Поляризационные свойства сигналов фотонного эха в парах молекулярного йода

4
17
18
21
ЗО
35
36
43
54
55
55
63
70
74
86
89
93
94
95
100
104
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.
Особенности формирования фотонного эхо в газах. Поляризационные свойства фотонного эха в газовых средах. Поляризационные свойства стимулированного фотонного эха в газе при наличии продольного однородного магнитного поля. Физические принципы построения ассоциативной оптической памяти.
Влияние внутреннего движения атомов или молекул на формирование сигналов фотонного эха.
Методика расчетов параметров фотонного эха.
Известные способы возбуждения фотонного эха в газовых средах Формулировка задач диссертационного исследования.
Аппаратура и методика измерений в экспериментах по фотонному эхо в парах молекулярного йода.
Оптический дистанционно перестраиваемый эхо-спектрометр. Модернизированная экспериментальная установка для исследования пространственно-временных и поляризационных свойств сигналов фотонного эха.
Аппаратура и методика исследования поляризационных свойств фотонного эха в йоде под действием магнитного поля.
Кюветы для исследования свойств фотонного эха и методики их заполнения молекулярным йодом.
Многократное фотонное эхо в парах молекулярного йода. Контрольно-измерительная аппаратура и методика измерений в экспериментах по фотонному эха в парах молекулярного йода. Выводы.
Поляризационные свойства фотонного эха в парах молекулярного йода в магнитном поле.
Эффект нефарадеевского поворота вектора поляризации первичного фотонного эха в молекулярном йоде.
Эффект нефарадеевского поворота вектора поляризации стимулированного фотонного эха в молекулярном йоде.
Визуальный метод идентификации типа ветви квантового перехода на основе эффекта нефарадеевског о поворота вектора поляризации фотонного эха.
109
111
111
113
114
118
124
125
128
130
133
134
136
137
3
Выводы.
Эффект сопряжения поляризационных и амплитудно-временных свойств фотонного эха в газе и его применение.
Введение.
Корреляция временной формы сигнала фотонного эха в молекулярном йоде.
Эффект корреляции формы сигнала первичного фотонного эха Эффект корреляции формы сигнала стимулированного фотонного эха.
Свойство ассоциативной оптической памяти на основе фотонного эха.
Теоретическое обоснование эффекта ассоциативности фотонного эха на основе сопряжения поляризационных и амплитудновременных свойств фотонного эха в молекулярном газе. Экспериментальное обнаружение эффекта ассоциативности фотонного эха с использованием сочетания поляризационных и амплитудно-временных свойств.
Физический принцип построения оптического эхо-процессора. Выводы.
Заключение.
Примечание.
Литература.
4
ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена совершенствованию аппаратуры и методики эксперимента по фотонному эхо, экспериментальному исследованию поляризационных свойств сигналов фотонного эхо (ФЭ) в парах молекулярного йода как при воздействии однородного продольного магнитного поля, так и в сопряжении с амплитудно-временными свойствами.
Актуальность темы. Изящность физики ФЭ, многоплановость его свойств [1] позволяют использовать его не только для создания техники спектроскопии сверхвысокого разрешения [2], но и для разработки оригинальных принципов оптической обработки информации [3]. Изучению физики явления ФЭ, из которой вытекают его информативные свойства, формирующие фундаментальные основы для разработки физических принципов построения квантовых вычислительных систем [4,5] и квантово-оптических информационноизмерительных технологий [6] посвящена настоящая диссертация. Вопросам исследования сигналов ФЭ посвящен ряд монографий отечественных [1-6] и зарубежных [7-8] авторов.
В газовых средах процессы формирования оптических когерентных откликов, к числу которых относится ФЭ, качественно отличаются от их аналогов в твердом теле. В газовых средах чрезвычайно существенными являются упругие столкновения резонансных атомов (молекул) между собой. Эти столкновения приводят как к изменению скорости, ориентации резонансных атомов (молекул), так и к их перераспределению по зеемановским подуровням вырожденных резонансных уровней. В связи с этим описание необратимой релаксации резонансного перехода и резонансных уровней с помошыо времен продольной и поперечной релаксации является весьма грубым приближением. С этих позиций учет поляризационных свойств сигналов ФЭ в газовых средах становится принципиальным, а экспериментальное исследование таких свойств представляє гея актуальным.
5
Следующая причина, по которой можно отнести тему диссертации к актуальной, является исследование возможности применения газовых сред в качестве рабочего вещества для записи эхо-голограмм и оптических эхо-процессоров. Впервые, возможность применения молекулярного йода в качестве носителя информации была продемонстрирована при обнаружении эффектов корреляции формы сигналов ФЭ с формой одного из возбуждающих импульсов.
Наконец, число эхо - экспериментов в газовых средах невелико, поэтому каждый новый эксперимент (и, тем бол ее, - цикл экспериментов) в этой области представляется важным.
Цель и задачи исследований.
Цель диссертационной работы заключается: в разработке аппаратуры, реализации экспериментов по исследованию поляризационных и амплитудновременных свойств сигналов ФЭ в парах молекулярного йода и анализе полученных результатов. Для достижения этой цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
1. Разработка оптического перестраиваемого эхо-спектрометра газовых сред (в частности паров молекулярного йода) с уникальным режимом формирования возбуждающих импульсов.
2. Разработка методик и проведение экспериментов по изучению поляризационных свойств молекулярного газа в продольном однородном магнитном поле.
3. Экспериментальное исследование характеристик нефарадеенекого поворота вектора поляризации ФЭ в парах молекулярного йода применительно к возможности идентификации типа ветви энергетического перехода.
4. Экспериментальное исследование свойств ассоциативной выборки информации в технике ФЭ в парах молекулярного йода
6
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач был разработан эхо-спектрометр для исследования свойств ФЭ в газовых средах, а также использованы методы квантовой механики, математического анализа, дифференциальных уравнений, линейной алгебры, статистического анализа, численные методы и методы математического моделирования.
Научная новизна работы.
1. Создан оригинальный оптический эхо-спектрометр, отличающийся от известных спектрометров способом формирования последовательности разнесенных во времени трех и более коллинеарных лазерных импульсов с персонально заданными параметрами: длительностью, поляризацией, временной формой и интервалами следования импульсов. Временные интервалы между возбуждающими формируются за счет применения коаксиальной и биокси-альной линий временных задержек высоковольтных импульсов включения активной модуляции добротности резонаторов излучающих лазеров.
2. Впервые экспериментально обнаружен эффект поворота вектора поляризации стимулированного фотонного эха (СФЭ) в молекулярном газе под воздействием продольного однородного магнитного поля.
3. Экспериментально обнаружено характерное проявление закономерностей нефарадеевского поворота векторов поляризации первичного фотонного эха (ПФЭ) и СФЭ, специфичных для различных типов ветви оптического квантового перехода, на основе которых предложен и экспериментально реализован новый метод идентификации типа ветви оптического квантового перехода молекулярного йода.
4. Впервые экспериментально показана возможность записи на паре квантовых уровней молекулярного йода информации с двумя релевантными признаками: временной формой и поляризацией. Обнаружено свойство ассоциативной оптической памяти молекулярного газа на основе явления ФЭ.
Практическая ценность работы. Результаты исследований находят практическое применение в лазерной поляризационной эхо-спектроскопии, при идентификации типа ветви энергетического перехода резонансного газа, а также в технике лазерного эксперимента при формировании строенных лазерных импульсных последовательностей. Обнаруженный эффект нефарадеевского поворота вектора поляризации сигналов первичного и стимулированного ФЭ перспективен при разработке новых приборов дистанционного контроля напряженности магнитного поля (например, высоковольтных измерительных трансформаторов тока) и фазовых дальномеров с оптической памятью. Обнаруженные ассоциативные свойства ФЭ формируют основу для создания новых принципов организации, записи, хранения и считывания информации в оптических эхо-процессорах специального назначения.
Реализация результатов работы. Цикл исследований, изложенных в диссертации, выполнен в Марийском государственном университете в рамках:
- исполнения гранта РФФИ № 96-02-18223а (1996-1998 г.) согласно про-екгу «Поляризационные свойства фотонного эха в электрическом и магнитном поле»;
- исполнения гранта РФФИ № 00-02-16234а согласно проекту «Деполяризующие столкновения и информативные свойства фотонного эха в парах молекулярного йода в режиме лазерного охлаждения»;
- исполнения Научно-технической программы «Фундаментальные исследования высшей школы в области естественных наук. Университеты России» 2000 г. согласно проекту «Пространственно-временные и поляризационные свойства фотонного эха в постоянном продольном магнитном поле в парах молекулярного йода» (код проекта 015.01.01.68).
- исполнения приказа Гособразования СССР, № 691 от 25.08.89г. в рамках Государственной программы «Оптические процессоры» согласно проекту «Разработка физических принципов оптического эхо-процессора";
8
- исполнения распоряжения Комитета высшей школы РФ от 15.02.93. №834 в рамках научно-технической программы «Оптический процессор» согласно проекту «Физические принципы построения оптического газового процессора на фотонном эхо»;
- Заказ наряда Комитета высшей школы РФ 1992-1995 годов по теме «Когерентная спектроскопия газов»;
- Заказ наряда 1996 года по теме «Электрофизические особенности формирования фотонного эха в газе»;
- Заказ наряда Министерства образования РФ 2000 года по теме «Лазер ное охлаждение материалов, нагреваемых при выработке и передаче электрической энергии»;
- Научно-технической программы «Сверхбыстродействующая оптическая вычислительная машина» 1990 г. согласно проекту «Исследование возможности создания ассоциативной оптической памяти на фотонном эхо».
Достоверность.
Достоверность полученных результатов гарантирована надежностью использованной аппаратуры и надежностью методики получения экспериментальных данных. Эти данные всегда соотносились с результатами экспериментов на других энергетических переходах и всегда имело место согласование по порядку значений.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на III Всесоюзном симпозиуме по световому эхо и спектроскопии (Харьков, 1985), I городской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (Йошкар-Ола, 1986), III Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлектронике «Проблемы оптической памяти» (Ереван, 1987), на VI Всесоюзном симпозиуме «Световое эхо и пути его практических применений» (Куйбышев, 1989), на VI Всесоюзной конференции по голографии (Витебск, 1990), на Всесоюзной конференции «Проблемы оптической памяти» (Москва, 1990), на
9
XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Jle-нинград ,1990), на III ,IV и V Симпозиуме по фотонному эха и когерентной спектроскопии (Волга-Лазер-'Гур, 1993, 1995 ,Москва,1996), на V Международной конференции “Laser Physics” (Москва, 1996), па I Всероссийских междисциплинарных научных конференциях “Вавиловские чтения” в физической секции (Йошкар-Ола, 1996), на XXVII Международной конференции «Lasers’99» (Quebec, Quebec, USA, 1999), на VI Международном симпозиуме “Photon echo and coherent spectroscopy” (Йошкар-Ола, 1997), на VIII Международных Чтениях по квантовой оптике «IRQO'99» (Казань, 1999).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 30 научных публикациях среди которых имеются 16 статей в рецензируемых зарубежных и отечестве иных научных журналах.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа объёмом 146 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 44 рисунка, 1 таблицу. Список литературы включает 120 наименований.
Защищаемые положения.
1. Оригинальный дистанционно перестраиваемый в видимой области спектра излучения эхо-спектрометр со способом формирования многократной последовательности вдоль одной оптической оси разнесенных во времени лазерных импульсов с персонально заданными параметрами: длительностью, поляризацией, временной формой и интервалами следования импульсов, обеспечивающий условия для проведения исследований свойств ФЭ.
2. Методика экспериментальных исследований поляризационных свойств ФЭ в парах молекулярного йода при воздействии продольного однородного магнитного поля обеспечивается благодаря специально разработанной оригинальной конструкции кюветы за счет поворота плоскости поляризации выход-
10
ной призмой Глана без изменения давления паров и устранению влияния деполяризующих факторов на торцах кюветы.
3. Экспериментальное обнаружение эффекта нефарадеевского поворота вектора поляризации СФЭ, формируемого в продольном однородном магнитном поле на электронном переходе колебательно-вращательной полосы паров молекулярного йода.
4. Визуальный метод идентификации типа ветви оптического квантового перехода па основе сопоставления углов нефарадеевского поворота векторов поляризации сигналов первичного и стимулированного ФЭ, одновременно формируемых в парах молекулярного йода.
5. Эффект ассоциативности ФЭ на основе сочетания его поляризационных и амплитудно-временных свойств как принцип построения ассоциативной оптической памяти.
6. Экспериментальное обнаружение многократного фотонного эха (МФЭ) в газе, формируемого в продольных бегущих волнах импульсного возбуждающего излучения и его условие пространственного синхронизма.
Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, направление исследований и основные научные положения, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, кратко изложено содержание диссертационной работы.
В первой главе кратко изложен исторический обзор работ по ФЭ, приведены основные принципы формирования ФЭ в газах. Сформулированы условия, необходимые для формирования ФЭ в газовых средах. Вводятся основные понятия, используемые в диссертации для описания полученных экспериментальных результатов.
Вторая глава посвящена описанию оптического эхо-спектрометра для исследования газовых сред. Его отличительной особенностью является применение формирователя многократной последовательности лазерных импульсов
11
накачки твердотельного лазера, временной интервал между импульсами которого задается временными задержками высоковольтных электрических импульсов напряжения, управляющих включением активной модуляции добротности резонаторов грех YAG лазеров. Временные сдвиги электрических импульсов регулируются коаксиальной и биоксиапьной линиями задержек. Вторая гармоника грех и более разнесенных во времени и в пространстве гигантских лазерных импульсов посредством зеркал и цилиндрической линзы фокусируются в кювету с красителем вдоль оптической оси перестраиваемого лазера на красителе (ПЛК). Таким образом, на выходе ПЛК получили три и более разнесенных во времени коллинеарных лазерных импульса с одинаковыми спектральными характеристиками, так как все они формировались в одном резонаторе ПЛК. Достоинством экспериментальной установки является наличие дистанционного автоматизированного управления поворотом дифракционной решетки резонатора жидкостного лазера, то есть автоматизированной перестройки частоты оптического эхо-спектрометра, а также применение видеокамеры, монитора и видеомагнитофона для визуального наблюдения и записи осциллограмм экспериментальных исследований. В данной главе описана также методика регистрации иефарадеевского поворота вектора поляризации ФЭ и методики заполнение кюветы парами молекулярного йода. В этой главе описано обнаружение мнокократного фотонного эха (МФЭ) в молекулярном йоде и условия его пространственного синхронизма.
В третьей главе приводятся результаты первого обнаружения эффекта не-фарадеевского поворота вектора поляризации первичного и стимулированного ФЭ в газе (на примере паров молекулярного йода) под воздействием продольного однородного магнитного поля. В данной главе также описан впервые предложенный и экспериментально реализованный визуальный метод идентификации типа ветви энергетического квантового перехода, основанный на одновременном наблюдении и сравнении соотношения интенсивностей МФЭ и
12
СФЭ в газе, формируемых под воздействием продольного однородного магнитного поля.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований поляризационных закономерностей формирования ФЭ в газе в сопряжении с его амплитудно-временными свойствами, на основе которых показана возможность оптической обработки информации, предварительно записанной на паре оптических квантовых уровней резонансной среды. Описывается принцип представления информации, обрабатываемой в технике ФЭ. В этом случае информация первого возбуждающего импульса (импульса-кода), представляется двумя функциями (поляризации и амплитудно-временной формы) имеющими взаимно исключающие значения. Путем задания во втором (считывающем) возбуждающем импульсе поляризационного признака, содержащегося в искомой двумерной информации, представляемой одним из значений поляризационной и амплитудной временной функцией, получено считывание этой информации в сигнале ФЭ. Таким образом, обнаружено свойство ассоциативной оптической памяти газа на основе явления ФЭ.
В Заключении приводится обсуждение полученных в диссертационной работе результатов.
Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:
1. Попов И.И., Бикбов И.С. Экспериментальная установка для исследования оптических переходных явлений в газовых средах //III Всесоюзный симпозиум по световому эхо и спектроскопии: Тез. докл. - Харьков, 1985. -с.142.
2. Попов И.И., Бикбов И.С. Применение светового эхо в газах для оптической обработки информации //111 Всесоюзная конференция но вычислительной оптоэлектронике "Проблемы оптической памяти": Тез. докл. -Ереван, 1987. - с. 141 -142.