На правах рукописи

.

Соколов Алексей Викторович КОГЕРЕНТНОЕ ПЛЕНЕНИЕ НАСЕЛЕННОСТИ В ПАРАХ МЕТАЛЛОВ Специальность:

01.04.21 Лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2007

Работа выполнена на кафедре квантовой радиофизики Московского физико-технического института (Государственного Университета).

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Сорокин Вадим Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, Губин Михаил Александрович доктор физико-математических наук, Пальчиков Виталий Геннадиевич

Ведущая организация: кафедра общей физики и волновых процессов Физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова

Защита состоится 2 ноября 2007 г. в часов на заседании диссертационного совета K 212.156.05 при Московском физико-техническом институте (ГУ) по адресу:

141700, МО, г.Долгопрудный, Институтский пер., д.9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института (ГУ).

Автореферат разослан 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета K 212.156.05 Коршунов С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из важнейших современных научных задач является измерение времени и частоты, поскольку большинство прецизионных измерений различных физических величин основано на частотных измерениях. Стандарты частоты с каждым годом совершенствуются. В настоящее время первичным стандартом является частота сверхтонкого перехода 133 F = 4 - F = 5 в атоме Cs (9 192 631 770 Гц). Одной их наиболее точных реализаций стандарта частоты является цезиевый фонтан, погрешность частоты которого достигла 510-16.

Однако высокая потенциальная добротность оптических резонансов делает их серьезными конкурентами первичному стандарту.

Для одиночных охлажденных атомов и ионов в ловушках достигнуты ширины оптических резонансов в единицы герц. Особый интерес представляют узкие резонансы в трехуровневых системах.

В широком классе трехуровневых систем с высокодобротным часовым переходом возможно возбуждение резонансов когерентного пленения населенности (КПН), свойства которых позволяет использовать их в качестве реперов частоты.

Явление КПН наблюдается в трехуровневых -системах, в которых переход между двумя нижними уровнями |1 и |запрещен, а переходы на третий верхний уровень |3 с обоих нижних разрешены. В такой системе переход |1 |2 можно использовать в качестве часового перехода. Одним из методов возбуждения этого перехода является воздействие на систему двумя квазимонохроматическими полями на разрешенные переходы так, чтобы разность частот двух полей точно совпадала с частотой часового перехода. Этот механизм возбуждения позволяет исследовать реперы частот и создавать на их основе атомные часы.

До недавнего времени задача измерения оптической частоты и ее сравнения с первичным стандартом решалась с помощью ряда громоздких методов, например, с помощью цепочки делителей интервалов оптических частот. С развитием техники фемтосекундной гребенки, позволяющей напрямую связать оптический и радиочастотный диапазон, возрос интерес к оптическим реперам частот. Для возбуждения высокодобротных резонансов КПН необходимо решить задачу стабилизации разности двух оптических частот, и здесь также можно воспользоваться фемтосекундной гребенкой.

Кроме применений резонансов КПН в качестве реперов частот было предложено использовать зеемановское расщепление резонансов для прецизионных измерений магнитного поля.

Продемонстрирован магнетометр на основе кюветы с цезием, его чувствительный элемент не превышает размеры спичечного коробка. Чувствительность такого компактного магнитометра составляет 500 фТл/ Гц, теоретический предел чувствительности сравним с чувствительностью СКВИД-магнитометров.

Еще одна область науки, в которой предложено использовать явление КПН, это квантовая информатика. Когерентная суперпозиция двух нижних уровней в -системе, которая формируется в эффекте КПН, может быть использована в качестве ячейки памяти квантового компьютера. На сегодняшний день продемонстрировано перепутывание таких суперпозиционных состояний между атомными ансамблями в двух различных кюветах.

Редкоземельные элементы являются перспективным объектом исследования для нелинейной спектроскопии, использования в качестве реперов частоты, магнитометрии и квантовой информации.

Во-первых, они имеют большие значения тонкого расщепления основного состояния (10 ТГц и более), переход между которыми сильно запрещен. А во-вторых, уникальная электронная структура редкоземельных металлов позволяет на несколько порядков уменьшить влияние столкновений на ширину и сдвиг часового перехода. Кроме того, продемонстрирована возможность лазерного охлаждения атомов эрбия и иттербия до ультранизких температур, что позволяет выполнять спектроскопические исследования этих атомов в ловушках и оптических решетках.

Таким образом, изучение резонансов КПН, и в особенности в редкоземельных атомах, имеет обширную сферу применений как в прикладных, так и в фундаментальных исследованиях.

Цель диссертационной работы. Целью работы является экспериментальное исследование резонансов КПН с помощью нового источника на базе фемтосекундной гребенки. Для исследования -систем с большим расщеплением нижних уровней необходима разработка нового лазерного источника, удовлетворяющего следующим требованиям:

Х две оптические частоты источника должны быть настроены на соответствующие разрешенные переходы в исследуемой -системе, Х разность двух частот источника должна быть стабилизирована с точностью до нескольких герц.

Основной задачей диссертационной работы являлось создание лазерного источника и демонстрация его характеристик на примере известной -системы в рубидии.

Научная новизна. Фемтосекундная гребенка широко используется для абсолютных измерений оптической частоты, для сравнения нескольких частот, для преобразования оптической частоты в радиочастоту без потери стабильности. Использование гребенки в качестве стабилизирующего элемента в источнике бихроматического поля, в применении к резонансам КПН является новым и оригинальным.

В диссертационной работе защищаются следующие положения 1. Созданная схема цифрово-аналоговой фазовой привязки обеспечивает стабильность разностной фазы одиночной моды фемтосекундной гребенки лазера MIRA-900F1 и излучения полупроводникового лазера c = 795 нм на уровне RMS = 450.

Производитель фирма Coherent Inc.

2. Схема на основе двух ведомых полупроводниковых лазеров и фемтосекундной гребенки частот обеспечивает стабильность разностной частоты на уровне не хуже 0.Гц при величине разностной частоты 3 ГГц и времени измерения 1 секунда.

3. Полуширина спектрального контура резонанса КПН в рубидии (D2 линия Rb), зарегистрированного с помощью нового бихроматического источника составляет 260 Гц и соотвествует добротности Q 107.

4. Показано, что уровень гетеродинного сигнала между одиночной модой фемтосекундной гребенки лазера GigaJet20, расширенной в фотонно-кристаллическом волокне, и излучения полупроводниковолго лазера с =686 нм обеспечивает возможность надежной фазовой привязки.

Научная ценность работы состоит в разработке, реализации и подробном анализе свойств нового источника бихроматического лазерного излучения. В отличии, например, от методов радиочастотной модуляции, представленный источник открывает возможность регистрировать и исследовать узкие (менее 1 кГц) резонансы КПН в -системах с большим расщеплением нижних уровней (более 10 ТГц).

Достоверность и обоснованность полученных результатов базируется на использовании апробированных методик, развитых ведущими лабораториями мира и подтверждается публикациями в рецензируемых научных журналах и обсуждениями на международных конференциях. Все результаты хорошо согласуются с общеизвестными фактами.

Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в работах [1, 2, 3, 4, 5, 6] и обсуждались на конференциях:

Производитель фирма GigaOptics.

Х Высшая Лазерная ШколаТ2004 УСовременные проблемы лазерной физикиФ, Московская обл., пансионат УЮностьФ, 4 - апреля 2004 г. [7] Х Школа молодых ученых УАктуальные проблемы физикиФ, ноября - 3 декабря 2004 г., Звенигород [8] Х XXIII Съезд по спектроскопии, 17-21 октября 2005 г., Звенигород [9] Х ICAP 2006 (The 20th International Conference on Atomic Physics), 16-21 July 2006, Congress Innsbruck [10] Х ICONO/LAT 2007, May 28 - June 1 2007, Minsk, Belarus [11] Х XVII Конференция УФундаментальная оптика и спектроскопия ФАС-2003Ф, Звенигород"[12] Х ECONOS 2004, 4-6 April 2004, Erlangen [13] Х ECAMP VIII, 6-10 July 2004, Rennes, France [14] Х ECONOS 2005, 10-12 April 2005, Oxford, U.K. [15] Х ICONO/LAT 2005, 11-15 May 2005, St.Petersburg [16] Х EGAS37, 3-6 August 2005, Dublin [17] ичный вклад автора. Автор внес решающий вклад в результативную часть диссертационной работы. Им разработан и создан новый источник бихроматического поля, исследованы его свойства и проведены экспериментальные исследования явления КПН. Автор успешно выполнил расширение фемтосекундной гребенки в одномодовых волокнах и исследовал спектральные характеристики.

Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на страницах, состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 52 иллюстрации и список цитируемой литературы из наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, кратко изложено содержание разделов диссертации.

Первая глава диссертации носит обзорно-теоретический характер. Она посвящена эффекту когерентного пленения населенности (КПН) нелинейному резонансному явлению, происходящему в системе с запрещенным переходом и общим верхним уровнем под воздействием бихроматического поля.

По сути, эффект КПН всегда имеет место при использовании двухфотонного метода возбуждения запрещенного перехода. В этой главе изложены основные свойства эффекта КПН, некоторые из них проиллюстрированы с помощью теоретического анализа и численных расчетов. Теоретические выводы в главе в основном базируются на следствиях из уравнений на языке матриц плотности.

В первом разделе главы подробно рассматривается модельная трехуровневая -система под воздействием двух монохроматических световых полей. Это простейшая система, в которой появляется эффект КПН. На этом простом примере вводятся основные понятия и указываются свойства резонансов КПН.

Далее по тексту главы приводится более сложная модель, приближенная к реальным атомным системам в реальных лазерных полях. Особое внимание уделено выводу тех свойств резонансов КПН, которые важны с точки зрения эксперимента и приложений.

Во втором разделе первой главы рассмотрены влияние циклических переходов на резонанс КПН, резонансы в двойных -системах, а также системы, допускающие конкурирующие процессы оптической накачки. Результаты применены к случаю -систем атома рубидия.

В третьем разделе первой главы развита модель взаимодействия -системы с бихроматическим полем, разностная фаза которого испытывает флуктуации. На основе этой модели был объяснен эффект снижения контраста резонанса КПН при наличии фазовых шумов лазера, а также из-за остаточного доплер-эффекта при экспериментах в кювете.

Вторая глава посвящена созданию фазово-когерентного источника бихроматического поля со стабилизированной разностной частотой, предназначенного для возбуждения узких двухфотонных резонансов КПН.

В начале главы дан краткий обзор методов создания бихроматического поля для регистрации резонансов КПН.

Существенное внимание уделено фемтосекундной гребенке как источнику когерентных мод, а также фазовой привязке лазеров.

Затем изложена идея создания источника бихроматического поля с использованием фазовой привязки полупроводниковых лазеров к модам фемтосекундной гребенки. Бихроматический источник, реализованный на основе этой идеи, является ключевым элементом диссертационной работы. Представлена схема источника с подробным описанием его узлов и экспериментальными результатами, демонстрирующими его свойства.

В третьей главе источник был успешно использован для спектросокпии резонансов КПН в -системах D1 и D2 линий атомов 85 Rb и Rb.

В качестве объекта для бихроматической спектроскопии был выбран атом рубидия. При выборе мы руководствовались как доступностью лазеров с нужными длинами волн, так и тем фактом, что эффект КПН в атоме рубидия хорошо изучен.

В качестве результатов главы представлены спектральные контуры резонансов КПН, зарегистрированные при различных экспериментальных условиях. На основе этих результатов сделан вывод о применимости бихроматического источника в задачах нелинейной спектроскопии.

Четвертая глава посвящена расширению спектра фемтосекундного лазера в коротковолновую область спектра. В начале главы приведена обзорно-теоретическая часть, объясняющая физику генерации суперконтинуума и указывающая на фундаментальные причины появления шумов при нелинейном преобразовании света в волокне.

Спектр излучения фемтосекундного лазера MIRA-900F, используемого в схеме бихроматического источника, был расширен в суперконтинуум. Однако кроме фазово-когерентных мод в спектре суперконтинуума присутствовал некогерентный свет, имеющий шумовую природу. Выполнено исследование зависимости мощности сигнала межмодовых биений в различных условиях. В главе приведены соответствующие спектры.

Далее в главе приведены результаты работы по расширению спектра излучения фемтосекундного лазера GigaJet-20 в нелинейном фотонно-кристаллическом волокне. Представлены спектры сигналов межмодовых биений суперконтинуума. В отличие от экспериментов с лазером MIRA, в случае с лазером GigaJet широкополосный шум отсутствует. Приведен сигнал биений моды суперконтинуума от лазера GigaJet с одномодовым полупроводниковым лазером (686 нм). Амплитуда сигнала составляет 30 дБ над шумом, что позволяет реализовать надежную фазовую привязку к моде суперконтинуума.

В заключении обобщены основные результаты и выводы диссертационной работы.

Основные результаты.

Х Проведен обзорно-теоретический анализ эффекта КПН.

Обобщены основные свойства явления.

Х Разработан и реализован фазово-когерентный источник на основе фемтосекундной гребенки и техники фазовой привязки лазеров.