Новые квантовые радиооптические системы и методы измерения слабых магнитных полей

2
ОГЛАВЛЕНИИ
ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................6
1. КРАТКИЙ ОБЗОР РАДИОСПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КВАНТОВОЙ МАГНИТОМЕТРИИ.....................................................................................19
1.1. Двойной РАДИООПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС И ОПТИЧЕСКАЯ ОРИЕНТАЦИЯ АТОМНЫХ И ЯДЕРНЫХ МОМЕНТОВ. ...20
1.1.1. Элементарная теория оптической накачки...............................................30
1.1.2 Релаксация и сдвиги уровней при оптической накачке....................................32
1.2. Виды ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКИ...................................................................38
1.2.1. Поляризационная накачка..............................................................39
1.2.2. Спектрально-селективная накачка......................................................41
1.2.3. Метод спинового обмена...............................................................42
1.2.4. Обмен метастабшьностью...............................................................43
1.2.5. Метод спин-селективной ионизации.....................................................44
1.3. Теория поведения магнитного момента во внешнем магнитном поле.............................45
1.3.1. Виды сигналов магнитного резонанса...................................................50
1.3.2. Переходные процессы и нестационарные отклики.........................................52
1.3.3. Квантовомеханическое (полукпассическое) рассмотрение задачи о взаимодействии двухуровневой системы с внешним полем...............................................................57
1.4. Механизмы релаксации магнитного момента...................................................59
1.4.1. Неоднородность внешнего магнитного поля..............................................59
1.4.2. Спин-обменные процессы...............................................................60
1.4.3. Угиирение радиочастотным полем.......................................................61
1.4.4. Релаксация при столкновениях со стенками ячейки......................................61
1.4.5. Релаксация при столкновениях с атомами буферного газа................................62
1.4.6. Релаксация, индуцированная светом накачки............................................64
1.5. Многобайтовые (многофотонные) процессы....................................................65
1.6. Применения оптической накачки и двойного резонанса в магнитометрии........................71
1.6.1. Квантовые магнитометрические устройства и их основные метрологические характеристики. ..71
1.6.2. Самогеиерирующий цезиевый магнитометр................................................78
1.6.3. Магнитометр на переходе в сверхтонкой структуре (СТС-магнитометр)....................82
1.6.4. Ядерный гелиевый магнитометр.........................................................84
1.6.5. Магнитометр на4Не с оптической накачкой..............................................86
1.6.6. Щелочно-гелиевы й магнитометр........................................................87
1.6.7. Калиевый магнитометр на изолированной узкой линии....................................87
1.6.8. М.-Мх тандем.........................................................................94
1.6.9. Калиевый магнитометр на узкой линии с подавленным спин-обменным уширением............95
1.6.10. Магнитометры на многофотонных переходах.............................................97
1.6.11. Проекты магнитометра на уффектг ояектроиндуцированной прозрачности..................98
з
1.6.12. Проекты магнитометра па эффекте когерентного пленения населенностей...........100
1.6.13. Магнитометр на эффекте нелинейного магнитооптического вращения................102
1.6.14. Проект магнитометра на «квантовых биениях» с когерентным возбуждениеw уровней зеемановскои структуры...........................................................104
1.6.15. Перспективные направления квантовой магнитометрии с использованием методов квантовой оптики и лазерного охлаждения атомов.............................................106
1.6.16. Векторная магнитометрия с использованием квантовых датчиков...................107
1.7. Выводы.............................................................................111
2. МАГНИТНЫЙ MX-РЕЗОНАНС И ДОСТИЖЕНИИ ПРЕДЕЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ В СХЕМЕ МХ-МАГ ПИТОМЕТРА.....................................................................112
2.1. Оптимизация фактора качества магнитного Мх-резонанса в условиях оптической накачки 112
2.1.1. Теоретическое рассмотрение.....................................................114
2.1.2. Эксперимент..............................................................................................і 33
2.1.3. Выводы.........................................................................138
2.2. Эффективность оптической накачки и сдвиг частоты магнитного резонанса основного СОСТОЯНИЯ КАЛИЯ В СХЕМЕ Мх-МАГНИТОМЕТРА. ЛАЗЕРНАЯ НАКАЧКА И ДЕТЕКТИРОВАНИЕ МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА............................................................................139
2.2.1. Лазерная накачка магнитных подуровней и детектирование магнитного резонанса....141
2.2.2. Схема накачки магнитного резонанса в калии на основе стабилизированного Ga-As лазера с внешним резонатором..............................................................142
2.2.3. Оптическая схема стабилизации диодного лазера и спектр насыщенного поглощения У)К. 149
2.2.4. Экспериментальное определение плотности паров калия............................153
2.2.5. Лазерная накачка и детектирование магнитного резонанса в 19К...................159
2.3. Экспериментальная демонстрация разрешающей способности квантовой магнитометрической Mx-СХЕМЫ С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ.......................................................165
3. НОВЫЕ СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАГНИТНОГО Мх-РЕЗОНАНСА...............................................................................177
3.1. Способы захвата и привязки к Мх-рнзонансу в быстро меняющемся поле.................177
3.2. Контроль формы линии Мх-резонанса в нестабильном поле методом инвариантного отображения СИГНАЛА СПИНОВОЙ ПРЕЦЕССИИ...........................................................194
4. МНОГОКВАНТОВЫЕ РЕЗОНАНСЫ В ПРИМЕНЕНИИ К МАГНИТОМЕТРИИ...................................201
4.1. ЧЕТЫРЕХКВАНТОВЫЙ РЕЗОНАНС В ПАРАХ КАЛИЯ. НОВАЯ ВЕРСИЯ КВАНТОВОЙ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ: CS-K ТАНДЕМ НА ЧЕТЫРЕХКВАНТОВОМ РЕЗОНАНСЕ В І9К...............................201
5. ИЗМЕРЕНИЕ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПО РАЗНОСТИ ЧАСТОТ СИММЕТРИЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ В СВЕРХТОНКОЙ СТРУКТУРЕ ЩЕЛОЧНОГО АТОМА..........................................213
5.1. ПРОЕКТ БАЛАНСНОЙ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ НА РЕЗОНАНСЕ КОГЕРЕНТНОГО ПЛЕНЕНИЯ НАСЕЛЕННОСТЕЙ В СВЕРХТОНКОЙ СТРУКТУРЕ "Rb............................................217
4
5.2. Магнитометрическая схема на симметричной паре однофотонных переходов в сверхгонкой структуре 87RB........................................................................222
6. РАДИООПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПОНЕНТ ВЕКТОРА ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.........................................................................230
6.1. Способ преі іизионного измерні іия вариаі іий трех компонент магнитного поля с использованием
МОДУЛЬНОГО КАЛИЕВОГО ДАТЧИКА С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ....................................231
6.2. Способ прецизионного измерения вариаций трех компонент магнитного поля с использованием ЦЕЗИЕВОГО ДАТЧИКА с ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ И ЧАСТИЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ПРОДОЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИЗМЕРЯЕМОГО ПОЛЯ....................................................................239
6.3. Способ абсолютного измерения трех компонент вектора магнитного поля, основанный на использовании модульного MX-maj нитометра С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ.....................255
6.3.1. Описание методики...........................................................258
6.3.2. Описание сигнала в системе..................................................262
6.3.3. Результаты численного моделирования........................................2<57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................272
ЛИТЕРАТУРА
275
5
Список используемых сокращений:
АЦП - аналогово-цифровой преобразователь
ВМВ - Векторный магнитометр-вариометр
ДРР - двойной радиооптический резонанс
КМОН - квантовый магнитометр с оптической накачкой
КПН - когерентное пленение населенностей
МПЗ - магнитное поле Земли
СВЧ — сверхвысокие частоты
СКВИД - сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство (по первым буквам названия Superconducting Quantum Interference Device)
СПЧР - система привязки к частоте резонанса
СТС - сверхтонкая структура
ФЛЛ - фазовая авто подстрой ка
ФАПЧ - фазовая авто подстрой ка частоты
ЦСЧ - цифровой синтезатор частоты
ЦГІ - центральный процессор
СРТ - Coherent Population Trapping (то же, что КІIH)
VCSEL - Vertical-Cavity Surface Emitting Laser (поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором)
6
Введение.
Цель работы.
Настоящая работа посвящена новым системам и способам измерения модуля и компонент вектора индукции слабых магнитных полей, основанным на методах радиооптической спектроскопии. Под слабыми полями здесь подразумеваются поля, по порядку величины сопоставимые с собственным магнитным полем Земли (МПЗ) на ее поверхности, т.е. лежашис в диапазоне (2 -*■ 7)-10'5 Тл.
Основной целью работы было создание новых и развитие существующих систем и способов измерения модуля и компонент вектора индукции слабых магнитных полей, основанных на таких методах радиооптической спектроскопии, как оптическая накачка и двойной радиооптический резонанс.
Объекты и методы исследования.
Основным объектом исследований были характеристики двойных радиооптических одноквантовых и многоквантовых магнитных резонансов в основном состоянии спектра щелочных металлов, и особенности их применения в квантовых магнитометрических системах. Объекты исследовались как экспериментальными, так и теоретическими методами, а также методами численного моделирования. Были созданы новые методы исследования характеристик двойного радиооптического Мх-резонанса и методы измерения индукции слабых магнитных полей, основанные на применении двойного радиооптического Мх-резонанса.
В работе проведен ряд исследований в области двойного радиооптического резонанса и оптической ориентации атомных и ядерных моментов, развиты существующие магнитометрические схемы (магнитометр на изолированной линии калия, балансный СТС-магнитометр), предложены и исследованы новые схемы формирования и детектирования магнитного радиооптического резонанса применительно к задачам квантовой магнитометрии (магнитометры на многофотонных переходах, на резонансе насыщенного поглощения, векторные магнитометры на основе квантовых скалярных датчиков), исследованы фундаментальные ограничения на точность магнитометрических измерений, проводимых с помощью квантовых магнитометрических устройств с оптической накачкой.
7
Актуальность темы.
Прецизионные измерения слабых магнитных полей составляют быстро развивающийся раздел метрологии, находящий множество применений как в фундаментальных, так и в прикладных исследованиях. К первым относятся многочисленные исследования в области фундаментальной физики, геофизики, геологии, космофизики, аэрономии и т.д.
Самым ярким примером таких исследований в области фундаментальной физики последних лег являются эксперименты по поиску нарушения фундаментальных законов симметрии, в частности - по поиску постоянного электродипольного момента нейтрона, точность которых всецело зависит от точности измерения и стабилизации магнитного поля. В области геофизики мониторинг магнитного поля Земли, постоянно осуществляемый несколькими международными сетями обсерваторий. Гак, международная сеть INTERMAGNET -International Real-time Magnetic Observatory Network включает более ста автоматизированных магнитометрических станций, расположенных в нескольких десятках стран мира, является одним из основных источником наших знаний как о внутреннем строении Земли и происходящих в ней процессах, так и о процессах взаимодействия солнечною излучения с атмосферой и магнитосферой Земли - наряду с данными, полученными с помощью квантовых магнитометров, устанавливаемых, начиная с 1964 года на искусственных спутниках Земли и исследовательских космических аппаратах.
Прикладные применения магнитометрии прежде всего связаны с разнообразными задачами навигации и магнитной разведки, в том числе с прецизионным магнитным картированием в целях поиска всевозможных полезных ископаемых, как магнитных, так и немагнитных - гак, например, поиск подводных нефтяных месторождений магнитометрическими средствами основан на том факте, что нефтесодержащие осадочные породы обладают существенно более слабыми магнитными свойствами, чем прочие геологические образования. Магнитное картирование широко применяется и в археологии для поиска и датирования древних артефактов, и в военном деле - для обнаружения скрытых под водой и под землей объектов военной техники и боеприпасов, а также неразорвавшихся авиационных бомб и снарядов. Прецизионные измерения магнитного поля в сейсмических районах в последние десятилетия все чаще привлекаются для обнаружения предвестников землетрясений. Вес большее значение приобретают магнитные измерения в медицине и биологии.
Высокие требования, предъявляемые к точности и чувствительности методов магнитных измерений, как правило, определяются тем фактом, что магнитные поля исследуемых или
8
искомых объектов должны измеряться на фоне магнитного поля Земли, зачастую превосходящего их на пять и более порядков величины. Выделение таких сигналов требует повышения точности и чувствительности магнитометрических средств до уровня Ю'МО'9, что, конечно, вря;! ли было бы возможно без привлечения средств атомной и ядерной спектроскопии, позволяющей привязывать измерения магнитного поля непосредственно к значениям атомных констант. В зтом квантовая магнитометрия очень близка к другой отрасли метрологии - метрологии времени; на принципиальном давне разница между современными квантовыми магнитометрами и квантовыми стандартами частоты состоит лишь в том, что принцип работы первых основан на измерении частот магнитозависимых переходов, а вторых - на измерении частот магнитонезависимых переходов в тех же самых атомных структурах. И действительно, относительный уровень точности, достигаемый благодаря использованию квантовых магнитометров в метрологии слабых магнитных нолей, уступает только точности, с которой осуществляется измерение частоты/времени.
Квантовая магнитометрия: краткая история и сегодняшнее состояние.
Магнитометрия как область точных исследований начиналась с создания и использования классических устройств для измерения магнитного поля, регистрирующих воздействие ноля на постоянные магниты, движущиеся заряды и т.д. Как правило, эти устройства характеризуются сильными дрейфами и не позволяют совместить высокую вариационную чувствительность (т.е. способность зарегистрировать малое приращение измеряемой величины) и абсолютность измерений. Под абсолютностью здесь и далее понимается способность производить измерение, опираясь только на фундаментальные константы (в данном конкретном случае - гиромагнитное отношение протона) и на те переменные величины, которые измеряются с помощью фундаментальных констант, - такие, как частота. Иначе эго можно выразить так - абсолютное измерение не требует учета параметров, зависящих от реализации измерительного устройства и нуждающихся в калибровке. Конечно, это положение может быть справедливо лишь до какой-то степени, т.е. уровня абсолютной точности. Ограничивать этот уровень может как погрешность измерения фундаментальных констант, так и систематическое либо случайное искажение экспериментальных данных - как, например, неточность определения средней частоты прецессии магнитного момента.
Существенный прорыв в магнитометрии был достигнут в 1940-х годах благодаря работам Bloch [1, 2], а также Varian and Packard [31 (в свою очередь, основанных на работах Rabi и др. по измерению ядерного магнитного момента [4, 5J), предложивших идею измерения
9
магнитного поля по частоте свободной прецессии магнитного момента протона. Так были созданы протонные магнитометры - первые устройства для измерения магнитного поля, характеризующиеся свойствами абсолютности.
При многих достоинствах протонных магнитометров три их основных недостатка ограничивали круг их применения. Это: циклический характер работы, не допускающий непрерывное измерение поля; очень малая величина статической ядерной восприимчивости; сравнительно низкая частота прецессии протонов, для точного измерения которой требуется не менее нескольких десятых долей секунды.
Второй из этих недостатков был в значительной мере преодолен благодаря работам Albert W. Overhauser [6, 7], а также Slichter and Carver [8], продемонстрировавшим возможность более чем тысячекратного увеличения степени поляризации протонного спина, а следовательно, и сигнала протонного магнитометра, применением метода динамической поляризации ядер. Основанный на этом принципе магнитометр получил название «магнитометр Оеерхаузера».
Начало радиооптическим квантовым методах! измерения магнитного поля положили два события, произошедших практически одновременно в середине XX века:
1) изобретение Ф.Биттсром (F. В it ter) оптического детектирования магнитного резонанса [9], в принципе позволяющего реализовать чувствительность детектирования, на несколько порядков (в меру соотношения энергий оптического кванта и кваига радиочастоты) большую по сравнению с прямым электромагнитным методом, и
2) открытие А.Кастлером (A.Kastler) оптической накачки [10, 11] - Кастлер показал, что при облучении атомов резонансным светом с определенной поляризацией можно получить чрезвычайно высокую степень ориентации суммарного магнитного момента.
Благодаря этим двум событиям началось бурное развитие квантовой магнитометрии, приведшее к созданию семейства квантовых магнитометров с оптической накачкой (КМОН) и оптическим детектированием магнитного резонанса; эти устройства позволили добиться необычайно высоких абсолютных точностей и чувствительностей измерения магнитного тюля (см., например, обзоры [12, 13, 14, 15, 16, 17]). Не имея себе равных по абсолютной точности, по вариационной чувствительности квантовые магнитометры могул превосходить даже магнитометры на основе сверхпроводящих квантовых датчиков - СКВИД [18]; впрочем, конкуренция между двумя этими классами устройств скорее номинальная слишком сильно различаются физические принципы их действия, и, как следствие - области их применения. Квантовые магнитометры являются измерителями напряженности
10
магнитного ноля, а магнитометры со сверхпроводящими датчиками - измерителями приращения магнитного потока, проходящего через сверхпроводящий контур; их показаниям не свойственна абсолютность (в настоящее время предпринимаются попытки создания на базе СКВИД абсолютных устройств устройств - в частности, такая попытка была предпринята в [19]). Благодаря сверхмалым размерам датчиков и высоким чувствительностям СКВИДы заняли прочные позиции в биологии и медицине; однако в геологии и геофизике, а также космофизике они практически не находят применения. В дальнейшем, во избежание путаницы, под квантовыми магнитометрами мы будем подразумевать исключительно устройства с оптической накачкой, исключив тем самым из рассмотрения протонные магнитометры и СКВИДы.
Разнообразие типов КМОК к соответствующих методов квантовой магнитометрии будет рассмотрено в Гл.1. Особое внимание при этом будет уделено калиевому магнитометру на узкой изолированной линии, разработанному в 80-е годы в ГОИ им. С.И.Вавилова под руководством Е.Б.Александрова [20, 21] и отличающемуся уникальными даже в ряду КМОП характеристиками. Развитие идеи калиевого КМОП на базе современных методов оптической (в том числе лазерной) накачки, детектирования, и обработки сигнала является основным содержанием глав 2 и 3 настоящей работы.
Главы 4-6 настоящей работы посвящены новым способам и средствам измерения модуля (Гл.4-5) и компонент (Гл. 6) вектора магнитной индукции.
Квантовые магнитометры можно классифицировал» по нескольким основным парамеграм:
■ Характер парамагнетизма рабочего вещества: электронный или ядерный;
■ Тип используемого рабочего вещества: электронные парамагнетики, такие, как пары щелочных металлов (цезий, рубидий, калий), гелий-4 в метастабильном состоянии; ядерные парамагнетики, гакие, как гслий-3 в основном состоянии, нечетные изотопы ргути и благородных газов. Основное распространение получили магнитометры на парах щелочных металлов и на гелии.
■ Тин используемого атомного перехода: зеемаиовский, сверхтонкий, комбинированный А-переход, многофотонный переход и т.д.;
• Способ возбуждения магнитного резонанса: резонансным переменным магнитным полем, параметрами накачки;
11
■ Способ детектирования магнитного резонанса - регистрация изменения населенностей магнитных подуровней (М^-магнитометр), регасграция сигнала когерентности атомных состояний (Мх-магнигометр).
Кроме того, в последние десятилетия появилось много модификаций идеи квантового магнитометра, выходящих за рамки основной классификации.
Вес сказанное выше относилось к модульным магнитометрам, т.е. устройствам, предназначенным для измерения модуля вектора магнитной индукции. Квантовые датчики, как правило, относятся именно к этому классу, поскольку частоты магнитозависимых переходов в атоме в принципе не зависят от направления магнитного поля. Как ни странно, именно это качество обусловливает возможность применения квантовых датчиков в схемах т.н. векторных, или компонентных устройств, измеряющих три компоненты вектора земного поля. Дело в том, что принцип работы векторных магнитометров, как правило, основан на законе сложения векторов - к неизвестному вектору индукции измеряемого ПОЛЯ последовательно прибавляются известные вектора различной направленности, и измеряется модуль вектора результирующего поля. В результате серии таких измерений вычисляется неизвестный вектор. Понятно, что в таких схемах результат измерения модуля вектора результирующего поля должен быть абсолютно нечувствителен к направлению этого вектора. Это условие можно выполнить, используя КМОП в качестве измерителя модуля поля, поскольку показания КМОН не зависят от направления поля при его изменениях в широких пределах.
Помимо задач измерения модуля и компонент вектора индукции магнитного поля, квантовые магнитометры могут с успехом быть применены в задачах измерения компонент вектора градиента модуля магнитной индукции. Такие применения не требуют принципиальных изменений в конструкции датчиков; просто количество используемых модульных датчиков должно на единицу превосходить количество измеряемых компонент вектора градиента магнитной индукции. В простейшей конфигурации магнитометр-градиентометр состоит из двух магнитометров, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга; в расширенной конфигурации - из трех или более магнитометров. В последнем случае магнитометры, как правило, размещаются в узлах сетки линейной, треугольной, кубической или тетраэдрической конфигураций, обеспечивая одновременное измерение нескольких компонент градиента магнитною поля.
12
По сравнению со схемами модульных магнитометров градиентометры, так же как и векторные магнитометры, требуют существенного усложнения схем позиционирования; но эта проблема относится к числу чисто технических, и здесь касаться мы се не будем.
Возможно также построение устройств, измеряющих градиенты модуля магнитного ПОЛЯ второго и более высокого порядков, а также градиенты компонент вектора магнитного поля. Однако такие системы, состоящие из большого числа модульных или векторных датчиков, довольно сложны, и применяются относительно редко (пример - упоминавшийся выше эксперимент по поиску электродипольного момента ней трона).
Таким образом, по объекту измерения квантовые магнитометры могут быть классифицированы следующим образом:
■ Модульные (скалярные) магнитометры;
■ Векторные (компонентные) магнитометры;
* 1 'радиентометры.
Хотя квантовым измерителям магнитного поля изначально присуще свойство абсолютности измерений, в определенных случаях это свойство может- в значительной мере теряться вследствие наличия дополнительных магнитных полей в датчике, уширения, смещения и искажения формы резонансной линии, и т.д. Измерительные устройства, обладающие высокой кратковременной чувствительностью, но не обладающие абсолютной точностью, относятся к классу вариометров.
Кроме того, существует классификация квантовых магнитометров по условиям их эксплуатации - стационарные обсерваторские устройства, устройства, предназначенные для эксплуатации на подвижных носителях, носимые устройства и т.д.; по способу съема информации - аналоговые и цифровые, по классу точности и т.п. Нас в первую очередь будет интересовать физика работы датчиков, определяющаяся процессами оптической накачки, оптического детектирования и релаксации атомных моментов, а также способы максимально эффективного съема информации.
Личный вклад автора.
Настоящая диссертация суммирует работы автора в лабораториях ФТИ РАН им. А.Ф.Иоффе и Г'ОИ им. С.И.Вавилова, посвященные разработке и реализации новых концепций квантовой магнитометрии с целью достижения предельно высоких метрологических параметров магнитометрических устройств, за приблизительно 15-летний период. Автору
13
принадлежит (на правах автора или в соавторстве) следующий вклад в решение
соответствующих научно-технических проблем:
1. Участие в разработке концепции магнитометрической Мх-схемы на предельно узкой изолированной линии магнитного резонанса как базиса для реализации максимально чувствительного и одновременно точного и быстрого магнитометра1 2.
2. Создание и экспериментальная проверка теоретической модели, описывающей основные характеристики Мх-рсзонанса в магнитной структуре основного состояния щелочных атомов при оптической накачке и детектировании сигнала в ячейке с сохраняющим спин покрытием3. Многофакторная оптимизация режимов магнитного радиооптического резонанса в магнитометрической Мх-схсме с учетом спин-обменного, светового и радиополевого уширения резонансной линии, а также поглощения в толстом слое ячейки3. Реализация лазерной накачки магнитометра с достижением рекордной кратковременной чувствительности2. Экспериментальная демонстрация разрешающей способности квантового магнитометра с оптической накачкой 2
3. Новые подходы и методы построения магнитометрической Мх-схемы е оптической накачкой:
а. I (ифровые способы захвата и привязки к Мх-резопансу в быстро меняющемся поле 3; численная модель цифровой петли слежения за магнитным резонансом.
б. Контроль формы линии резонанса в нестабильном поле методом инвариантного отображения сигнала спиновой прецессии.
4. Применение много квантовых резонансов к магнитометрии, а именно создание новой версии прецизионного квантового магнитометра - однокамерного Сб-К тандема на четырехквантовом резонансе в парах 39К 12 3.
1 в соавторстве с Е.Б.Александровым;
2 в соавторстве с М.В.Ьалабасом;
3 в соавторстве с Л.С.Пазгалевым
14
5. Развитие идеи балансного магнитометра на симметричных переходах в сверхтонкой структуре щелочною металла - реализация методами цифровой техники формирования и детектирования сигналов батансной магнитометрической СТС М7-схемы на симметричной паре переходов в сверхтонкой структуре * ЯЬ \
6. Разработка новых радиооптических методов измерения компонент вектора магнитного поля и основанных на них магнитометрических схем:
а. Создание прецизионной магнитометрической схемы для измерения вариаций трех компонент вектора магни тного поля на основе модульного калиевого М*-датчика с оптической накачкой 13;
б. Создание быстродействующей прецизионной магнитометрической схемы для измерения вариаций трех компонент вектора магнитною поля на основе цезиевого Мх-датчика'3;
в. Разработка нового способа абсолютного измерения трех компонент вектора магнитного ноля, основанного на использовании модульного М„-магнитометра с оптической накачкой.
Практически все включенные в диссертацию работы осуществлялись иод общим руководством либо при профессиональной поддержке Е.Б. Александрова. Все включенные в диссертацию работы производились с использованием кювет и датчиков, разработанных и изготовленных М.В.Балабасом, и спектральных ламп, изготовленных В.Н.Кулясовым. Разработка схемы лазерной накачки проводилась при участии А.Э.Иванова. Лазер, использованный для оптической накачки атомных паров калия, был изготовлен в ФИРАН группой В.Л.Величанского.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Исследованы фундаментальные ограничения на разрешающую способность квантового
Мх'дискриминатора с оптической накачкой и осуществлена многофакторная оптимизация параметров магнитного Мх-резоианса в оптически толстом слое вакуумной ячейки.
2. Развиты две существующие магнитометрические схемы:
- магнитометр на изолированной линии калия,
- балансный СТС-магнитометр.
15
3. Предложены и исследованы новые схемы формирования и детектирования многоквантового магнитного радиооптического резонанса применительно к задачам квантовой магнитометрии:
- магнитометр на четырехфотонном переходе,
- магнитометр на резонансе пленения населенностей.
4. Предложены и экспериментально реализованы две новые схемы измерения вариаций компонент магнитного поля с номошыо модульных квантовых датчиков (Мх-магнитомстров):
- векторный калиевый магнитометр-вариометр,
- быстродействующий векторный цезиевый магнитометр-вариометр.
5. Предложен принципиально новый метод абсолютного измерения трех компонент вектора магнитного поля, основанный на использовании квантового Мх-датчика. Предложенный способ теоретически обоснован и проверен методами численного моделирования.
Практическая ценность полученных результатов состоит в следующем:
1. Разработана процедура оптимизации режимов магнитного радиооптического резонанса в схеме Мх-дискриминатора, позволяющая повысить чувствительность магнитометрической схемы с оптической накачкой до уровня, определяемого принципиальными квантовомеханическими факторами.
2. Разработана схема лазерной накачки калиевого Мх-магнитометра, позволяющая при увеличении разрешающей способности более, чем вдвое по сравнению с ламповой накачкой на порядок и более снизить световые сдвиги частоты Мх-резонанса;
3. Разработаны алгоритмические (цифровые) способы захвата петли обратной связи и привязки частоты синтезатора к частоте Мх-резонанса в сложном спектре атома К в быстро меняющемся иоле, позволяющие полностью реализовать предельную разрешающую способность квантового магнитометра;
4. Разработана методика контроля основных параметров Мх-резонанса, позволяющая, в частности, в быстро меняющемся поле без применения стабилизаторов магнитного ноля устранять сдвиги квантовою Мх-дискриминатора, связанные с ошибкой фазы наблюдения Мх-резонанса;
5. Разработаны новые квантовые модульные магнитометрические схемы:
16
- схема Сз-К тандема на одноквантовом Мх-резонансе в парах 1 ЗЇСз и четырехквантовом
М7-резонансе в парах ’9К;
- схема балансного СТС магнитометра с использованием специальных приемов
формирования и детектирования сигнала;
6. Разработаны новые квантовые векторные магнитометрические схемы:
- схема трехкомпонентного прецизионного калиевого магнитометра-вариометра
- схема быстродействующего трехкомпонентного цезиевого магнитометра-вариометра;
7. Разработан принципиально новый способ абсолютного измерения трех компонент вектора магнитного поля, основанный на использовании модульного Мх-маі питометра и трехкомпонентной симметричной системы магнитных колец, и позволяющий осуществить одновременное измерение трех компонент вектора земного магнитного поля с абсолютной точностью ±Ю'10 Тл при времени измерения 0.1 с.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Предельная разрешающая способность квантовой магнитометрической схемы всецело определяется фактором качества магнитного Мх-резонанса, что показано экспериментально на уровне 10'|4ТлТц1/2. Теоретически разработанная и апробированная экспериментально процедура оптимизации спин-обменного и светового уширения по критерию максимума фактора качества позволяет при применении монохроматической лазерной накачки достичь предельных значений разрешающей способности калиевого квантового Мх-дискриминатора < 2* 10 ‘5 Тл-Гц'1
2. Цифровые способы захвата и привязки к Мх-резонансу позволяют использовать в быстро меняющихся магнитных полях выделенный магнитный резонанс в сложной структуре, в частности, в разрешенном зссмановском спектре основного состояния атома К, полностью реализовав предельную разрешающую способность квантовой магнитометрической схемы.
3. Метод инвариантного отображения сигнала спиновой прецессии позволяет осуществлять контроль амплитуды и фазы магнитного резонанса, а также радиочастотного уширения и наличия дополнительных гармоник в радиочастотном магнитном спектре в нестабильном поле, в том числе в реальном магнитном поле Земли.
17
4. Многоквантовый резонанс в зеемановской структуре высшей для уровня F = 2 кратности п = 4 может быть с высокой эффективностью использован в квантовой магнитометрической М2-схеме, и, еще в более полной мерс - при объединении магнитометрической Мг-схемы на 4-квантовом переходе с магнитометрической Мх-схсмой в так называемый тандем. Параметрические сдвиги такого устройства могут быть сведены к уровню 10'11 Тл.
5. Балансная магнитометрическая схема на симметричной паре переходов в сверхтонкой структуре основного состояния *7Rb может быть реализована с идентичными характеристиками сигналов двух М2-резонансов в одном оптическом канале, что обеспечивает компенсацию световых сдвигов частоты магнитных резонансов на уровне 10п Тл.
6. Новые радиоопгичсские методы измерения компонент вектора МПЗ с использованием модульного Мх-датчика, помещенного в систему вспомогательных магнитных полей, вращающихся по окружности или конусу, ось которых совпадает с направлением вектора измеряемого поля, позволяют осуществлять измерения вариаций компонент вектора МПЗ с характерной долговременной стабильностью порядка 10'|ОТл при чувствительности порядка 10 м Тл и быстродействии 0.1 с.
7. Новый метод абсолютного измерения трех компонент вектора магнитного поля, основанный на использовании модульного Мх-магнито.мсгра с оптической накачкой, помещенного в симметричную трехмерную систему вспомогательных магнитных полей, позволяет осуществлять одновременное измерение трех компонент вектора МПЗ с абсолютной точностью ± 10' ° Тл при времени измерения 0.1 с.
Апробации результатов работы.
Основное содержание диссертации изложено в публикациях [15, 184, 197, 198, 199, 200, 203, 206, 230, 215, 228, 229, 232, 234, 236, 237, 238, 244, 245, 241, 247, 252, 253, 255, 256, 257, 258, 259, 260].
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном Симпозиуме по исследованиям в области измерений частоты, Москва, 1990; Международном Симпозиуме по современным проблемам лазерной физики (MPLP’95), Новосибирск, 1995; конгрессе Международного Объединения по геодезии и геофизике (IUGG), Боулдер, США, 1995; Международной Конференции но Морскому Электромашетизму, Лондон, Великобритания,
18
1997; IV конгрессе Международного Объединения но геодезии и геофизике (ШСЮ), Бирмингем, Великобритания, 1999; 8-м конгрессе Международной Ассоциации по Геомагнетизму и Аэрономии, Упсала, Швеция, 1997; 12-м конгрессе Международной Ассоциации по Геомагнетизму и Аэрономии, Вельск, Польша, 2006, а также на семинарах в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, ВНЦГОИ им.С.И.Вавилова и НИИФ СПбГУ.
* * *
Следующая далее первая вводная глава представляет собой краткий и, неизбежно, фрагментарный обзор истории развития идей оптической накачки атомов и их приложения к квантовой магнитометрии. Цель этого обзора - дать необходимые вводные сведения для понимания оригинальной части работы и указать ее место во всей проблематике. Последующие главы излагаю! оригинальное содержание диссертации в порядке, перечисленном выше.
19
1. Краткий обзор радиоспектроскопических методов квантовой магнитометрии.
Все квантовые магнитометрические устройства (eine раз подчеркнем, что в данной работе мы не рассматриваем протонные магнитометры и устройства, основанные на квантовом эффекте Джозефсона - СКВИДы) используют в той или иной форме мето;и>1 оптической накачки и двойного радиооптического резонанса. Сущность процесса оптической накачки состоит в селективном оптическом возбуждении магнитных и/или сверхтонких подуровней структуры основного или метастабильного состояния атомов, приводящем к нарушению больцмановского распределения в этой структуре. Оптическая накачка, приводящая посредством изменения относительной населенности магнитных (зеемановских) подуровней к возникновению ненулевою макроскопическою магнитного момента в веществе, называется оптической ориентацией. В основном нас будут интересовать процессы ориентации атомных моментов, приводящие к появлению макроскопического дипольного магнитного момента. Существуют, однако, также оптические методы создания макроскопического квадрупольного магнитного момента (выстраивание), октупольного момента и моментов более высоких порядков.
Физические основы процесса оптической накачки описаны в ряде публикаций, начиная с 50-х годов; в первую очередь здесь следует выделить обзорные работы [22, 23 24], и, как наиболее полную и информативную - обзор У.Хаппера (Happer) [25]. В нашей стране была опубликована одна монография, посвященная вопросам оптической накачки и квантовой магнитометрии [26]; следует также отмстить монографию [27], рассматривающую, однако, квантовые магнитометры исключительно в применении к биологии и медицине, и диссертацию [28], которая, будучи написана 20 лет назад, до сих пор представляет собой один из наиболее полных обзоров состояния дел в квантовой магнитометрии.
Метод двойного радиооптического резонанса (ДРР), как правило, используется в комбинации с оптической накачкой; суть этого метода состоит в том, что создаются условия, при которых поглощение или излучение атомной сисгемой некоторого количества радиочастотных квантов вызывает соответствующее изменение числа поглощенных и/или персизлученных квантов оптического диапазона, детектируемое в эксперименте. Применение ДРР в принципе позволяет на много порядков (в меру отношения энергий квантов оптического и радиодиапазонов) увеличить чувствительность детектирования магнитного резонанса но сравнению с методами обычной радиоспекгроскоиии.
20
К методам ДРР можно отнести и некоторые разновидности техники возбуждения и детектирования радиочастотного резонанса, которые не подразумевают непосредственного воздействия на атом радиочастотного поля. Сюда, прежде всего, относится использование так называемой лямбда-схемы, когда два нижних подуровня связываются с общим возбуждённым уровнем двумя когерентными оптическими гармониками, разность частот которых соответствует расстоянию между нижними подуровнями. Эти и другие техники возбуждения и детектирования магнитною резонанса будут подробно рассмотрены в разделе 1.6, посвященном обзору различных реализаций квантовых магнитометрических устройств.
1.1. Двойной радиооптический резонанс и оптическая ориентация атомных и ядерных моментов.
Для удобства последующего изложения приведем основные выражения, описывающие магнитные моменты. Магнитные моменты электронной оболочки измеряются в магнетонах Вора (здесь и далее, если не оговорено иное, значения констант приводятся но [29]):
Мв= — = 0.927400 949(80)-10'!>Дж/ІУі 2т
= 13.996 2458(12) -1&Гц/Гя
И
(1.1)
здесь т не — масса покоя и заряд электрона, в скобках указана погрешность последних приведенных знаков. Для ядерных магнитных моментов используют специальную единицу момента —ядериый магнетон
рн = цв(т/тр) = 0.5050 783 43(43)-Ю26 Дж/Тл; (1.2)
здесь тр — масса покоя протона, (іт/т^ = 1836.15267261(85). В этих единицах магнитные моменты выражаются через магнитные квантовые числа и безразмерные коэффициенты (#-факторы). Проекции электронных и ядерных магнитных моментов на выделенную ось 2 определяются теми же магнитными квантовыми числами т5 и ті, что и соответствующие проекции механических моментов:
М^=8Лив (1'3)
=Ш,т,Цв =§\ (1.4)
где
21
gs и К/ - электронный и адерный ^-факторы,
£']^,(т/тр).
Отношения магнитных моментов к механическим (гиромагнитные отношения) для электрона и ядер записываются следующим образом:
У*=Ив£Л (1.5)
У1=тЛ (1.6)
Энергия атома в магнитном поле определяется формулой
Е = -(ИВ), (1.7)
следовательно, магнитное поле снимает вырождение по значениям проскциии магнитного момента. В случае чисто электронного или чисто ядернош момента частотный интервал между соседними уровнями, характеризующимися квантовыми числами т$ и т5 ± 1 (или, соответственно, т, и ± )) линейно зависит от величины модуля магнитною поля В-\В\9 причем гиромагнитное отношение играет роль коэффициента пропорциональности:
АЕ
со=-— = у-В (1.8)
И
Несмотря на то, что чисто электронными или чисто ядериыми моментами характеризуется относительно небольшая часть атомов и молекул (пример чисто электронного момента - 4Не в мстастабильном состоянии 23Б|; пример чисто ядерного момента - 'Не в основном состоянии), выражение (1.8), связывающее величину магнитного поля с частотой магнитного резонанса, играет очень важную роль в квантовой магнитометрии. Частота со (т.н. ларморовская частота, названная по имени Дж.Лармора) имеет смысл частоты прецессии магнитного момента; именно она измеряется в большинстве магнитометрических схем. В общем случае ее зависимость от магнитного поля нелинейна.
В случае наличия обоих (ядерного и электронного) моментов полный эффективный магнитный момент //у электронной оболочки, равный сумме проекций на направление J орбитального /л/., и спинового т$ магнитных моментов оболочки, в единицах магнетона Бора выражается через фактор Ланде, равный
*у =
+ Д./ +1) + ДЛ + 1)-Ц/, + 1) 2ДУ +1)
(1.9)
22
Р-З
Шр
З
2
1
О
-1
-2
•З
Р.С2
У
Р-2
Р-1
Р-0
р-2
Р-1
<
2
І
О
-1
-2
1
О
-І
2
1
О
•1
-2
-1
0
1
І).
Бід
Р=2
Р-1
2
І
О
-І
-2
-1
0
1
Рис. 1.1 Структура уровней (основное и первые возбужденные состояния) атома с 1 = 3/2 (изотопы и, :<Ма, '°К, 41 К, 4 7Щ; расстояния между уровнями даны не в масштабе.
Аналогичное выражение существует для g-фaктopa полного момента количества движения атома Р = Р +1 в слабых магнитных полях:
О =а /^+ !) + ./(./+ !)-/(/ + !) Р{Р+\)+1(И-\)-Щ+\)
8г ' 2/^ + 1) 2/^ + 1) ( }
В сильных магнитных полях связь векторов / и У разорвана и проекция полного момента атома определяется суммой проекций составляющих.
23
Уровни энергии в промежуточных нолях в простейшем случае для полного момента электронной оболочки У = 1/2 и произвольного ядерного момента / описываются формулой Брейта-Раби:
£(/ ±\-,тР,к) = -?--£1р„В-тг±-л(2[ + \)\ + 2 4 4
4 тР 21г
— к + к ,
21 + 1 ]
(1Л1)
гжк = 2М8^
а(21 + 1)
а - константа сверхтонкого взаимодействия.
Наибольшее распространение в задачах квантовой магниюмеїрии получила накачка
л
щелочных металлов (Рис. 1.1), гелия и ртути. Основное состояние щелочных атомов п 8 ж, характеризующееся орбитальным моментом Ь- 0 и спиновым моментом Б = 14, благодаря сверхтонкому взаимодействию расщеплено на два подуровня F=/i,/г. Первое возбужденное состояние щелочных атомов представляет собой дублет п2Р; (/. = 1, £ = /г, У = £, ± 5 = 1/2), каждая из линий которого, в свою очередь, расщеплена на ряд сверхтонких подуровней в соответствии с возможными значениями квантового числа Е = |У-/|...У+/.
т, =
2
1
О
-1
-2
-1
0
1
> В
Рис. 1.2. Зависимость уровней энергии основного состояния щелочных метшлов с 3=1/2,1=3/2 от магнитного поля согласно формуле Брейта-Риви (1.11).
24
Спин ядра / равен 3/2 для изотопов Тл, 23Ыа, 39К, 41 К, 87Ш>; / = 5/2 для 85Ю> и /=7/2 для 133Ся.
Рассмотрим подробнее магнитное расщепление основного состояния атома калия, обладающего ядерным моментом /=3/2. Каждый из двух сверхтонких подуровней основного состояния калия Р ~ 1,2 в магнитном поле расщепляется на, соответственно, 3 и 5 почти эквидистантных подуровней; разложение выражений для разности частот смежных подуровнейт./ по степеням индукции поля В имеет вид:
/,? = а,-В - ЗЬВ2 + 6с-в} - зав*...
/о, =а±-В-ЬВ2-бсВ3 + Ш-ВҐ... (1.12)
//» = а, В + Ь В2 - бс-В3 - ШВГ...
/,.г=о,-в + зьв2 + бс-в3 + зав4.
где вместо я, для Р = 2 подставляется константа си, для Р = / - константа а.:
а і =/±Л
, /; л /;
д*> >с (Д,,)3 ’ (Д4/,)3
Ла/5 = 2с/ - сверхтонкое расщепление основного состояния в нулевом магнитном поле,
Значения входящих в (1.12) констант для изотопов 39К и 41К с пересчетом в единицы СИ приведены в Табл. 1.1 по работе [30] Бекмана и др. 1974 г. Здесь следует отметить, что традиционно в метрологии слабых магнитных полей используются как единицы напряженности поля и магнитной индукции в СГСМ (эрстед, гаусс), так и единица магнитной индукции в СИ (тесла), и сс внесистемные производные (папотеспа или гамма, I у = 1 н'Гл = 10 ° Тл). Существенно реже применяется единица напряженности поля СИ: I А/м = 4x10 ' Э. В вакууме и средах с единичной магнитной проницаемостью, в частности,
25
в воздухе, / Э = / Гс — ША Тл = IО5 у = 1 /4т 1& А/м. Б настоящей работе мы будем (кроме специально оговоренных случаев) использовать единицы СИ.
39К 4ТК~
& -2.00229421(24) -2.00229421(24)
& -1.4193489(12)-103 0.07790600(8)-10"
СИ сгс СИ СГС
Дм* 461719720.2(1.4) Гц Гц 254013872.0(2.0) Гц Гц
а. 7.00466641 •10у Гц/Тл ■105 Гц/Э 7.00533853 •10ч ГцЛГл •10' Гц/Э
а. -7.00863938 •10у Гц/Тл *10" Гц/Э -7.00751917 •10у Гц/Тл •10" Гц/Э
Ь 1.0632681 •10" ГиПУ •10- Гц/Э2 1.9325734 •10" Гц/Тл2 •10" Гц/Э2
с 1.6135 ■Ю12 Гц/Тл" Гц/Э" 5.3305 •10й ГцЛГл" Гц/Э"
6 0.24 •1014 Ги/Тл4 •10-2 Гц/Э4 1.47 •10'4 Гц/Тл4 •1 О*2 Гц/Э4
Табл. 1.1. Константы 39К и 4'К
Приведем также выражения, служащие для расчета обратной зависимости Вф:
ВфзО = а+ ЗЬ аТ3/2,2 + (18Ь2 -6 с*+ с) аТ5/2,3 - (90 а,Ьс- 3 аИ </-135Ь3) а+'7/214...
В([,о) = а/% + Ь а±-}/ю2 + (2Ь2 + 6 а±с) а/5/,о + (30а±Ьс - 19а?с1 + 5Ь3) а*7/,04...
В(/ол) = аТ’/ол-Ь а±'3А,2 +(2Ь2 + 6 а^с) а/5/0.,3 - (30a.be - /9яЛ/ + 5Ь3) аТ7 Я*...
В(и2) = а+-'/,.2 - ЗЬ а+'3/.,.22+(18Ь2-6 а, с) а5/.,.23 +(90 а♦ Ьс - 3 а+2с!-135Ь3) я/7/,./...
Константа Л в (1.12) характеризует квадратичное зеемановское расщепление; расстояние между двумя соседними линиями в пренебрежении кубичным и следующими членами разложения составляет
И/пн^Ь-В2 (1.13)
Вследствие малой величины сверхтонкого расщепления калия (461.7 МГц у '9К и 254.0 МГц у 11 К), квадратичное зеемановское расщепление у обоих изотопов 39К и 41К существенно превышает соответствующие величины для цезия и рубидия - двух других щелочных металлов, для которых существуют простые эффективные схемы оптической накачки. У 133Сз величина квадратичной) расщепления составляет 1.33-109 Гц/Тл2, у 85Шэ и 8 ЛЬ -7.18-109 Гц/Тл2. С точки зрения исследователей, первыми успешно использовавших калий в магнитометрии ([13, 14]), именно большое квадратичное расщепление обусловливает особую
26
его привлекательность для квантовой метрологии полей земною диапазона: так, в среднем земном поле расстояние между соседними линиями резонансного спектра ~'9К составляет примерно 500 Гц, а расстояние между соседними линиями спектра 41К - примерно 1000 Гц; если принять усилия для сужения резонансной линии калия до нескольких герц, то спектр калия оказывается не только полностью разрешен, но и влияние соседних линий друг на друга, г.е. искажение формы линии, вызванной присутствием соседней линии, оказывается сведено к пренебрежимо малой величине. В особенности это относится к 41 К, содержание которого в естественной смеси изотопов составляет 6.3%. Резонансный спектр цезия и рубидия при тех же условиях представляет собой конгломерат не вполне разрешенных линий, расстояние между которыми сравнимо с их шириной, а форма и положение центра результирующей широкой линии зависят огусловий оптической накачки.
Однако, именно различие в величине квадратичного расщепления стало главным препятствием к использованию калия в квантовой магнитометрии на начальном этапе ее развития: построение спинового генератора на основе вещества, имеющего более одной резонансной линии в спектре, было в то время крайне затруднительно. Только развитие современных методов частотного синтеза и обработки сигнала, которым в значительной мере посвящена эта работа, позволило полностью решить эту проблему.
Атом Распро- странен- ность ï Avhfs, мги №,),À ЦВД, A T i, нсек т?., нсек
6Li 7.5 1 228.2 6708 6708 27 27
7и 92.5 3/2 803.5
23На 100 3/2 1771. 6 5896 5890 16 16
3,К 93.2 3/2 461.7 7699 7665 26 26
Л'к 6.8 3/2 254.0
85Rb 72.2 5/2 3035. 7 7948 7800 28 26
87Rb 27.8 3/2 6834. 7
l3îCs 100 7/2 9192.6 8944 8521 34 33
Табл. 1.2. Основные спектральные параметры щелочных металлов
Подробные данные о спектрах веществ, используемых в схемах оптической накачки, приведены в [22, 25, 26]. Структура уровней (основное и первые возбужденные состояния)
27
атома с /= 3/2 (изотопы 23Ка, ,9К, 4|К, к ЛЬ) схематически показана на Рис. 1.1. Основные спектральные параметры щелочных металлов (по [25]) приведены в Табл. 1.2
Начато оптического детектирования зеемановски.ч переходов положено в 1949 г. работой Ф. Биттера [9], который теоретически показал возможность обнаружения магнитного резонанса возбужденных состояний атомов по изменению интенсивности излученного атомами света. В том же году французские физики А. Кастлер и Дж. Броссель для осуществления идеи Биттера предложили метод двойного радиоолтического резонанса (ДРР) [31] как средство радиоспектроскопии короткоживущих возбужденных состояний атомов, а позднее
применили этот метод к изучению возбужденного 61Р] состояния ртути [32].
В этом эксперименте наблюдалась резонансная флуоресценция паров ртути на
интеркомбинационном переходе 6%<р>64Р| (а, = 253,7 нм). Оптический канал в этом эксперименте играл двойную роль. Во-первых, с помощью света была создана
неравномерная заселенность исследуемого состояния, при этом с помощью селективного по поляризации возбуждения удалось создать распределение населенностей возбужденного состояния, невозможное в условиях теплового равновесия. Во-вторых, с помощью света удалось зафиксировать изменение населенностей возбужденного состояния под действием переменного поля. Впоследствии ДРР возбужденных атомов в основном уступил свое место другим методам исследования - прежде всего, методу пересечения уровней, а в дальнейшем - методам нелинейной лазерной спектроскопии. Однако этот метод был успешно
распространен на основные и метастабильные состояния атомов.
Метол ДРР изначально состоял из двух составляющих: первая - это селективное оптическое возбуждение, приводящее к появлению возбужденных атомов, неравномерно заселяющих подуровни возбужденного состояния, вторая - это индуцирование радиочастотных переходов с помощью вспомогательного переменного поля и регистрация этих переходов в оптическом канале (двойной резонанс назван двойным, потому что имеются два резонанса - на оптических частотах и на радиочастоте).
Распространение ДРР на основное состояние атомов стадо возможным после того, как А.Касглеро.м [10] в манате пятидесятых годов был предложен метод оптической накачки атомов, являющий собой развитие идеи поляризации возбужденных атомов. В общем виде суть метода выглядит так: пусть имеется основное состояние, обладающее двумя подуровнями 1 и 2, и возбужденное состояние, структура которого в настоящий момент нас не интересует. Если обеспечить путем спектральной или поляризационной селекции
28
селективное возбуждение одного из подуровней основного состояния, то можно этот подуровень обеднить за счет тою, что возбужденное состояние может спонтанно распадаться на оба нижних подуровня, в то время как возбуждение происходит с одного подуровня. Если вероятность переходов между подуровнями 1 и 2 мала по сравнению с вероятностью оптического возбуждения, то со временем все атомы сосредоточатся на подуровне 2, что должно сопровождаться исчезновением поглощения света и, соответственно, исчезновением люминесценции - спонтанного излучения. Детектирование магнитного резонанса Кастлер предложил осуществлять по изменению интенсивности и поляризации излученного атомами света. Успех метода определялся прежде всего возможностью обеспечить низкую скорость релаксации между подуровнями 1 и 2. Если подуровни 1 и 2 разделены частотным интервалом, лежащем в радио- или СВЧ-диапазоне, спонтанной релаксацией можно пренебречь, поскольку вероятность спонтанного перехода пропорциональна третьей степени частоты. Однако тепловая релаксация, г.е., релаксация вызванная столкновениями, может быть весьма быстрой. Вопрос о се преодолении требует специального внимания.
В своем первом эксперименте Кастлер для устранения релаксации атомов в основном состоянии применил метод атомного пучка - в пучке атомы практически не сталкиваются на всей длине траектории. Следующим шагом был переход к гаювым ячейкам. В эксперименте с атомным пучком время релаксации атомов по подуровням основного состояния измерялось временем пролета атомов и имело порядок КГ1 секунды. Увеличение времени сохранения ориентированного состояния стаю приоритетной задачей дальнейших исследований оно позволило бы повысить эффективность оптической накачки и увеличить точность определения энергетических констант основного состояния.
В дальнейшем метод оптической накачки был применен для ориентации атомов натрия в газообразном состоянии в расчете на то, что в большой кювете время пролета атомов от стенки до стеики будет достаточно велико, чтобы они успели заметно поляризоваться. При этом было обнаружено [11], что небольшое ухудшение вакуума в ячейке с парами натрия влечет за собой увеличение сигнала магнитного резонанса. Выла высказана гипотеза о том, что можно предотвратить релаксацию углового момента, вызванную столкновениями со стенками сосуда путем заполнения его специальным буферным газом. Этот газ должен замедлять диффузию ориентированных атомов к стенке, но столкновения с ним не должны разрушать ориентацию. Оказачось, что этим требованиям удовлетворяют многие газы, и, прежде всего, инертные. Выяснилось, что электронное состояние Б, нс обладающее