Динамические эффекты при рассеянии света оптически плотными ансамблями холодных атомов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.02, кандидат физико-математических наук Дацюк, Владимир Миронович

• Дацюк, Владимир Миронович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Дацюк, Владимир Миронович

Введение

Глава 1. Методы вычислений

1.1. Вычисление корреляционных функций рассеянного света с помощью методов диаграммной техники.

1.2. Обобщение процедуры вычислений на случай наличия управляющего поля.

1.3. Подавление эффекта когерентного пленения населенностей при спонтанном распаде возбужденого состояния.

1.3.1. Спонтанный распад в А—системе.

1.3.2. А—система во внешнем поле.

1.3.3. Эффект подавления когерентного пленения населенностей в многоуровневых системах.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамические эффекты при рассеянии света оптически плотными ансамблями холодных атомов»

Актуальность темы. Изучение процессов многократного рассеяния квазирезонансного излучения в оптически плотной среде холодных атомов занимает важное место в современной атомной физике и квантовой оптике. Это обусловлено целым рядом причин. Во-первых, многократное рассеяние накладывает ограничения на предельно достижимое охлаждение атомов [1-3]. Во-вторых, распространение света в оптически плотной среде холодных атомов отличается от хорошо изученного переноса излучения в условиях сильного доплеровского уширения [4]. Оно также отличается от диффузии света в среде классических рассеивателей. Так, эксперимент показывает, что скорость диффузии света в плотной воздушной взвеси частиц ТЮ2 со средним диаметром 220 нм оказалась на порядок меньше скорости света в вакууме [5]. Для атомов, охлажденных в магнитооптических ловушках (МОЛ), эта скорость уже на пять порядков меньше скорости света [6]. В-третьих, многократное рассеяние оказывает влияние на эффекты, связанные с атомной когерентностью, такие как когерентное пленение населенностей и электромагнитно - индуцированная прозрачность (ЭИП), что чрезвычайно важно в задачах квантовой информатики [7-9]. Наконец, особый интерес представляют возможные интерференционные эффекты при многократном рассеянии в неупорядоченной среде холодных атомов. Одним из таких эффектов является когерентное обратное рассеяние (КОР) света, которое состоит в наличии резко анизотропной добавки к сечению рассеяния, отличной от нуля только в узком конусе вблизи направления, противоположного направлению падающей на среду плоской волны [10]. Понимание интерференционных эффектов важно также для успешной реализации так называемого эффекта сильной локализации света, явления, аналогичного андерсоновской локализации электронов в твердом теле [И] и проявляющегося в резком подавлении диффузии в плотной среде [12,13].

Несмотря на большое число работ, посвященных анализу процессов взаимодействия света с холодными атомными ансамблями, многие аспекты такого взаимодействия исследованы недостаточно подробно. Так лишь незначительное число работ выходит за рамки анализа стационарного рассеяния и посвящено динамическим, нестационарным эффектам, имеющим место при многократном рассеянии импульсного излучения. Отметим, что именно при рассеянии импульсного излучения эффекты пленения наблюдаются непосредственно и проявляются наиболее ярко. Кроме этого, при теоретическом описании исследования обычно проводятся на модельных системах: атомы предполагаются двух или трехуровневыми, реальная сверхтонкая и зеемановская структура игнорируется. Подобные упрощения не позволяют корректно рассматривать поляризационные эффекты при рассеянии света атомными ансамблями. Как правило, в имеющихся работах также не учитывается возможная неоднородность пространственного распределения атомов, хотя и это обстоятельство существенно влияет на характер рассеяния. В данной работе эффектам, связанным с динамическими закономерностями, сверхтонкой и зеемановской структурой атомов, а также пространственной неоднородностью атомного облака, уделено особое внимание.

Характер рассеяния существенным образом изменяется при воздействии на атомное облако вспомогательного, так называемого, управляющего поля. Такое воздействие приводит к созданию лазерно-индуцированной когерентности в атомных, молекулярных системах, вызывая существенную модификацию их оптических характеристик, что наблюдается по изменению свойств пробного, слабого света. Наведенная атомная когерентность лежит в основе как достаточно хорошо изученных оптических явлений - когерентного пленения населенностей [14] и электромагнитно - индуцированной прозрачности [15], так и ряда новых, именуемых в литературе терминами "замедление света" и "остановка света" [8].

В подавляющем большинстве исследований, посвященных оптически - индуцированным эффектам, основное внимание уделяется свойствам прошедшего пробного излучения, что в терминах задачи рассеяния соответствует анализу когерентного рассеяния вперед, т.е. рассеяния в моду, изначально заполненную пробным излучением. Рассеяние в другие моды практически не анализируется. Однако, несмотря на относительную малость, некогерентное рассеяние может представлять интерес с нескольких разных точек зрения. Во-первых, наличие некогерентно рассеянных фотонов может повлиять на характер когерентного состояния среды и поэтому важно при описании процессов индуцированной прозрачности [7,16]. Во-вторых, некогерентное рассеяние очень чувствительно к параметрам эксперимента, поэтому является чрезвычайно информативным, достаточно сказать, что в идеальном стационарном случае оно просто отсутствует. Наконец, особый интерес представляет влияние управляющего поля на характер интерференционных эффектов при многократном рассеянии в неупорядоченных средах, в частности на КОР.

Отметим еще одну особенность рассеяния в условиях ЭИП, важную для его описания и не исследованную в настоящее время в должной мере. Изменение направления волнового вектора фотона пробного излучения при некогерентном рассеянии приводит к необходимости корректного описания распространения света в атомной среде в произвольном направлении по отношению к направлению управляющего поля. В определенных ситуациях управляющее поле по-разному взаимодействует с разными зеемановскими переходами, что приводит в условиях электромагнитно-индуцированной прозрачности к появлению в атомных средах анизотропных оптических свойств - дихроизма и двулучепреломления [17-20]. Данные эффекты требуют корректного учета реальной структуры атомных уровней и не проявляются для модельных трехуровневых систем.

Основной целью настоящей работы является исследование динамики рассеяния импульсного излучения ансамблями холодных атомов в условиях пленения, в том числе при наличии управляющего поля. В рамках достижения этой цели в диссертации:

1. Исследованы спектральные и поляризационные эффекты при рассеянии света оптически плотными атомными ансамблями в магнитооптических ловушках. '

2. Проведен анализ анизотропных свойств холодных атомных ансамблей в условиях действия управляющего поля.

3. Изучено некогерентное рассеяние света в условиях электромагнитно -индуцированной прозрачности.

4. Проведен анализ когерентного обратного рассеяния в условиях электромагнитно - индуцированной прозрачности.

Поставленные задачи решены с учетом всех значимых факторов - неоднородности пространственного распределения атомов в облаке, конечной оптической толщины, сверхтонкой и зеемановской структуры атомов, произвольной взаимной ориентации пробного и управляющего полей.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней для оптически плотного ансамбля холодных атомов впервые:

• Предсказана зависимость степени поляризации рассеянного света от времени при рассеянии импульсного излучения, проведен анализ углового распределения интенсивности рассеянного света, рассмотрено влияние оптической толщины среды и поперечных размеров лазерного луча на исследуемые закономерности.

• Установлено существенное влияние нерезонансных сверхтонких уровней, а также пленения излучения в облаке на спектральную зависимость степени поляризации рассеянного света.

• В условиях ЭИП вычислен тензор диэлектрической восприимчивости с помощью которого исследованы анизотропные свойства атомного ансамбля - двулучепреломление и дихроизм. В частности, исследованы спектры пропускания атомной среды в зависимости от поляризации пробного света, величины управляющего поля, угла между направлениями распространения пробного и управляющего полей.

• Исследован характер некогерентного рассеяния в условиях ЭИП. Проведен учет влияния поляризации падающего света и параметров управляющего поля на время задержки и искажение формы импульса при рассеянии импульсного излучения. Изучены особенности рассеяния в рэлеевском и рамановском каналах.

• Рассмотрен эффект когерентного обратного рассеяния света в условиях ЭИП. Предсказано наличие, при определенных условиях, деструктивной интерференции при рассеянии назад.

Научная и практическая значимость. Исследования, проведенные в работе, позволяют лучше понять физику происходящих при рассеянии света многоатомными системами процессов. Полученные в диссертации аналитические решения для фотонных функций Грина в условиях действия управляющего поля могут быть использованы для описания распространения излучения в неупорядоченных, неоднородных атомных средах с наведенной оптической анизотропией. Анализ свойств рассеянного света и интерференционных явлений при рассеянии может быть использован в качестве метода диагностики состояния холодных атомных ансамблей. Анализ динамических закономерностей можно рассматривать как метод выделения парциальных вкладов рассеяния различной кратности. В частности, анализ поляризационных свойств рассеянного света может рассматриваться как метод исследования выстраивания в атомном ансамбле. Измерение интенсивности некогерентно рассеянного излучения в условиях ЭИП может использоваться в качестве метода исследования межатомных взаимодействий в среде холодных атомов, а также анализа точности настройки в резонанс в квантовых стандартах частоты, основанных на эффекте ЭИП. В квантово-информационных задачах некогерентное рассеяние является основным каналом потерь фотонов, а следовательно, и потерей информации. Понимание физики процессов некогерентного рассеяния, даст возможность выбрать режимы работы устройств, позволяющие уменьшить эти потери. Сильное влияние управляющего поля на характеристики атомного облака может использоваться для разработки механизмов быстрого управления его оптическими свойствами, и как следствие, позволяет предложить механизмы создания линий задержек и переключающих устройств для целей оптической связи и обработки информации.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Пленение излучения в облаке при рассеянии импульсного излучения приводит к возникновению немонотонной зависимости степени поляризации рассеянного света от времени.

2. Нерезонансные сверхтонкие уровни, а также конечная оптическая толщина атомного облака оказывают существенное влияние на спектральную зависимость степени поляризации рассеянного света.

3. Возникающие в условиях электромагнитно-индуцированной прозрачности анизотропные оптические свойства атомного ансамбля влияют на характер как когерентного, так и некогерентного рассеяния.

4. Управляющее поле существенным образом меняет характер интерференционных эффектов при рассеянии назад. В условиях электромагнитно-индуцированной прозрачности, возможно возникновение деструктивной интерференции при когерентном обратном рассеянии, что демонстрируется наличием спектральных областей для падающего света, в которых фактор усиления меньше единицы.

Апробация работы. Изложенные в работе материалы неоднократно докладывались на научных семинарах кафедры теоретической физики СПбГПУ, на кафедре теоретической физики и астрономии РГПУ им. Герцена и на факультете атомной физики Old Dominion University (Норфолк, США). По материалам статей сделаны доклады на следующих конференциях и семинарах: X Международной конференции по квантовой оптике (Минск, май 2004); конференции "Фундаментальные проблемы оптики" (Санкт-Петербург, октябрь 2004); Международной конференции по квантовой и нелинейной оптике ICONO/LAT (Санкт-Петербург, май 2005); 3-м семинаре по квантовой оптике, посвященном памяти Д. Н. Клышко (Москва, май 2005); XI Международной конференции по квантовой оптике (Минск, май 2006); Международной конференции по когерентному управлению фундаментальными процессами в оптике CCFP-06 (Нижний Новгород, июль 2006)

Личный вклад автора. Подавляющее большинство, представленных в диссертации результатов, получены автором лично; выбор общего направления исследований, оптимальных методик вычислений и постановка рассматриваемых задач осуществлялись совместно с научным руководителем.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из четырех глав. Помимо общего введения, все главы сопровождаются отдельными вводными частями, содержащими детальную постановку конкретных задач и обзор соответствующей литературы. Основные результаты работы разделены по главам и приведены в заключениях к каждой главе. Объем диссертации составляет 107 страниц, в том числе 43 рисунка. Библиография включает 99 наименований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Дацюк, Владимир Миронович, 2006 год

1. Кузьмин В. JI., Романов В. П. Когерентные эффекты при рассеянии света в неупорядоченных системах // УФН. — 1996. — Т. 166. — С. 247278.

2. Anderson P. W. Absence of diffusion in certain random lattices // Phys. Rev. 1958. - Vol. 109. - Pp. 1492-1505.

3. Localization of light in a disordered medium / D. S. Wiersma, P. Bartolini, A. Lagendijk, R. Righini // Nature. 1997. - Vol. 390.- Pp. 671-673.

4. Chabanov A. A., Stoytchev M., Genack A. Z. Statistical signatures of photon localization // Nature. 2000. - Vol. 404. - Pp. 850-853.

5. Когерентное пленение населенностей в квантовых системах / Б. Д. Ага-пьев, М. Б. Горный, Б. Г. Матисов, Ю. В. Рождественский // УФН.— 1993.-Т. 163.-С. 1-36.

6. Marangos J. P. Electromagnetically induced transparency // Electromagnetically induced transparency.— 1998.— Vol. 45.— Pp. 471 -503.

7. Fleischhauer M. Optical pumping in dense atomic media: Limitations due to reabsorption of spontaneously emitted photons // Europhys. Lett. — 1999. — Vol. 45.-Pp. 659-665.

8. McGloin D., Dunn M. H., Fulton D. J. Polarization effects in electromagnetically induced transparency // Phys. Rev. A.— 2000.— Vol. 62.- Pp. 053802.1-053802.6.

9. Electromagnetically induced magnetochiral anisotropy in a resonant medium / V. A. Sautenkov, Y. V. Rostovtsev, H. Chen et al. // Phys. Rev. Lett. ~ 2005. Vol. 94. - Pp. 233601.1-.

10. Optically induced faraday effect using three-level atoms / D. Cho, J. M. Choi, J. M. Kim, Q.-H. Park // Phys. Rev. A. 2005. - Vol. 72. - Pp. 023821.1023821.5.

11. Константинов О. В., Перелъ В. И. Графическая техника для вычисления кинетических величин. // ЖЭТФ. 1960. - Т. 39. - С. 197-208.

12. Javanainen J. Effect of state superpositions created by spontaneous emission on laser-driven transitions // Europhysics Letters.— 1992.— Vol. 17.— Pp. 407-412.

13. Weisskopf V. F., Wigner E. P. // E. Z. Phys. 1930. - Vol. 65. - P. 54.

14. Александров E. Б., Хвостенко Г. И., Чайка M. П. Интерференция атомных состояний. — Наука, 1991. — 254 с.

15. Батыгин В. В., Топтыгин И. Н. Современная электродинамика, часть 1.— Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. — 736 с.

16. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. — М.: Наука, 1978. — 832 с.

17. Мандель Л., Волъф Э. Оптическая когерентность и квантовая оптика. — М.: Физматлит, 2000. 896 с.

18. Попов А. К. Введение в нелинейную спектроскопию. — Новосибирск: Наука, 1983. 274 с.

19. Стенхолъм С. Основы лазерной спектроскопии.— М.: Мир, 1987. — 312 pp.

20. Arimondo Е. Coherent population trapping in laser spectroscopy // Progress in Optics. 1996. - Vol. 35. - Pp. 257-354.

21. Happer W. Optical pumping // Rev. Mod. Phys.— 1972.— Vol. 44.— Pp. 169-249.

22. Воршалович Д. А., Москалев A. H., Херсонский В. К. Кванотвая теория углового момента. — JL: Наука, 1975. — 439 с.

23. Compton К. Т. Theory of ionization by cumulative action and the low voltage arc // Phys. Rev. 1922. - Vol. 20. - Pp. 283-299.

24. Zemansky M. W. The diffusion of imprisoned resonance radiation in mercury vapor // Phys. Rev. 1927. - Vol. 29. - Pp. 513-523.

25. Zemansky M. W. Equivalent absorption coefficient for diffused resonance radiation 11 Phys. Rev. 1932. - Vol. 42. - Pp. 843-847.

26. Kenty C. On radiation diffusion and the rapidity of escape of resonance radiation from a gas // Phys. Rev. 1932. - Vol. 42. - Pp. 823-842.

27. Coherent backscattering of light by cold atoms / G. Labeyrie, F. de, C. Bernard et al. // Phys. Rev. Lett. 1999. - Vol. 83.- Pp. 5266-5269.

28. Weak localization of light by cold atoms: The impact of quantum internal structure / C. A. Muller, T. Jonckheere, C. Miniatura et al. // Phys. Rev. A. Vol. 64. - Pp. 053804.1-053804.20.

29. Hanle effect in coherent backscattering / G. Labeyrie, C. Miniatura, O. Sigwarth et al. // Phys. Rev. Lett. 2002.- Vol. 89.- Pp. 163901.1163901.4.

30. Measurement of correlated multiple light scattering in ultracold atomic rb85 / P. Kulatunga, С. I. Sukenik, S. Balik et al. // Phys. Rev. A. 2003. -Vol. 68.- Pp. 033816.1-033816.10.

31. Saturation-induced coherence loss in coherent backscattering of light / T. Chaneliere, D. Wilkowski, Y.Bidel et al. // Phys. Rev. E.- 2004.-Vol. 70.-Pp. 036602.1-036602.4.

32. Spectral dependence of coherent backscattering of light in a narrow-resonance atomic system / D. V. Kupriyanov, I. M. Sokolov, N. V. Larionov et al. // Phys. Rev. A. 2004. - Vol. 69. - Pp. 033801.1-033801.10.

33. Kupriyanov D. V., Larionov N. V., Sokolov I. M. Coherent backscattering of nonmonochromatic light by an ensemble of cold atoms // Opt. Spectrosc. — 2004.-Vol. 96.- Pp. 742-749.

34. Coherent backscattering of light from ultracold and optically dense atomic ensembles / D. V. Kupriyanov, I. M. Sokolov, С. I. Sukenik, M. D. Havey // Laser Phys. Lett. 2006. - Vol. 3. - Pp. 223-243.

35. Multiple scattering of light by atoms in the weak localization regime / T. Jonckheere, C. A. Muller, R. Kaiser et al. // Phys. Rev. Lett.- 2000.-Vol. 85.-Pp. 4269-4272.

36. Городничев E. E., Дударев С. JI., Рогозкин В. Б. Поляризационные явления при когерентном обратном рассеянии частиц от случайных сред // ЖЭТФ. 1990. - Т. 97. - С. 1511-1529.

37. Kupriyanov D. V., Sokolov I. М., Havey М. D. Antilocalization in coherent backscattering of light in a multi-resonance atomic system // Opt. Commun. 2004. - Vol. 243. - Pp. 165-173.

38. Destructive interference in coherent backscattering of light by an ensemble of cold atoms / D. V. Kupriyanov, N. V. Larionov, I. M. Sokolov, M. D. Havey // Opt Spectrosc. 2005. - Vol. 99. - Pp. 362-367.