Содержание
Введение 2
1 Структура оператора радиационной релаксации. 15
1.1 Модель взаимодействия электромагнитной волны с вырожденным трехуровневым атомом У-типа................................................... 18
1.2 Общий вид оператора радиационной релаксации.............................20
1.3 Оператор радиационной релаксации вблизи поверхности металла............ 30
2 Интерференционные эффекты в невырожденных системах. 38
2.1 Основные уравнения......................................................39
2.2 Исследование динамики атомных состояний и полной интенсивности
резонансной флуоресценции............................................... 43
2.3 Подавление спонтанного излучения........................................47
2.4 Спектры резонансной флуоресценции.......................................53
3 Интерференционные эффекты для вырожденных систем. 61
3.1 Уравнения движения атома в поле произвольного поляризационного состава. 63
3.2 Спектры резонансной флуоресценции...................................... 65
3.3 Свойства рассеянного излучения: угловые и поляризационные характери-
стики интенсивности резонансной флуоресценции для О-лжияя щелочных металлов................................................................ 69
3.4 Возможность экспериментального наблюдения.............................. 75
3.5 Исследование спектров резонансной флуоресценции П-линии паров
щелочных металлов....................................................... 78
4 Заключение. 87
1
Введение
Исследование процессом спонтанного испускания возбужденных атомов, анализ спектрально-угловых, поляризационных, пространственных и др. характеристик рассеянного излучения имеют как общетеоретический интерес, связанный с изучением новых явлений и их характеристик, так и практический интерес в таких областях как лазерная спектроскопия, диагностика плазмы, сонолюминпсцелция и др., а также в других задачах, связанных с рассеянием лазерного излучения.
Последнее время большой интерес вызывают исследования процессов квантовой интерференции при спонтанном испускании атомов для двух и более блкзлежагцих состояний [SOJ • [Щ- Это связано с тем, что интерференционные процессы для таких систем могут приводить к многочисленным и разнообразным эффектам, которые могут иметь важные практические приложения. Процессы квантовой интерференции при спонтанном испускании относятся к интерференционным процессам типа Фано (Fano) [9] и обусловлены тем, что распад происходит в общий континуум при этом система приходит в одинаковое конечпое. состояние. В работе [9] было впервые показано, что в этом случае оператор релаксации будет содержать недиа! опальные элементы. В работе [10], нсдиагональные элементы оператора релаксация были получены в аналогичном виде при рассмотрении задачи о взаимодействии пересеченных кваэистационарных уровнях со сплошным'спектром. В аналогичном виде в работе (11) был получен оператор обменного взаимодействия одно-иуклоиных квазистационарных состояний. В последнее время интерес к рассмотрению интерференционных эффектов при спонтанном испускании возник в связи с работами Харриса (Harris) я Имамогау (Imamoglu) [55] - [57], которые показали возможность создания лазера без инверсии населенностей в том случае, когда два возбужденных состояния взаимодействуют с общим квантованным полем излучения. При
2
этом изменение в профилей поглощения и усиления было обусловлено недиагональными членами в операторе релаксации. Исследование генерации без инверсии населенностей, обусловленное эффектами квантовой интерференции для трехуровневой среды Г-типа, также проводилось в статьях (59-61). Отметим, что существенное изменение профиля поглощения и усиления возможно и для двухуровневого атома в сильном поле, при этом может иметь место усиление резонансных фотонов вблизи частот, отстроенных от центральной компоненты на частоту Раби (6,7,12-15). Об экспериментальном наблюдении этого факта в радиочастотном диапазоне сообщалось в работе (16), а в оптическом в [17J. Также укажем, «гго возможность усиления без инверсии населенностей на других схемах также обсуждалась, например, в работах (18 20) при рассмотрении трехуровневого атома Л-типа. для которого эффекты квантовой интерференции не имеют места.
В последующих работах, посвященных исследованию процессов квантовой интерференции было показано большое число разнообразных эффектов. Первым в этом ряду следует выделить эффект сужения спектральной линии. Впервые он был показан Zhou и Swain в (50) при рассмотрении распада возбужденных состояний для трехуровневого атома Г-типа. Этот эффект, а также возможность наблюдения так называемой "темной”линии рассматривалась в работах (62), (70) - (75). В работе [50.51,72] было указано на возхюжность подавления спонтанного излучения. В работе (52) этот эффект был экспериментально подтвержден для переходов в молекуле натриевого димера. Возникновение квантовых биений населенности при распаде возбужденных состояний рассматривалось в работах (65) - (69). Также проводились исследования процессов квантовой интерференции в том случае, когда атом находится лазерном поле как в монохроматическом, так и Ангармоническом. Рассматривалась возможность когерентного пленения населенности в бигармоническом лазерном поле [51,53,54], кроме того, в работах Мартинеза (Martinez) и Найта (Knight) было показано, что для таких систем форма линий
будет аїльно зависеть от разности фаз возбуждающих полей [81] - [84]. D работах [82] - [84] исследовалась возможность управления интенсивностью спонтанного излучения с помощью фаз лазерных полей и времени их включения.
Для возникновения интерференции необходимо минимум два с коррелированных пути, при Этом влияние интерференционных процессов на свойства радиационной релаксации возбужденных состояний возможно в только том случае, когда система приходит в одинаковое конечное состояние. Простейшей системой такою рода является невырожденный трехуровневый атом V-тишц уже для которого проявляются вес выше описанные эффекты. К настоящему времени исследования процессов квантовой интерференции связаны именно с анализом данной модели и ее модификаций: добавление дополнительных уровней в различных конфигурациях, взаимодействие с несколькими возбуждающими нолями н т.д. . Однако необходимо отметить, что такая система является модельной и не учитывает многие характеристики реальных физических систем, которые важны, как для практических приложений гак и существенно и изменяют само рассмотрение интерференционных процессов. К недостаткам моделей такого типа следует отнести то, что они не учитывают возможное вырождение уровней, угловой и поляризационный состав возбуждающего и спонтанного излучения, кроме того дипольный момент переходов полагается скалярной величиной. При этом существенную трудность представляет собой обоснование как условий, при которых возникновение интерференционных процессов возможно, так и относительного вклада интерференционных членов для различных характеристик. В приведенных выше работах условием, при хогором возможно возникновение процессов квантовой интерференции, принимается неортогоналыюегь ( в цдеале параллельность) векторов дилольпых моментов переходов !&5), [70), J80J, [68], [69]. Как будет показано в диссертации, при рассмотрении более полной модели, данное условие не является достаточным.
4
Таким образом, анализ интерференционных процессов при спонтанном испускании для реальных физических систем, учитывающий вырождение уровней, поляризационный состав возбуждающей волны, поляризацию рассеянного излучения и сравнение результатов исследований с модальными системами, приобретает особый интерес.
Целью данной работы являлось изучение интерференционных процессов при спонтанном испускании возбужденных состояний для трехуровневых атомов Г-типа как для невырожденных, так и с учетом вырождения уровней по проекции магнитного момента- Анализ их влияния на динамику атомных населенностей, на угловое распределение, полную интенсивность, поляризационный состав и спектры резонансной флуоресценции. В рамках этого направления решались следующие задачи.
- Расчет и исследование структуры оператора радиационной релаксации для вырожденного атома Г-тишц учитывающая интерференционные процессы при спонтанном испускании. Разработка аппарата атомной и атомно-фотонной матрицы плотности для таких сисгех!, учет влияния интерференционных эффектов на угловое распределение и спектры резонансной флуоресценции.
- Исследование интерференционных процессов при спонтанном испускании для невырожденных атомных систем Г-типа. Подробный анализ влияния интерференционных эффектов на динамику атомных населенностей и спектры резонансной флуоресценции.
- Детальное исследование интерференционных эффектов при спонтанном испускании на примере О-лииии паров щелочных металлов. Анализ динамики атомных населенностей, спектров резонансной флуоресценции, углового распределения интенсивности и полной интенсивности спонтанного свечения атомов.
Научная новизна, представленной работы состоит в следу ющем:
1. Получена общая структура оператора радиационной релаксации для вырожденных атомных систем Г-типа, учитывающая процессы квантовой интерференции
5
при спонтанном испускании. Показано, что при определенных условиях вклад интерференционных эффектов может приводить к существенному изменению вида релаксационного оператора Указаны условия, при которых интерференционные процессы необходимо учитывать.
2. Проведено подробное исследование влияния процессов квантовой интерференции на динамику населенностей, полную интенсивность и спектры резонансной флуорес-ценцик ДЛЯ невырожденных трехуровневых слсгем І'-типа. Показано, что вклад интерференционных эффектов для таких систем может приводить к качественному изменению как динамики населенностей атомных состояний, так и поведения полной интенсивности и спектров резонансной флуоресценции. Получены соотношения параметров, при которых спонтанное испускание окажется полностью подавленным.
3. Произведено расчетно-тооретнческое моделирование резонансной флуоресценции для £>-линии щелочных металлов, в поде монохроматической волны произвольного поляризационного состава. Показано, что в отличие от структуры оператора радиационной релаксации, вклад интерференционных эффектов в угловое распределение интенсивности и Спектры спонтанного излучения необходимо учитывать и для систем в обычных условиях.
4. Предсказан эффект уменьшения интенсивности резонансной флуоресценции с ростом напряженности линейно поляризованной волны накачки, при наблюдении в направлении вектора Ец возбуждающего иопя. Проанализирована возможность экспериментального наблюдения указанного эффекта с учетом влияния стодкновителыюго затухания и распределения поля воины накачки п<? сечению пучка.
Защищаемые положения.
1. Общая структура и вывод оператора радиационной релаксации, учитывающая эффекты квантовой интерференции при спонтанном испускании, для вырожденных атомных
6
систем У-типа с произвольными значениями полного момента уровней. Условия, при которых вклад интерференционных процессов в структуру оператора релаксации и уравнения движения атома необходимо учитывать. Одним из основных условий является неизотропность плотности состояний электромагнитного ноля. Результат исследования неизотропной плотности состояний электромагнитного поля вблизи металлической поверхности на структуру оператора радиационной релаксации на примере £)-ликии паров щелочных металлов.
2. Результаты численного расчет резонансной флуоресценции газа невырожденных трехуровневых атомов Р-тина с учетом интерференционных процессов при спонтанном испускании. Аналитически получены условия при которых возможно полное подавление спонтанного излучения для таких систем.
3. Модификации углового распределения интенсивности, спектров и поляризационных характеристик резонансной флуоресценции для вырожденных трехуровневых систем V-типа, обусловленная интерференционными процессах!» при спонтанном испускании .
4. Результаты расчетно-теоретического исследования резонансной флуоресценции для О-лииии паров щелочных металлов, учитывающие интерференционные процессы. Теоретически предсказан эффект уменьшения интенсивности резонансной флуоресценции с рослом напряженности линейно поляризованной волны накачки, при наблюдении в направлении вектора Еь возбуждающего поля.
Практическая и научная ценность.
Разработан аппарат атомной и атимно-фотонной матрицы плотности, учитывающий интерференционные процессы при спонтанном испускании. Показано, что интерференционные эффекты изменяют угловое распределение и спектры резонансной флуоресценции. Для случая неизотропиой плотности состояний электромагнитного поля указано на необходимость учета интерференционных процессов в уравнениях движения
- Київ+380960830922