Лазерная спектроскопия нелинейных резонансов в самарии в присутствии столкновений

Работа посвящена экспериментальному изучению узких нелинейных резонансов (резонансов когерентного пленения населенности, оптической накачки и насыщения) в открытой Л — системе атома самария 4/66s2(7F0)-> 4/6(7F)6s6p (3P0)9F1° -" 4/66s2(7 °F,).

Исследованы также структура изотопических сдвигов и сверхтонкого расщепления уровней, образующих эту систему.

Актуальность данной работы обуславливается следующим:

Благодаря разработке генератора фемтосекундной гребенки, позволяющего осуществить прямую связь радиочастотного и оптического диапазона частот, в настоящее время возрос интерес к использованию высокодобротных оптических резонансов в качестве реперов частоты [1]. Высокая потенциальная добротность оптических резонансов (вплоть до 1018) делает их серьезными конкурентами радиочастотному стандарту частоты. Широко обсуждаются перспективы применения узких резонансов в трехуровневых системах в метрологии [2], магнитометрии и медицине [3,4].

Одним из перспективных узких резонансов в трехуровневой системе под воздействием бихроматического поля является резонанс когерентного пленения населенности (КПН). Резонанс проявляется как провал в контуре поглощения при соблюдении жестких условий на частоты световых полей: разница частот световых полей должна равняться частоте запрещенного перехода между нижними компонентами Л-системы. Резонанс КПН, таким образом, может быть использован для создания новых стандартов частоты, в которых стабилизируется разностная частота Дй> = сох-со2.

Недавно, было предложено использование резонансов & когерентного пленения населенности в качестве ячейки памяти квантового компьютера [5,6]. Идея заключается в возможности перевести атомную систему (например, атомы рубидия) в когерентное состояние с плененной населенностью при помощи бихроматического поля, а затем считать «записанную» информацию с помощью одного из монохроматических полей. Время хранения информации в такой ячейке определяется временем жизни когерентного атомного состояния. Существенную роль при этом приобретает наличие в такой ячейке буферного газа, позволяющего за счет столкновений увеличить время жизни когерентности и заметно сузить резонансы КПН [3, 7].

В приложениях узких резонансов в трехуровневых системах в магнитометрии и метрологии также особую роль играют ячейки с парами Ш щелочных металлов, в которые добавлен буферный газ. Дело в том, что предельная ширина резонанса КПН определяется временем релаксации взаимной когерентности нижних уровней Л — системы и не зависит от ширины верхнего уровня, поскольку при выполнении условия резонанса падающее излучение перестает с ним взаимодействовать. Ширина резонанса, однако, лимитируется времяпролетным уширением, скоростью перевода системы в состояние с плененной населенностью, а также стабильностью разностной фазы лазерных полей. Вклад первых двух факторов существенно зависит от давления буферного газа. Увеличение, времени пребывания атомной системы в лазерных пучках за счет столкновений с буферным газом при выполнении условий, требуемых для создания КПН, может приводить к значительному сужению резонанса. Также к сужению резонанса с ростом давления буферного газа ведет изменение скорости перевода системы в состояние с плененной населенностью. Это явление было экспериментально исследовано в [3] для паров цезия в неоне, соударения с которым практически не нарушают когерентность нижних уровней системы.

Использование эффекта сужения резонанса за счет столкновений с атомами буферного газа позволяет получать узкие резонансы КПН в газонаполненных кюветах. При соответствующем выборе нижних долгоживущих уровней могут наблюдаться чрезвычайно узкие резонансы с добротностью //А/ вплоть до 1014. Такая возможность обсуждалась в работе [8]. Высокая добротность резонансов КПН позволяет рассматривать атомную систему с плененной населенностью в качестве вторичного стандарта частоты, в котором с высокой точностью стабилизирована разность оптических частот щ-о?2 [2]. Использование таких резонансов в газонаполненных кюветах в качестве реперов для стандартов частоты обладает рядом преимуществ: установки, использующие кюветы, могут быть значительно компактнее, чем пучковые установки, их легче изолировать от внешних полей, значительно легче создать мобильный вариант стандарта [3].

Магнитометрические приложения предполагают измерение расщепления резонансов в магнитном поле, поэтому узость резонанса во многом определяет чувствительность магнитометра. Так, например, магнитометр, предложенный в работе [3], использует расщепление резонансов КПН в магнитном поле в цезии с неоном в качестве буферного газа. Чувствительность такого компактного магнитометра составляет около 500 фТлу/Гц. При этом размеры чувствительного элемента магнитометра не превышают спичечного коробка. Предельная теоретическая [9] чувствительность магнитометра на резонансах КПН сравнима с чувствительностью современных сверхпроводящих магнитометров СКВИД, что позволяет рассчитывать на их использование в медицине.

Для регистрации узких резонансов КПН должны выполняться определенные фазовые соотношения для лазерных полей E1(t) = Elcos (a)lt;

До настоящего времени большинство экспериментальных исследований резонансов КПН было выполнено со щелочными атомами, у которых в качестве нижних уровней Л — системы использовались сверхтонкие компоненты основного состояния с типичным расщеплением в несколько гигагерц. Возможность регистрации контрастных и высокодобротных резонансов КПН в щелочных атомах обусловлена следующими факторами: наличием прецизионных стабильных лазерных систем, перестраиваемых в области резонансного перехода и возможностью относительно простой фазовой привязки световых полей этих систем ?" ,(t) и E2(t). Так, в атоме цезия зарегистрированы резонансы с шириной около 50 Гц [3].

Атомы редкоземельных элементов обладают рядом свойств, которые делают их перспективными с точки зрения метрологических приложений. В редкоземельных атомах характерное расстояние между компонентами тонкой структуры конфигурации 4fn6s2 существенно превышает сверхтонкое расщепление основного состояния щелочных атомов и составляет 10— 100 ТТц, в то время как характерное время спонтанного распада этих уровней за счет магнитодипольных переходов составляет несколько секунд. Кроме того, имеются указания о том, что уровни тонкой структуры 4/" 6s2 в редкоземельных атомах слабочувствительны к атомным столкновениям, поскольку они хорошо заэкранированы внешней замкнутой б52 оболочкой [13]. Таким образом, высокая потенциальная добротность резонансов КПН в редкоземельных атомах открывает перспективу их использования в метрологических приложениях, например, для создания вторичного оптического стандарта частоты.

В данной работе в качестве исследуемого атома выбран атом самария, обладающий нулевым полным моментом электронной оболочки в основном состоянии 4/66s2(7F0). В качестве исследуемой системы выбрана А-система (см. рис. 1.11 в Главе 1, на стр. 28) 4/66s2(7F0)->4/6(7F)6s6p (3P0)9F1° 4/66s2(7Fj), нижними уровнями которой являются основное состояние и первая компонента тонкой структуры 4/66s2(7 °F,). Расщепление нижних уровней выбранной.

Л — системы составляет аеп = 293 см" 1. Исследуемая трехуровневая система отличается своей простотой (рис. 1.11), но благодаря присутствию уровня с J = 2 является открытой. Открытый характер системы, однако, не влияет на ширину резонанса КПН [14,15].

Интерпретация нелинейных резонансов требует знания структуры уровней в области исследуемых переходов. Данные об изотопических сдвигах и сверхтонкой структуре переходов могут быть также использованы для определения среднего зарядового радиуса ядра и модуля волновой функции электрона в ядре [16]. Вместе с тем, ввиду сложности электронной конфигурации и богатого изотопического состава большинства лантаноидов, идентификация их спектров и поиск линий соответствующих переходов являются достаточно трудоемкими задачами.

Целью данной работы является экспериментальное изучение высокодобротных нелинейных резонансов (резонансов когерентного пленения населенности, оптической накачки и насыщения) в открытой Л-системе атома самария 4/66s2(7F0) -> 4/6(7F)6s6p (3P0)9 °F,.

-«4fe6s2(jFl}. Также предполагалось исследовать структуру уровней, образующих эту систему.

Имеющиеся спектроскопические данные, относящиеся к выбранным уровням, весьма ограничены. Так, например, в работе [17] проводилось измерение изотопического сдвига ряда изотопов Sm в области длин волн 570−580 нм по сигналу люминесценции, регистрируемому перпендикулярно атомному пучку. Авторы сообщают о зарегистрированной ширине линии 30 МГц, причины уширения линии не обсуждаются. Данные использовались для определения зарядового радиуса ядра.

Работа [18] посвящена систематизации и анализу спектров редкоземельных атомов. В работе представлены результаты измерений относительных сил осцилляторов для ряда преходов в Sm с нижнего терма 4/66s2 7 °F. Измерения проводились методом крюков рождественского.

Работы [19,20] посвящены изучению нелинейных поляризационных эффектов в Sm. В работе [20] в частности проведена идентификация спектра перехода 4/66s2(7Fj)-«4/66s6p (7F0) 570 нм в Sm. В работе наблюдалась резонансная флюоресценция. Пары самария создавались в полом катоде при температуре около 1000 К. Авторы сообщают о зарегистрированной ширине резонанса около 10 МГц при давлении буферного газа (Аг) 200 Па. В работе также исследовалось ударное уширение спектральных линий аргоном.

Работа [21] посвящена изучению нелинейных эффектов Фарадея и Фойхта замкнутого перехода 4/66s2(7Fj) —> 4/66s6p7F0° в атоме самария.

Для исследований был выбран 152 Sm изотоп самария. Пары самария создавались в керамической трубке при температуре около 1000 К. В качестве буферного газа использовался аргон. В работе впервые был зарегистрирован нелинейный эффект Фойхта, а также была приведена теоретическая модель, описывающая нелинейный эффект Фарадея для замкнутого перехода 4/66s2 (7 °F,) -> 4/66s6p7F0°B атоме самария.

В работах [22,23,24] исследовались столкновительное уширение и сдвиг спектральных линий Sm в Не, Ne, Аг. В работе исследуется уширение и сдвиг доплеровски уширенного контура. Авторы приводят величины уширений для исследуемых линий самария в аргоне порядка 0,4 CM’Vr.d., а также сдвига около 0,2смл/гА. (1 r.d.=2.69*1019CM" 3). Для гелия величины уширения и сдвига составляют около 0,8cM" l/r.d. и 0,12cM" !/r.d. соответственно. Этим исчерпываются опубликованные спектроскопические данные по самарию.

Научная новизна данной работы заключается в следующем. Впервые методом насыщенного поглощения зарегистрированы спектры переходов в атоме Sm 4/66s2(7F0) 4/6(7F)6s6p (3P0)9 °F,°,.

4fe6s2{1Fl)-^4f6[1F)6s6p (:sP0YFlo на длинах волн 672 нм и 686 нм соответственно, образующих А-систему. Идентифицированы спектральные линии изотопов Sm. Определена структура верхнего.

4f6 С F)6s6p (2 P0)9 F° уровня и нижнего метастабильного уровня 4/66s2(7Fj). Измерены относительные изотопические сдвиги и сверхтонкое расщепление уровней с точностью 1−2 МГц.

Осуществлена регистрация резонансов когерентного пленения населенности и резонансов оптической накачки в атомных парах изотопа самария 154Sm. Исследована зависимость спектров и контраста резонансов от поляризации лазерных пучков и от направления магнитного поля, приложенного к системе. Проведено изучение влияния столкновений на форму и контраст наблюдаемых узких резонансов.

В главе 1 рассматривается экспериментальное отождествление спектральных линий изотопов самария методом насыщенного поглощения в области переходов в атоме Sm, вовлеченных в исследуемую Асистему. Приведено описание используемого метода, экспериментальная установка, и полученные экспериментальные результаты. Найденные константы сверхтонкой структуры, изотопические сдвиги и сверхтонкое расщепление приведены в таблицах 5, 6.

В главе 2 описана экспериментальная установка для регистрации резонансов КПН, а также приведена простейшая теория резонанса КПН. Приведены основные экспериментальные результаты.

В главе 3 рассматривается зависимость от давления резонансов оптической накачки, сопровождающих резонансы КПН. Произведен расчет формы контура селективной по скоростям оптической накачки на базе модели твердых шариков. На базе приведенной теоретической модели интерпретирована зависимость ширины и контраста наблюдаемых провалов в поглощении.

В заключении диссертации формируются основные результаты работы.

3.3 Основные результаты главы 3.

Экспериментально изучено поведение узких резонансов когерентного пленения населенности и оптической накачки в открытой трехуровневой системе атома самария в зависимости от давления буферного газа. На базе модели твердых шариков изучена зависимость спектров селективной по скоростям оптической накачки от давления буферного газа. Показано, что при определенном давлении резонанс оптической накачки меняет знак и его вклад в формирование «темного» резонанса становится значительным. Также изучено расщепление резонансов оптической накачки в магнитном поле.

Экспериментально исследована селективная по скоростям оптическая накачка в атоме самария. В рамках модели твердых шариков описано поведения селективной по скоростям оптической накачки от давления буферного газа. Получено значение сечения столкновений.

Результаты главы опубликованы в работе [40] и докладывались на конференциях:

• XXII съезд по спектроскопии, Звенигород, 8−12 октября 2001 г [46].

• International Quantum Electronics Conference, (IQEC 2002), Москва, 2002 [47].

Заключение

.

В работе были получены следующие основные результаты:

1. Методом насыщенного поглощения зарегистрированы спектры переходов 4/66s2(7F0)->4/6(7F)6s6p (3P0)9F1° и 4/66s2(7F1) 4/6(7F)6s6p (3P°)9F1° на длинах волн 672 нм и 686 нм в о атоме Sm со спектральным разрешением ~10. Идентифицированы линии, принадлежащие различным изотопам и компонентам сверхтонкой структуры. На основании экспериментальных данных определены константы сверхтонкой структуры верхнего уровня 4/6(7F)6s6p (3P0)9F1° и нижнего уровня 4/66s2(7 °F,). Измерен изотопический сдвиг спектральных линий, соответствующих переходам с низколежащих компонентов тонкой структуры. Значительно уточнена частота перехода в.

4/66s2(7F0) -> 4/6(7F)6s6p (3P0)9F1° в 154Sm — 14 863,7305 ± 0,0015 см'1.

2. Зарегистрированы резонансы когерентного пленения населенности в открытой, А — системе в атоме l54Sm, образованной следующими уровнями: основным состоянием 4/66s2(7F0), первой компонентой тонкой структуры основного состояния 4/66s2(7 °F,) и верхним уровнем 4/6(7F)6s6p (3P0)9 °F,°.

3. Экспериментально исследована форма резонансов когерентного пленения населенности в зависимости от направления внешнего постоянного магнитного поля. Проведен анализ зеемановского расщепления резонансов КПН в поперечном и продольном магнитных полях при линейных ортогональных поляризациях лазерных полей. Определено, что расщепление в поперечном магнитном поле примерно в 25 раз превышает расщепление в ^ продольном поле.

4. Экспериментально изучено поведение узких резонансов когерентного пленения населенности и оптической накачки в открытой трехуровневой системе атома самария в зависимости от давления буферного газа. На базе модели твердых сфер теоретически объяснено поведение экспериментальных спектров селективной по скоростям оптической накачки в зависимости от давления буферного газа. Показано, что при определенном давлении резонанс оптической накачки меняет знак и его вклад в формирование «темного» резонанса становится значительным.

Все полученные результаты являются новыми и оригинальными.

Благодарности.

Приношу глубокую благодарность В. Н. Сорокину за научное руководство, И. И. Собельману за постоянную поддержку проводимых исследований, С. И. Канорскому, Н. Н. Колачевскому, А. А. Папченко за оказанную помощь и советы.

Работа выполнена при поддержке фондов РФФИ и Volkswagen Stifitung, а также Федеральной программы «Интеграция» и Программы Поддержки Ведущих Научных Школ.