля
    • 2. 1. Традиционные методы создания бихроматического поля
    • 2. 2. «Гребенка» частот фемтосекундного лазера
    • 2. 3. Фазовая привязка лазеров
      • 2. 3. 1. Системы ФАПЧ
      • 2. 3. 2. Привязка лазера к квазимонохроматическому лазерному источнику
      • 2. 3. 3. Два связанных по фазе лазера, как бихроматический источник
    • 2. 4. Использование гребенки частот фемтосекупдного лазера для создания бихроматического источника.. бб
      • 2. 4. 1. Идея создания универсального бихроматического источника. бб
      • 2. 4. 2. Реализация бихроматического источника
      • 2. 4. 3. Фемтосекундный лазер MIRA-900 °F. Характеристики
      • 2. 4. 4. Полупроводниковые лазеры
      • 2. 4. 5. Характеристики бихроматического источника
    • 2. 5. Основные результаты главы
  • Глава 3. Исследование когерентного пленения населенности в парах рубидия
    • 3. 1. Постановка проблемы
    • 3. 2. Экспериментальная установка
      • 3. 2. 1. Схема насыщенного поглощения
      • 3. 2. 2. Локализация резонанса КПН
    • 3. 3. Экспериментальные результаты
    • 3. 4. Основные результаты главы
  • Глава 4. Расширение гребенки в нелинейном оптическом волокне
    • 4. 1. Механизмы расширения спектра световых импульсов
      • 4. 1. 1. Фазовая самомодуляция
      • 4. 1. 2. Четырехволновое взаимодействие
      • 4. 1. 3. Нелинейные оптические эффекты в оптических волокнах
      • 4. 1. 4. Шумы при расширении фемтосекундной гребенки
    • 4. 2. Эксперимент по фазово-когерентному расширению гребенки в оптическом волокне
      • 4. 2. 1. Расширение гребенки фемтосекупдного лазера MIRA-900F
      • 4. 2. 2. Расширение гребенки лазера GigaJet
    • 4. 3. Основные результаты главы

Когерентное пленение населенности в парах металлов (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Данная работа является частью деятельности коллектива лаборатории оптики активных сред ФИ АН, посвященной поиску новых реперов оптических частот. Преимущества оптических стандартов перед радиочастотными очевидны — при той же ширине Аи оптический резонанс обладает на несколько порядков большей частотой щ, а следовательно и большей добротностью Q — щ/Аи. В настоящее время оптические стандарты частот развиваются намного быстрее радиочастотных (рис.1), и по-видимому, скоро обгонят по точности первичый цезиевый стандарт [68]. Современная реализация первичного стандарта частоты — цезиевый фонтан — обладает относительной погрешностью 5×10 «16 [68]. При использовании радиочастотного репера, добротность которого составляет порядка 10, такая точность достигается только при больших временах накопления данных (см. формулу (25)) — месяц и более.

— 9 з 10 0 1П10 го 10 ¦j л.

I- -11 8 10.

1 ю" 12 а> хт" 13 го 10.

IО аЗ -14? 10 о.

О -15 jE 10 о цезиевые часы (Эссен).

He-Ne стабилизированный по иоду Н О.

ОСа ОН.

9 9 гребенка Yb+.

• радиочастотные стандарты О оптические стандарты О.

Sr+ X ОНд+ цезиевый фонтан.

Рис. 1: Эволюция радиочастотных и оптических стандартов частоты.

В недавнее время был продемонстрирован существенный прогресс в регистрации высокодобротных оптических резонан-сов, достигнутые ширины линий оптических резонансов вплотную подошли к предельной ширине линий в спектроскопии Рэмси [10] (порядка 1 Гц). Выделяются два перспективных направления в создании оптических стандартов частоты. Первое направление связано с возбуждением одиночных ионов в ловушке. В этом случае серьезным недостатком является относительно низкий уровень отношения сигнала к шуму S/N, отрицательно влияющий на точность стандарта (см. выражение (25)). Второе направление прецизионная спектроскопия облака ультрахолодных атомов в ловушках и в т.н. оптических решетках. В этом случае количество атомов, вносящих вклад в сигнал, может достигать 105. Это позволяет получать намного большее отношение сигнал-шум, которое зависит от количества атомов, как /Nat.

Перспективными для использования в оптических стандартах частоты являются редкоземельные атомы Sin, Tm, Yb и др. Электронная структура всех редкоземельных атомов схожа, они обладают замкнутой 6s2 оболочкой, под которой находятся несколько 4Р электронов. Как было показано в работе Е. Б. Александрова [3], переходы внутри f-оболочки хорошо экранируются Gs-оболочкой и слабо чувствительны к столкновениям. Кроме того, многие редкоземельные атомы имеют большие значения тонкого расщепления основного состояния — 10 ТГц для Sm, 100 ТГц для Тт. Переходы между компонентами тонкого расщепления в этих атомах сильно запрещены и обладают очень малым ударным уширением. Такие переходы хорошо подходят на роль «часовых» переходов.

Для возбуждения запрещенных переходов в редкоземельных атомах использование прямого воздействия на атом резонансной частотой зачастую оказывается неэффективным, т.к. переход чрезвычайно слаб. К тому же, источников, например, на частоту 10 ТГц с подходящими характеристиками вообще не существует. Поэтому такие запрещенные переходы удобно возбуждать через двухфотоииый механизм бихроматическим полем, а именно, двумя лазерными нолями, каждое из которых настроено на разрешенный переход между своей компонентой тонкой структуры и общим верхним уровнем. Такое воздействие будет иметь резонансный отклик при совпадении разности частот лазеров с частотой запрещенного перехода. Свойства этого резонанса полностью определяются свойствами запрещенного перехода, характеристики общего верхнего уровня практическим не влияют на возбуждаемый двухфотонный резонанс.

Актуальность и перспективность исследований редкоземельных атомов для создания оптических стандартов частоты, а также преимущества двухфотоиного метода возбуждения запрещенных переходов, наглядно демонстрируются следующим фактом. В совместной работе [58] групп из JILA и NIST по спектроскопии атомов Yb в оптической решетке был использован метод возбуждения бихроматическим полем. В работе были получены оптические резоиансы шириной в несколько герц.

Диссертационная работа связана с развитием методики возбуждения запрещенных переходов с помощью бихромати-ческого ноля, с целью последующего применения в прецизионной спектроскопии запрещенных переходов в редкоземельных атомах.

Действие на трехуровневую Л-систему резонансным бихроматическим полем часто вызывает т.н. эффект когерентного пленения населенности (КПН), который и определяет свойства двухфотонного резонанса. Первая глава диссертации посвящена этому эффекту. Она носит носит обзорно-теоретический характер. В ней изложены основные свойства эффекта КПН, некоторые проиллюстрированы с помощью теоретического анализа с использованием аппарата матриц плотности, а также с помощью численных расчетов.

Ширина резонанса при его возбуждении двухфотонным методом определяется временем взаимной когерентности двух лазеров, создающих бихроматнческое поле. Если не принимать мер по стабилизации разностной частоты, то ширина резонанса будет сравнима с шириной спектра излучения лазеров. Предельная ширина двухфотоипого резонанса, определяемая временем жизни когерентности па исследуемом переходе, достижима только при высокой степени стабилизации разностной частоты.

Вторая глава посвящена созданию фазово-когерентного источника бихроматического поля, предназначенного для возбуждения узких резонансов КПН. Для стабилизации разностной частоты бихроматического ноля в источнике использовалось гребенка частот фемтосекундного лазера. В схеме источника была применена техника фазовой привязки лазеров к модам излучения фемтосекундного лазера с использованием цифрово-аиалоговых схем ФАПЧ. В этой главе после небольшого обзора существующих методов создания фазово-когерентного бихроматического поля изложена идея создания источника, обладающего рядом преимуществ перед известными схемами. Далее рассмотрена экспериментальная установка, реализующая такой бихромати-ческий источник. В качестве результатов главы представлены экспериментальные данные, характеризующие источник.

Большая часть исследований КПН традиционно проводится в щелочных атомах (Rb, Cs). В этих атомах возбуждается запрещенный переход между компонентам сверхтонкой структуры основного состояния. Переход не является оптическим — его частота лежит в радиочастотном диапазоне. По сравнению с редкоземельными атомами, обладающими большим расщеплением основного состояния, эти атомы очень хорошо изучены. Тем не менее, существенная часть настоящей работы относится к эффекту КПН в рубидии, поскольку новый источник бихроматического поля было необходимо опробовать на атомной системе с известными свойствами.

В третьей главе, продемонстрирована возможность использования бихроматического источника для возбуждения и регистрации резонансов КПН в атомных парах рубидия. При выборе атомной системы мы руководствовались как доступностью лазеров с нужными длинами воли, так и тем фактом, что эффект.

КПН в атоме рубидия хорошо изучен различными методами. В рубидии достижимы ширины резонанса КПН менее 50 Гц, возможность регистрировать такие узкие рсзонансы была стимулом к совершенствованию источника.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальной работы по фазово-когерентпому расширению гребенки частот фемтосскундного лазера в диапазон длин волн 672−686 им с помощью нелинейных оптических волокон. Работа велась с целью последующего использования расширенной гребенки для перестройки бихроматпческого источника на Л-систему атома самария.

4.3 Основные результаты главы 4.

Была проведена серия экспериментов по расширению гребенки непрерывного фемтосекундиого лазера в нелинейном оптическом волокне.

Спектр излучения от лазера MIRA-900 °F после нелинейных преобразований в волокне расширялся в суперконтинуум. Однако излучение приобретало сильную некогерентную шумовую составляющую. Спектр сигнала межмодовых биений этого излучения помимо частот, кратных частоте /гер, содержал широкополосный шум. Сигнал биений между излучением одпомодового полупроводникового лазера (786 нм) и полученным излучением зарегистрировать не удалось из-за некогереитной составляющей излучения.

При использовании фемтосекундиого лазера GigaJet гребенка также легко расширялась в супер континуум. Зарегистрирован его спектр, а также сигнал межмодовых биений расширенной гребенки. Некогерентная составляющая в этом случае отсутствовала. Биения между расширенной гребенкой и полупроводниковым лазером (768 нм) зарегистрированы па уровне 30 дБ над шумом, такой уровень сигнала дает возможность осуществлять надежную фазовую привязку к расширенной гребенке. Таким образом, на базе имеющихся технических наработок может быть создан бихромати-ческий источник для изучения высокодобротных резонансов КПН в самарии.

Все полученные результаты соответствуют общеизвестным фактам, приведенным в теоретической части главы.

Показать весь текст

Список литературы

  1. А. В., Матвеев А. Н., Соколов А. В., Канорский С. И., Колачевский Н. Н., Сорокин В. Н. Стабилизированный по фемтосекуидиой гребенке перестраиваемый лазерный источник // Краткие сообщения по физике. — 2003. — № 11. — С. 42.
  2. А. В. Лазерная спектроскопия нелинейных резонансов в самарии в присутствии столкновений.— Диссертация на соискание учёной степени к.ф.-м.п., М.: МФТИ (ГУ).— 2003.
  3. Е., Котылев В. j j Опт. и Спектр. — 1983. — Т. 54.
  4. А. Нелинейная оптика микроструктурированных волокон // УФК. 2004. — Т. 174. — С. 73.
  5. Н. Когерентная лазерная спектроскопия атомов водорода и рубидия.— Диссертация на соискание учёной степени д.ф.-м.н., М.: ФИАН. 2005.
  6. Л., Вольф Э. Оптическая когерентность и квантовая оптика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2000.
  7. К., Гино Б. Измерение времени. Основы GPS.— М: Техносфера, 2002.
  8. Ю. Системы фапч. лабораторная работа по курсу: Радиотехника. М.: МФТИ. — 2003.
  9. С. Введение в статистическую радиофизику.— М:"Наука", 1976.
  10. Н. Эксперименты с разнесенными осциллирующими иолями и водородными мазерами. // УФК — 1990. — Vol. 160. — Р. 91.
  11. И. Введение в теорию атомных спектров.— М. чФизматгиз, 1963.
  12. А., Акимов А., Колачевский Н., Матвеев А., Ките Р., Терещенко Е., и др. Бихроматическая когерентная спектроскопия атомных паров // Тезисы докладов, XXIII Съезд по спектроскопии, 17−21 октября, Звенигород, Звенигородский пансионат РАН. — 2005.
  13. А. Исследование резонансов когерентного пленения населенности в парах щелочных и редкоземельных металлов // Школа молодых ученых «Актуальные проблемы физики», 29 ноября 3 декабря, Звенигород. — 2004.
  14. С. Основы лазерной спектроскопии.— М.: МИР, 1987.
  15. Akimov А. VKolaehevsky N. N., Sokolov А. V., Matveev A. N., Kanorsky S. I., Sorokin V. N. Coherent bichromatic spectroscopy with phase-locked lasers // ICONO/LAT 2005, 11 15 May, St. Petersburg. — 2005.
  16. Akimov A. V., Kolaehevsky N. N., Sokolov A. V., Matveev A. N., Tereshenko E. O., Kondratev D. A., et al. Coherent population trapping with femtosecond laser // EGAS 2005, 3 6 August, Dublin.- 2005.
  17. Akimov A. VMatveev A. N., Sokolov A. VKanorsky S. I., Kolaehevsky N. N., et al. // Тезисы докладов XVII Конференции «Фундаментальная оптика и спектроскопия ФАС-2003», Звенигород. 2003.- Pp. 140−141.
  18. Akimov A. V., Matveev A. N., Sokolov A. V., Kolachevsky N. N., Sorokin V. N. Coherent bichromatic spectroscopy with femtosecond laser // ECONOS 2005, 10 12 April, Oxford, U.K. — 2005.
  19. Akimov A. V., Matveev A. N., Sokolov A. V., Sorokin V. N., Kanorsky S. I., Kolachevsky N. N. Bichromatic spectroscopy of coherent population trapping resonances with phase-locked fields // ECONOS 2004, Erlangen, 4−6 April. 2004.
  20. Akimov A. V., Matveev A. N., Sokolov A. V., Sorokin V. N., Kanorsky S. I., Kolachevsky N. N. Raman spectroscopy with femtosecond frequency comb // ECAMP VIII, 6−10 July, Rennes, France. 2004.
  21. Akimov A. V., Matveev A. N., Sokolov A. V., Sorokin V. N., Kanorsky S. I., Kolachevsky N. N. Bichromatic spectroscopy of coherent population trapping resonances with phase-locked fields // J. Raman Spectroscopy. 2005. — Vol. 36. — Pp. 123−128.
  22. D. // Proc. IEEE.- 1966, — Vol. 54.- P. 221.
  23. Alzetta G., Gozzini A., Moi L., Orriols G. High resolution experiments with spin-polarized atoms // Nuovo Cimento B. — 1976. — Vol. 36B, ser.2, no. 1. Pp. 5−20.
  24. Andreeva C., et al // Appl.Phys.B.- 2003.- Vol. 76.- Pp. 667 675.
  25. Arimondo E. Coherent population trapping // Progress in Optics / Ed. by Wolf. 1996. — Vol. XXXV. — Pp. 257−354.
  26. Arimondo E. Relaxation processes in coherent-population trapping // Phys. Rev. A.- 1996.- Vol. 54, no. 3.
  27. S., Nagel A., Wynands R., Meschede D. // Phys. Rev. A.— 1997, — Vol. 56, no. 1.- P. R1063.
  28. Brandt // ???- 2004.- Vol. ?? — P. ?
  29. Chang S., Minogin V. Density-matrix approach to dynamics of multilevel atoms in laser fields // Phys. Reports. — 2002. — Vol. 365, no. 2.
  30. Corwin K., Newbury N., Dudley J., Coen S., Diddams S., Weber K.- Windeler R. Fundamental noise limitations to supercon-tinuum generation in microstructure fiber // Phys. Rev. Lett — 2003.-Vol. 90.-P. 113 904.
  31. R. // Phys. Rev.- 1953.- Vol. 82.- P. 472.
  32. Edmonds A. Angular Momentum In Quantum Mechanics.— Princeton University Press, 1974.
  33. M. // IEEE J.Quantum Electron.- 1992, — Vol. 28.-P. 2631.
  34. Hall J., Long-Sheng M., Kramer G. Principles of optical phase-locking: Application to internal mirror He — Ne lasers phase-locked via fast control of the discharge current // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1987. — Vol. 23, no. 4. — Pp. 427−437.
  35. R. — Диссертация на соискание учёной степени PhD, Max-Planck-Institut fur Quantenoptik, MPQ 268.- 2001.
  36. Kargapoltsev S., Kitching J., Hollberg L., Taichenachev A. V., Velichanski V. L., Yudin V. I. High-contrast dark resonance in cr+ a- optical field // Laser Phys. Lett — 2004. — Vol. 1. — P. 495.
  37. Kelley P., Harshman P., Blum, O., Gustafson T. // J. Opt. Soc. Am. В.- 1994. -Vol. 11.-P. 2298.
  38. Knappe S., Liew L., Shah V., Schwindt P., Moreland J., Hollberg L., Kitching J. A microfabricated atomic clock // Appl. Phys. Lett. 2004. — Vol. 85. — P. 1460.
  39. Knappe S., Schwindt P., Shah V., Hollberg L., Kitching J., Liew L., Moreland J. A chip-scale atomic clock based on 87Rb with improved frequency stability // Opt. Exp. 2005. — Vol. 13.- P. 1249.
  40. Kolachevsky N., Fischer M., Karshenboim S., H’dnsch T. High-precision optical measurement of the 2S hyperfine interval in atomic hydrogen // Phys. Rev. Lett. 2004. — Vol. 92.- P. 33 003.
  41. M., Widiyatomoko В., Takeuchi Y., Ohtsu M. // IEEE J. Quantum Electron, 1995. — Vol. 31. — P. 2120.
  42. Liu K., Littman M. G. Novel geometry for single-mode scanning of tunable lasers // Opt. Lett. 1981. — Vol. 6.- P. 117.
  43. Morgner U., et al. Sub-two cycle pulses from a kerr-lens modelocked Ti: sapphire laser // Opt. Lett. 1999. — Vol. 24, no. 6. — Pp. 411 413.
  44. N., Kourogi M., Ohtsu M. // Appl.Phys.B.- 1993.-Vol. 57.-P. 425.
  45. Nikonov D., Rathe JJ., Scully M., Zhu S., Fry E., et al Ц Quantum Opt.- 1994.-Vol. 6.-P. 245.
  46. Т. Schibli, О. Kuzucu, J. Kim, E. Ippen, J. Fujimoto, F. Kaertner, V. Scheuer, G. Angelow // IEEE J. Set Top. Quantum. Electron. — 2003.-Vol. 9.-Pp. 990−1001.
  47. D., Fleischhauer A., Mair A., Walsworth R., Lukin M. // Phys.Rev.Lett. 2001. — Vol. 86. — P. 783.
  48. Prevedelli M., Freegarde Т., Hansch T. Phase locking of grating-tuned diode lasers // Appl. Phys. B. 1995. — Vol. 60. — P. 241.
  49. Sokolov A. V., Akimov A. V., Tereshenko E. O., Kondratjev D. A., Samokotin A. Y., Chebakov K. A., et al. Comb-based bichromatic spectroscopy in rb vapor // ЮАР 2006, Book of Abstracts, 16−21 July, Congress Innsbruck. — 2006. — P. 526.
  50. Stabler M., Wynands R., Knappe S., Kitching J., Hollberg L., Taichenachev A., Yudin V. Coherent population trapping resonances in thermal Rb-85 vapor: D-l versus D-2 line excitation // Optics Letters. 2002. — Vol. 27. — P. 1472.
  51. Sutter D., et al. Semiconductor saturable-absorber mirror-assisted kerr lens modelocked Ti: sapphire laser producing pulses in the two-cycle regime // Opt. Lett. 1999. — Vol. 24, no. 9. — P. 631.
  52. Taichenachev A. V., et. al. // Phys. Rev. Lett. 2006. — Vol. 96. -P. 83 002.
  53. Taichenachev A., Yudin V., Velichansky V., Zibrov A., Zibrov S. Pure superposition states of atoms generated by a bichromatic el-liptically polarized field // Phys. Rev. A.- 2006.- Vol. 73.-P. 13 812.
  54. H., Meschede D., Hansch T. // Opt.Lett 1990. — Vol. 15. -P. 532.
  55. Udem Т., Reichert J., et.al. // Freq. Measurement and Control Topics Appl.Phys. 2001. — Vol. 79. — Pp. 275−294.
  56. Weis A. High resolution experiments with spin-polarized atoms // Book of Technical Digest IQEC 2002, YSuAl, Moscow, Russia.-2002.
  57. R., Nagel A. // Appl Phys. В.- 1999.- Vol. 68.- P. 1.
  58. Ye J., Cundiff S. T. Femtosecond Optical Frequency Comb Technology. — Springer, 2005.
  59. N., Korn G. // Phys. Rev. Lett. 2002. — Vol. 88.-P. 203 901.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?