Когерентное пленение населенности и электромагнитно индуцированная прозрачность в вырожденных системах

Открытие когерентного пленения населенности (КПН) и связанной с ним электромагнитно индуцированной прозрачности (ЭИП) стимулировало развитие новых тенденций в оптике резонансных сред. Формирование окна прозрачности при резонансном взаимодействии волновых полей в многоуровневых системах сопровождается заметным увеличением трассы распространения лазерного излучения. Сильная дисперсия среды в условиях ЭИП приводит к аномально сильному замедлению сигнального импульса в поле волны накачки. При специальном режиме управления излучением возможна и «остановка света», т. е., фактически, реализация оптической памяти. Сочетание малой скорости распространения волнового пакета и увеличения трассы взаимодействия полей в резонансных условиях делает режим ЭИП перспективным для исследования разнообразных нелинейных эффектов. Явления когерентного пленения населенности и электромагнитно индуцированной прозрачности нашли применение в таких областях атомной и лазерной физики как спектроскопия сверхвысокого разрешения, магнитометрия, стабилизация частоты, управление параметрами распространения, усиление без инверсии, создание оптической биста-бильности, обращение волнового фронта, управление параметрами квантовых ансамблей, хранение и обработка оптической и в перспективе квантовой информации [1−8]. Спектр потенциальных приложений постоянно растет.

Первоначально исследование КПН и ЭИП проводилось на базе скалярных уравнений для поля. Влияние поляризации электромагнитных волн на вероятности переходов довольно очевидно, и, естественно, проявляется при экспериментальном исследовании. Роль поляризации становится определяющей в системах с вырождением. Поведение системы начинает существенным образом зависеть от взаимной ориентации поляризации оптических полей [9−15]. Существование темного состояния и когерентное пленение населенности в нем является общим свойством вырожденных систем и достаточно хорошо изучено. В частности, КПН в двухуровневой системе, вырожденной по магнитным подуровням, взаимодействующей с поляризованный излучением, детально исследовано в [16−21].

Отметим два важных обстоятельства, облегчающих создание КПН в вырожденных системах. Во-первых, близость, а в случае точного резонанса даже равенство частот используемых полей в таких схемах позволяет фактически свести к нулю до-плеровское уширение соответствующего КПН двухфотонного перехода. Во-вторых, возможность использования общего источника для генерации взаимодействующих волн позволяет существенно улучшить когерентность возбуждающих воздействий, что оказывает положительное влияние на характеристики эффекта и позволяет использовать в эксперименте достаточно широкополосные лазеры. Все это, вместе с широкой распространенностью вырожденных систем, делает их удобными для экспериментального исследования КПН, ЭИП и связанных с ними эффектов.

Несмотря на большой интерес к вопросам КПН и ЭИП в вырожденных системах и связанным с ними поляризационным эффектам, электромагнитные свойства таких сред до сих пор изучены недостаточно. В теоретическом плане исследование подобных конфигураций, как правило, сводится к аналогии с обычными ЭИП схемами (А, каскадная, Vсхемы). Электромагнитно индуцированная прозрачность в вырожденной системе по своей природе отличается от различных многоуровневых систем. Действительно, несмотря на сложную структуру подуровней и богатство возникающих конфигураций, квантовая система взаимодействует только с одной световой волной. При изучении ЭИП, как правило, рассматривается поведение слабой сигнальной волны в присутствии сильной волны накачки. В вырожденной системе поле любой заданной поляризации можно рассматривать как накачку, а его изменение как сигнальную волну.

Сильная дисперсия среды в условиях электромагнитно индуцированной прозрачности естественным образом проявляет себя при снятии вырождения в вырожденных системах под действием внешних факторов таких, например, как магнитное поле. Данное обстоятельство представляется перспективным использовать для построения соответствующей диагностики. В настоящее время активно обсуждается возможность использования ЭИП в вырожденных системах для создания нового класса оптических магнитометров. Использование ЭИП обещает существенно увеличить чувствительность современных оптических методов измерения магнитного поля и достичь точности SQUID (superconducting quantum interference device) технологии в сочетании с удобством использования, характерной для оптических устройств [22−25]. Наиболее перспективным подходом к использованию дисперсионных свойств ЭИП для измерения магнитного поля в настоящее время считается магнитометрия на основе нелинейного резонансного эффекта Фарадея [26−37]. При этом для проведения измерений необходим только один лазер, что наряду с практическими удобствами решает вопрос о когерентности каналов возбуждения.

При исследовании резонансного нелинейного эффекта Фарадея, как правило, работают с продольным магнитным полем, параллельным направлению распространения электромагнитной волны. При переходе к построению практически реализуемых моделей магнитометра возникает вопрос об учете влияния поперечного магнитного поля. Другим немаловажным вопросом является потеря населенности рабочих уровней за счет оптической откачки на соседние долгоживущие уровни. Оптическая откачка населенности из открытой системы приводит к просветлению перехода и, следовательно, уменьшению угла поворота плоскости поляризации.

Другим путем реализации КПН-магнитометрии является непосредственная регистрация резонансов когерентного пленения населенности в спектре флюоресценции [38−41]. Отметим, что использование дисперсионных свойств среды в режиме ЭИП, в частности, резонансного вращения плоскости поляризации, обеспечивает большую принципиальную чувствительность [22−25]. Однако прямая регистрация положения КПН-резонансов (то есть зеемановского расщепления, соответствующего резонансу) обладает рядом достоинств и может быть в некоторых случаях более удобной. Во-первых, диапазон измеримых полей практически не ограничен. Во-вторых, открывается возможность проведения локальных измерений внутри среды.

Представляется перспективным использование КПН-магнитометрии для диагностики магнитного поля в плазме. Высокое разрешение, характерное для субдопле-ровской КПН-спектроскопии, в сочетании с локальностью измерений обещает существенно улучшить характеристики современных оптических методов диагностики магнитного поля. Переход к новому объекту — плазме вносит ряд особенностей в характеристики КПН, одной из которых является использование в качестве рабочих возбужденных, в общем случае излучающих (то есть не метастабильных), уровней. Возможность возникновения КПН-провала в спектре флюоресценции на переходах между возбужденными уровнями продемонстрирована в [42,43]. Развитие КПН-диагностики магнитного поля требует дополнительных теоретических и экспериментальных исследований. Особый интерес представляет использование поляризационных свойств КПН для измерения направления магнитного поля.

Целью данной диссертации является детальное исследование ряда аспектов когерентного пленения населенности и электромагнитно индуцированной прозрачности в вырожденных системах, имеющих большую важность для фундаментальных исследований и практических приложений. В работе рассмотрены следующие вопросы:

1. Особенности электромагнитно индуцированной прозрачности в вырожденных системах. Замедление распространения изменения поляризации и интенсивности световой волны.

2. Нелинейный резонансный эффект Фарадея в условиях когерентного пленения населенности. Влияние поперечных магнитных полей и оптической откачки населенности с рабочих уровней на параметры эффекта.

3. Когерентное пленение населенности в газе возбужденных атомов и возможность его использования для диагностики магнитного поля в плазме. Использование поляризационных свойств КПН для измерения направления магнитного поля.

Перечень основных результатов, представленных в диссертации, включает следующее:

1. Исследованы особенности электромагнитно индуцированной прозрачности в среде из вырожденных двухуровневых атомов, резонансно взаимодействующих с поляризованным излучением. В приближении отсутствия релаксации между подуровнями нижнего уровня развит общий подход для описания широкого класса систем с одномерным темным состоянием. Показано, что волна поляризации распространяется с групповой скоростью, существенно меньшей скорости света. Обнаружена зависимость групповой скорости от поляризации, приводящая к трансформации поляризационного импульса. Исследованы физические эффекты, связанные с влиянием релаксационных процессов между подуровнями. Обнаружено замедление распространения модуляции интенсивности световой волны вследствие оптической откачки населенности в долгоживущие, не взаимодействующие с излучением состояния, роль которых могут играть как нерезонансные долгоживущие уровни, так и темное состояние.

2. Экспериментально исследована зависимость групповой задержки модуляции поляризации и интенсивности от поляризации электромагнитной волны для различных переходов между компонентами сверхтонкой структуры линии поглощения Di 87Rb. Продемонстрировано, что на переходах, не обладающих темным состоянием, задержки модуляции поляризации не возникает. Исследована зависимость поляризационной задержки от поляризации (эллиптичности) на переходах с одномерным темным состоянием. Установлено, что задержка модуляции интенсивности наблюдается на всех переходах между сверхтонкими компонентами линии D 87 Rb и не зависит от поляризации.

3. Экспериментально и теоретически исследован нелинейный резонансный эффект Фарадея. Для однородно уширенной поляризационной А-системы получены аналитические выражения для величины магнитного поля Вт, при котором эффект максимален, и значения поля Во, при котором эффект меняет знак.

Экспериментально продемонстрирована линейная зависимость между величиной магнитного поля в точке смены знака эффекта и частотой Раби световой волны.

4. Экспериментально исследовано влияние поперечных магнитных полей на нелинейный резонансный эффект Фарадея. Показано, что поперечные поля слабо влияют на нелинейный резонансный эффект Фарадея до тех пор, пока их напряженности не превышают Вт, где Вт — значение продольного магнитного поля в точке максимума эффекта в отсутствие поперечного. Для поперечных полей, перпендикулярных поляризации электромагнитной волны, предложена простая теоретическая модель, хорошо согласующаяся с экспериментальными данными.

5. Исследовано влияние оптической откачки населенности на параметры нелинейного резонансного эффекта Фарадея. Предложена и экспериментально реализована компенсация откачки с помощью излучения вспомогательного лазера. Проведен анализ необходимой мощности. Продемонстрировано увеличение чувствительности и динамического диапазона измеряемых магнитных полей вследствие компенсации оптической откачки населенности. Показана особая важность компенсации в случае существенного различия констант оптической и зеемановской релаксации, характерного для экспериментов в буферных газах.

6. Получено аналитическое выражение для зависимости глубины провала когерентного пленения населенности от интенсивности оптического излучения в плечах Л-схемы. Исследован случай неоднородного доплеровского уширения оптического перехода. Предложена методика определения направления магнитного поля по соотношению глубины КПН-резонансов.

7. Экспериментально исследовано когерентное пленение населенности на расщепленных в магнитном поле зеемановских подуровнях возбужденного состояния в тлеющем разряде неона. Предложен и продемонстрирован в модельном эксперименте новый локальный высокочувствительный оптический метод диагностики величины и направления магнитного поля в плазме на основе когерентного пленения населенности.

Научная и практическая ценность: Полученные результаты имеют большое научное и практическое значение.

Предложенный подход к анализу электромагнитно индуцированной^{прозрачности} в вырожденных системах является общим для широкого класса систем с одномерным темным состоянием и позволяет проводить быстрый анализ для конкретной структуры вырождения. Особенности, обнаруженные в динамике группового замедления резонансного излучения, открывают новый взгляд на ЭИП в вырожденных системах. Результаты исследований являются важными как для фундаментальных исследований, так и для практических приложений, в частности, для задачи о хранении и обработке оптической и квантовой информации.

Проведенные исследования показывают работоспособность магнитометрии на основе нелинейного резонансного эффекта Фарадея в присутствии поперечного магнитного поля и позволяют определить необходимые параметры. Предложенная компенсация оптической откачки населенности из открытых систем обеспечивает увеличение чувствительности и динамического диапазона измеримых магнитных полей. Полученные результаты позволяют глубже понять явление нелинейного резонансного эффекта Фарадея и являются важным шагом к созданию практически реализуемых магнитометров на его основе.

Результаты исследований показывают высокий потенциал явления когерентного пленения населенности для диагностики магнитного поля в плазме, позволяющего проводить сверхточные субдоплеровские измерения. Разработанная методика позволяет определять как величину, так и направление магнитного поля. Процедура измерения локальна, не возмущает основных характеристик разряда и применима в широком диапазоне параметров плазмы.

Апробация работы: Изложенные в диссертации результаты докладывались на семинарах ИПФРАН и на следующих конференциях:

• 2й Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики-2002» (Санкт-Петербург, 14−17 октября 2002 г.).

• 30th EPS conference on controlled fusion and plasma physics (Санкт-Петербург, 7−11 июня 2003 г.).

• 10й Международной конференции по ионным источникам (Дубна, Московская обл. 8−13 сентября 2003 г.).

• 2nd International conference «Frontiers of nonlinear physics» (Нижний Новгород, 5−12 июля 2004 г.).

• 7й Нижегородской сессии молодых ученых (Дзержинск, Нижегородская обл., 22−27 апреля 2002 г.).

• 8й Нижегородской сессии молодых ученых (Дзержинск, Нижегородская обл., 20−25 апреля 2003 г.).

• 2й Молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки нижегородского региона» (Нижний Новгород, 16 мая 2003 г.).

• Конференции молодых ученых «Нелинейные волновые процессы» при 12й всероссийской научной школе «Нелинейные волны — 2004» (29 февраля — 7 марта 2004 г.).

Результаты диссертации неоднократно входили в отчет ИПФ РАН в качестве важнейших результатов года и вошли в отчет о деятельности Российской академии наук в 2003 году. Основные результаты диссертации опубликованы в 19 научных работах [44−62], в том числе в 8 статьях в реферируемых российских и зарубежных научных журналах [44−51].

Структура и объем диссертации

: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения и списка литературы. Всего в работе 48 рисунков и 3 таблицы.

Список литературы

состоит из 84 наименований. Общий объем диссертации — 142 страницы.

Заключение

.

Кратко сформулируем основные результаты, полученные в диссертации.

1. Исследованы особенности электромагнитно индуцированной прозрачности в среде из вырожденных двухуровневых атомов, резонансно взаимодействующих с поляризованным излучением. В приближении отсутствия релаксации между подуровнями нижнего уровня развит общий подход для описания широкого класса систем с одномерным темным состоянием. Показано, что волна поляризации распространяется с групповой скоростью, существенно меньшей скорости света. Обнаружена зависимость групповой скорости от поляризации, приводящая к трансформации поляризационного импульса. Исследованы физические эффекты, связанные с влиянием релаксационных процессов между подуровнями. Обнаружено замедление распространения модуляции интенсивности световой волны вследствие оптической откачки населенности в долгоживущие, не взаимодействующие с излучением состояния, роль которых могут играть как нерезонансные долгоживущие уровни, так и темное состояние.

2. Экспериментально исследована зависимость групповой задержки модуляции поляризации и интенсивности от поляризации электромагнитной волны для различных переходов между компонентами сверхтонкой структуры линии поглощения D 87 Rb. Продемонстрировано, что на переходах, не обладающих темным состоянием, задержки модуляции поляризации не возникает. Исследована зависимость поляризационной задержки от поляризации (эллиптичности) на переходах с одномерным темным состоянием. Установлено, что задержка модуляции интенсивности наблюдается на всех переходах между сверхтонкими компонентами линии D 87Rb и не зависит от поляризации.

3. Экспериментально и теоретически исследован нелинейный резонансный эффект Фарадея. Для однородно уширенной поляризационной Л-системы получены аналитические выражения для величины магнитного поля Вт, при котором эффект максимален, и значения поля Во, при котором эффект меняет знак. Экспериментально продемонстрирована линейная зависимость между величиной магнитного поля в точке смены знака эффекта и частотой Раби световой волны.

4. Экспериментально исследовано влияние поперечных магнитных полей на нелинейный резонансный эффект Фарадея. Показано, что поперечные поля слабо влияют на нелинейный резонансный эффект Фарадея до тех пор, пока их напряженности не превышают Вт, где Вт — значение продольного магнитного поля в точке максимума эффекта в отсутствие поперечного. Для поперечных полей, перпендикулярных поляризации электромагнитной волны, предложена простая теоретическая модель, хорошо согласующаяся с экспериментальными данными.

5. Исследовано влияние оптической откачки населенности на параметры нелинейного резонансного эффекта Фарадея. Предложена и экспериментально реализована компенсация откачки с помощью излучения вспомогательного лазера. Проведен анализ необходимой мощности. Продемонстрировано увеличение чувствительности и динамического диапазона измеряемых магнитных полей вследствие компенсации оптической откачки населенности. Показана особая важность компенсации в случае существенного различия констант оптической и зеемановской релаксации, характерного для экспериментов в буферных газах.

6. Получено аналитическое выражение для зависимости глубины провала когерентного пленения населенности от интенсивности оптического излучения в плечах Л-схемы. Исследован случай неоднородного доплеровского уширения оптического перехода. Предложена методика определения направления магнитного поля по соотношению глубины КПН-резонансов.

7. Экспериментально исследовано когерентное пленение населенности на расщепленных в магнитном поле зеемановских подуровнях возбужденного состояния в тлеющем разряде неона. Предложен и продемонстрирован в модельном эксперименте новый локальный высокочувствительный оптический метод диагностики величины и направления магнитного поля в плазме на основе когерентного пленения населенности.