Генерация и детектирование когерентности в основном состоянии атомов рубидия лазерным излучением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Зибров, Сергей Александрович

• Зибров, Сергей Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Зибров, Сергей Александрович

Введение

1 Методика эксперимента

1.1 Теория эффекта когерентного пленения населённостей.

1.2 Экспериментальные методы исследования эффектов когерентного взаимодействия атомов со светом.

1.2.1 Когерентные эффекты в бихроматическом поле.

1.2.2 Магнитооптические эффекты в "конфигурации Ханле".

1.3 Инжекционный лазер с внешним резонатором.

1.4 Источник бихроматического излучения.

1.4.1 Оптический захват излучения.

1.4.2 Генерация боковых частот.

1.5 Стабилизации частоты лазерного излучения.

1.6 Калибровка магнитного поля.

2 Высококонтрастные КПН-резонансы в бихроматическом линейно поляризованном поле на Г^-линии 87Шэ

2.1 Традиционные схемы возбуждения КПН резонансов.

2.2 Схема возбуждения КПН-рсзонансов одинаково линейно поляризованными оптическими полями на Г^-линии атомов 87Шо.

2.3 Экспериментальное наблюдение высококонтрастных КПН-резонансов в бихроматическом линейно поляризованном поле

2.4 Характеристики псевдорезонанса.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Генерация и детектирование когерентности в основном состоянии атомов рубидия лазерным излучением»

3.2 Теория формирования чистых суперпозициоиных состояний в эллиптически поляризованном бихроматическим поле.63

3.2.1 Постановка задачи.63

3.2.2 Атомы щелочных металлов.66

3.2.3 Слабо чувствительный к магнитному полю m = 0—т — 0 двух-фотонный резонанс.67

3.2.4 Анализ метода для Di и Дг линий щелочных металлов.68

3.3 Экспериментальное наблюдение чистых суперпозициоиных состояний . 69

3.3.1 Формирование чистых сунерпозиционных состояний в парах атомов 85 Rb и S7Rb.70

3.3.2 Формирование чистых суперпозиционных состояний в 87Rb в условиях большого давления буферного газа .77

3.4 Основные результаты и выводы.79

4 Магнитооптические эффекты в поле встречных волн 81

4.1 Введение.81

4.2 Эксперимент с одним лазером.85

4.3 Механизм увеличения амплитуды резонанса светоиндуцированного поглощения .89

4.4 Теория.93

4.5 Эксперимент с двумя лазерами .96

4.6 Основные результаты и выводы.102

Заключение 103

Литература 105

Введение

Современную спектроскопию атомов и молекул практически невозможно представить без лазеров. Именно с изобретением лазера связан стремительный прогресс в развитии спектроскопии и её переход на новый качественный уровень. Высокая степень когерентности и направленности лазерного излучения в сочетании со значительной спектральной плотностью энергии, превышающей на несколько порядков спектральную плотность источников некогерентного излучения, позволили разработать принципиально новые более точные спектроскопические методы. За счёт поляризационного контроля модового состава и режимов генерации существенно увеличились спектральное и временное разрешение спектроскопии, повысилась чувствительность измерений. Создание перестраиваемых источников лазерного излучения в широком спектральном диапазоне от ультрафиолета до далекой инфракрасной области существенно расширило границы атомной и молекулярной спектроскопии. Были открыты новые направления такие, как нелинейная спектроскопия, спектроскопия быстрых процессов, спектроскопия когерентных процессов и другие.

Значительную роль изобретение лазера сыграло и в развитии метрологии частоты и времени, открыв новые возможности дальнейшего повышения стабильности стандартов частоты. Так создание фемтосекундных лазеров в последние годы инициировало активную работу по связи стандартов частоты оптического и радио диапаг зоной. Кроме того, применение лазеров позволило значительным образом улучшить характеристики стандартов СВЧ диапазона, стабилизируемые частоты которых лежат в диапазоне ~10ш Гц. С помощью лазерного излучения можно контролировать внутренние степени свободы атома, например, оптическая накачка позволяет создавать необходимое неравновесное распределение атомов по сверхтонким и магнитным подуровням. Лазеры позволяют управлять и внешними степенями свободы — охлаждать атомы до сверхнизких температур, что нашло применение в стандартах частоты на атомных фонтанах. Существует много типов СВЧ стандартов — от атомных фонтанов, которые являются первичными стандартами частоты в национальных метрологических лабораториях и имеют объем порядка нескольких кубических метров, до сравнительно малогабаритных цезиевых атомно-лучевых трубок и атомных часов с оптической накачкой на атомах рубидия. Минимальный объем этих часов составляет порядка сотни кубических сантиметров. Такие приборы находят многочисленные применения, например, в телекоммуникации, для навигации самолетов и кораблей, в научном приборостроении. Принцип действия стандарта частоты с оптической накачкой основан на методе двойного радио-оптического резонанса. В этой схеме резонансное излучение перекачивает атомы с одного сверхтонкого уровня на другой, что уменьшает уровень поглощения. Микроволновое (СВЧ) поле, синтезируемое от кварцевого генератора, которое возбуждается в резонаторе, содержащем ячейку с атомами, возвращает часть атомов в поглощающее свет состояние, что снова увеличивает поглощение. Зависимость поглощения резонансного света в ячейке от частоты СВЧ поля формирует опорный резонанс, используемый для стабилизации СВЧ генератора. Предельный размер такого стандарта определяется размером СВЧ резонатора, размеры которого сопоставимы с длиной волны СВЧ поля (3.4 см). Уменьшение габаритов атомных часов до нескольких кубических сантиметров и снижение их энергопотребления позволило бы значительно расширить область гражданских и военных применений.

Дальнейшую возможность уменьшения размеров СВЧ стандартов частоты дат ёт эффект когерентного пленения населённостей, который заключается в том, что под действием двух оптических полей атомная система может совершить переход в особое когерентное суперпозиционное состояние, не взаимодействующее с приложенными оптическими полями. В стандарте частоты, основанном на КПН эффекте, как и в стандарте с оптической накачкой, стабилизируется частота СВЧ-гснератора. Однако непосредственно с атомами СВЧ поле не взаимодействует. Оно модулирует ток и частоту лазера. При этом частота модуляции равна половине сверхтонкого (СТ) расщепления основного состояния атомов. В результате в спектре лазера появляются боковые полосы. Когда расстояние между первыми боковыми полосами, симметрично расположенными относительно несущей частоты, равно частоте СТ перехода, возникает когерентная непоглощающая суперпозиция атомных состояний и пропускание ячейки растет. Зависимость пропускания ячейки от разности частот двух компонент бихроматического оптического поля (КПН-резонанс) регистрируется фотодетектором, и этот сигнал используется для обратной связи и стабилизации

3>,Е3

1>,Е,

Рис. 1. Идеализированная Л - система. частоты СВЧ-поля. Сопоставление двух вариантов, проведенное при прочих равных условиях (на одной ячейке с одним и тем же лазером и т.д.), показало преимущество КПН-метода по всем важным метрологическим параметрам [3]. Особо важным достоинством КПН-метода является возможность радикального уменьшения габаритов стандарта, поскольку отпадает необходимость в СВЧ резонаторе.

Простейшей системой, в которой возможно наблюдение КПН-эффекта, является идеализированная атомная система из трёх энергетических уровней, взаимодействующая с двумя оптическими полями с частотами щ3 и ш23 (Рис. 1). Такую систему принято называть Л-системой. В ней два нижних энергетических уровня |1) и |2) связаны друг с другом через общий верхний уровень |3). В случае, когда разность частот оптических полей с точностью до ширины нижних уровней равна энергии расщепления нижних уровней: атомы переходят в непоглощающую когерентную суперпозицию состояний |1) и |2). Это означает, что, находясь в таком суперпозиционном состоянии, отдельно взятый атом не может поглотить и персиспустить фотон. Иначе говоря, вероятность обнаружить атом на верхнем уровне |3) равна нулю, т.е. такой атом не возбуждается внешними полями. Вся населённость такой А-системы распределяется между нижними уровнями — происходит пленение населёпностей. Если условие (1) не выполняется, то переход системы в когерентное непоглощающее состояние не происходит, и атомы взаимодействуют с оптическими полями, идёт процесс оптической накачки. При изменении разности частот двух оптических полей в спектре поглощения наблюдается узкий провал (т.е. увеличение пропускания), который называется КПН

13 -Щъ = \Ег - Е^/Н

1) или Л-резонансом. Его ширина определяется временем жизни когерентного суперпозиционного состояния и может достигать единиц Гц.

Возможность формирования узких резонансов с помощью эффекта когерентного пленения населённостей обусловила значительный исследовательский интерес к этому эффекту. В настоящее время КПН-эффект нашёл практическое применение не только в метрологии [1-3], но и в прецизионной магнитометрии [4], в нелинейной спектроскопии сверхвысокого разрешения [5-7], в лазерном охлаждении атомов [8] и в других современных направлениях лазерной физики.

Теория взаимодействия "трёхуровневых"атомов с лазерным излучением была фактически развита в конце шестидесятых - начале семидесятых годов. Однако частный случай, когда два нижних уровня являются долгоживущими и имеют близкие энергии (как в случае атомов щелочных металлов), в деталях не рассматривался. Между тем, именно в этом частном случае проявляются главные характерные свойства КПН эффекта: два лазерных поля настроены на сверхтонкие компоненты резонансной линии щелочного металла и в общем случае сильно поглощаются и дают сильную резонансную флуоресценцию. Однако, когда разность частот двух лазеров совпадет с расщеплением основного состояния атомов, поглощение и резонансная флуоресценция резко падают. Впервые этот эффект экспериментально наблюдался в 1976 году в работе [9]. Исследователи, изучая спектр флуоресценции натрия с помощью многомодового лазера на красителе, обратили внимание, что при совпадении частоты расщепления зеемаповских подуровней с межмодовым интервалом лазера, атомный пар переставал флуоресцировать. Ячейка с парами натрия помещалась в неоднородное магнитное поле, направленное вдоль распространения лазерного поля. Вследствие этой неоднородности, условие для формирования когерентного суперпозиционного состояния выполнялось лишь для малой части атомов, и эффект когерентного пленения населённостей проявлялся в виде узкой тёмной полосы во флуоресцирующей ячейке. Именно отсюда берут начало такие термины как "тёмное состояние" или "тёмный резонанс" которые используются в литературе применительно к эффекту КПН.

Теоретически КПН-эффект был объяснен возникновением непоглощающей когерентной суперпозиции атомных состояний в работе [10,11]. К нелинейным интерференционным эффектам, в основе которых лежит образование подобной суперпозиции под действием лазерного излучения, относятся и такие эффекты, как свето-индуцированные прозрачность [12] и поглощение [58], а также эффект пересечения уровней [13]. Заметим, что последний наблюдался задолго до лазеров. Физический механизм в основе этих эффектов такой же, как и в эффекте когерентного пленения иаселённостей — интерференция нескольких возможных каналов возбуждения системы [14,15]. Кратко теория КПН-эффекта будет рассмотрена в Главе 1.

Здесь следует подчеркнуть, что реальный атом отличается от идеализированного "трёхуровневого атома". Прежде всего отличие заключается в том, что возбуждённое состояние (верхний уровень) имеет сверхтонкую структуру (СТС), т.е. состоит из нескольких близко расположенных уровней энергии. Так, атомы всех щелочных металлов имеют две резонансные линии — £>1 и Дг, которые отличаются количеством сверхтонких подуровней в возбуждённом состоянии. Вследствие ряда обстоятельств 1?1-линия является более предпочтительной для формирования контрастных КПН-резонансов. Подробно этот обсуждается в Главе 2. Другим существенным отличием реального атома является наличие многих магнитных подуровней (зеемановской структуры). Достаточно отметить, что коэффициенты Клебша-Гордана переходов между различными подуровнями в сильной степени зависят от поляризации лазерного излучения, что приводят к различным особенностям взаимодействия излучения с атомной системой. Кроме того, наличие зеемановской структуры может приводить к образованию дополнительных непоглощающих состояний, которые ограничивают достижимые значения амплитуды и контраста КПН-резонанса (см. Главу 2). Последовательное теоретическое рассмотрение, учитывающее не только реальную энергетическую структуру атомов, но и случаи произвольной эллиптической поляризации, начато в работах [17,18]. В реальных атомах также всегда имеют место процессы релаксации, которые ограничивают амплитуду и определяют ширину КПН-резонанса. К таким процессам, например, относятся соударение атомов со стенками ячейки и конечное время взаимодействия атомов с излучением. Все перечисленные отличия приводят к тому, что пропускание на вершине КПН-резонанса в реальной системе не достигает ста процентов. Поэтому вопрос о выборе подходящей схемы взаимодействия излучения с атомной средой для создания КПН-резонанса с оптимальными параметрами является актуальным и весьма нетривиальным.

Большинство ранних экспериментальных исследований КПН-эффекта проводилось с помощью лазеров на красителях. В 1991 году в Лаборатории стандартов частоты ФИАН было выполнено первое исследование КПН-эффекта в парах Се с помощью двух независимых высококогернтных инжекционных лазеров с внешним резонатором [19]. Идея исключить прямое взаимодействие СВЧ поля с атомами и заменить его чисто оптическим зондированием метрологического перехода бихро-матическим лазерным полем была впервые сформулирована в работе [20]. Следующим важным шагом была работа [21], в которой доплеровское и пролетное уши-рение КПН-резонанса были уменьшены с помощью буферного газа до 50 Гц. Не менее важной была и работа, в которой была показана возможность применения компактных диодных лазеров, излучающих с поверхности (УСБЕЬ) для регистрации КПН-эффекта [22], хотя эта работа была нацелена на применения эффекта КПН в магнитометрии. Существенную роль сыграло и появление новых методов формирования бихроматического излучения с высокой степенью корреляции фазовых шумов в каждой из компонент: взаимная фазовая привязка двух лазеров [21] и СВЧ модуляция тока инжекции в одном лазере [22]. В работе [23] диодный лазер, излучающий с поверхности впервые использовался именно для КПН-стандарта частоты. Начиная с 2000 года, началось активное исследование КПН эффекта, направленное непосредственно на создание малогабаритных атомных часов [2,24-30,32] и магнитометров [4,31]. Кроме этой задачи интенсивно исследуется возможность создания лабораторных высокоточных часов с применением КПН эффекта, в частности создан цезиевый мазер с накачкой бихроматическим лазерным излучением. Этот цикл работ описан в обзоре [1]. Самому эффекту когерентного пленения нассленностей также посвящен ряд обзоров [14-16].

Цель диссертационной работы. Целью настоящей работы являлось исследование интерференционных эффектов в вырожденной и невырожденной системах уровней изотопов рубидия в моно- и бихроматическом лазерных полях различной поляризации и их возможных применений. Особое внимание уделялось поиску методов формирования узких контрастных резонансов когерентного пленения населённостей необходимых для использования в малогабаритных атомных стандартах частоты,

Перечень основных результатов. Основные результаты диссертации:

1. Экспериментально продемонстрирована возможность формирования высококонтрастных КПН-резонансов на Д-линии в парах 87Шэ в бихроматическом линейно поляризованном поле. Сравнение параметров слабо чувствительного к магнитному полю КПН-резонанса, возбуждаемого по новой схеме, с аналогичными параметрами КПН-резонанса в традиционной схеме зондирования бихроматическим циркулярно поляризованным полем показало, что в области малых давлений буферного газа новая схема позволяет рсгсстрировать КПН-резонанс с улучшенными метрологическими характеристиками.

2. В парах 85Шэ и 87Шэ экспериментально продемонстрирована возможность формирования чистых суперпозиционных состояний на магнитных подуровнях с одинаковыми значениями проекции углового момента то, принадлежащих двум сверхтонким подуровням основного состояния т) и |-Р2,т). Результаты исследования этого нового, более общего метода формирования чистых суперпозиционных состояний показали его эффективность в условиях как больших, так и малых давления буферного газа.

3. При исследовании резонанса свстоиндуцированного поглощения на циклическом переходе Дг-линии 87ЯЬ, обнаружен эффект значительного (на порядок) увеличения амплитуды резонанса под действием дополнительного лазерного поля, резонансного смежному открытому переходу. Предложено объяснение этого эффекта, заключающееся в действии селективной по магнитному полю оптической откачки атомов и взаимном влиянии когерентностей, создаваемых на циклическом и открытом переходах.

Научная новизна и практическая ценность результатов работы. Полученные результаты являются оригинальными и имеют важное практическое и научное значение.

Описанная в Главе 2 схема возбуждения КПН-резонанса одинаково линейно поляризованными оптическими полями на -линии атомов 87Ш) позволяет реализовать А-резонанс с улучшенными метрологическими характеристиками. За счёт своей простоты и эффективности эта схема является одной из наиболее перспективных для использования в малогабаритных атомных часах и магнитометрах.

Метод формирования чистых супсрпозиционных состояний на магнитных подуровнях с одинаковыми значениями проекции углового момента т, принадлежащих двум сверхтонким подуровням основного состояния и то), с помощью бихроматического эллиптически поляризованного ноля, описанный в Главе 3, может иметь широкий спектр приложений: от магнитометров и стандартов частоты, основанных на эффекте КПН, до квантовой информатики.

Результаты исследования эффекта светоиндурованного поглощения в поле встречных волны (Глава 4) могут найти применение в чувствительной магнитометрии, системах стабилизации частоты лазерного излучения, а также в экспериментах по квантовой оптике. Кроме того, они позволяют глубже понять суть механизмов, лежащих в основе когерентных эффектов подобного рода.

Защищаемые положения. Совокупность представленных в диссертации результатов позволяет сформулировать следующие выносимые на защиту положения:

1. Предложенная схема возбуждения КПН-резонансов одинаково линейно поляризованными оптическими полями на £>1-лшши атомов 87Шэ, позволяет реализовать резонансы с улучшенными метрологическими характеристиками.

2. Предложен и экспериментально реализован метод формирования чистых суперпозиционных состояний на магнитных подуровнях с одинаковыми значениями проекции углового момента ш и, принадлежащих двум сверхтонким подуровням основного состояния т) и |^2,т), с помощью бихроматического эллиптически поляризованного поля.

3. Обнаруженный эффект увеличения амплитуды резонанса светоиндуцированно го поглощения на циклическом переходе Дг-линии 87Шэ под действием встречной волны, действующей на смежном открытом переходе, заключается в действии селективной по магнитному полю оптической откачки атомов на другой сверхтонкий подуровень основного состояния и взаимном влиянии когерентно-стей создаваемых на циклическом и открытом переходах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на научных семинарах Физического института им. П.Н. Лебедева, Центра астрофизики при гарвардском университете, а также на следующих конференциях:

• Конференции "Научная сессия МИФИ-2004"(Москва, 26-30 января 2006).

• Международной школе-семинаре по фундаментальной физике для молодых учёных "Квантовые измерения и физика мезоскопических систем КИФМС (Суздаль, 2-4 февраля 2005).

• Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике 11КИ-НО/1СОШ", (Санкт-Петербург, 11-15 мая 2005).

• XXIII Съезде по спектроскопии (Звенигород, 17-21 октября 2005).

• Конференции "Научная сессия МИФИ-2006"(Москва, 23-27 января 2006).

• Конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики" (Москва, 25-28 февраля 2006).

• Конференции "Научная сессия МИФИ-2007" (Москва, 22-26 января 2007).

Результаты диссертации неоднократно входили в отчёты Лаборатории стандартов частоты в качестве важнейших результатов.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 14 научных работах, в том числе в 5 статьях в реферируемых отечественных и зарубежных журналах:

• Taichenachev A.V., Yudin V.I., Velichansky V.L., Zibrov S.A., On the unique possibility to increase significantly the contrast of dark resonances on £>i-line of 87Rb // JETP Letters, 82/7, pp. 449-454, 2005.

• Зибров C.A., Величанский В.Л., Зибров A.C., Тайченачев А.В., Юдин В.И., Экспериментальное исследование т'много псевдорсзонанса на D\ линии 87Rb при возбуждении линейно поляризованным полем // Письма в ЖЭТФ, 82/8,

• с. 534-538, 2005.

• Taichenachev A.V., Yudin V.I., Velichansky V.L., Zibrov A.S., and Zibrov S.A., Pure superposition states of atoms generated by a bichromatic elliptically polarized field // Physical Review A, 73, 013812, 2006.

• Zibrov S.A., Velichansky V.L., Zibrov A.S., Taichenachev A.V., and Yudin V.I., Experimental preparation of pure superposition states of atoms via elliptically polarized bichromatic radiation // Optics Letters, 31 /13, pp. 2060-2062, 2006.

• Зибров C.A., Дудин Я.О., Раднаев А.Г., Васильев В.В., Величанский В.Л., Бражников Д.В., Тайченачев А.В., Юдин В.И., Магнитооптические резонан-сы в поле встречных волн // Письма в ЖЭТФ, 85/9, с. 515-519, 2007.

Структура и объём диссертации. Диссертация содержит 111 страниц, 55 рисунков, 3 таблицы, сиисок использованных источников из 64 наименований. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. В каждой главе несколько разделов, объединенных общей целью исследования.

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Зибров, Сергей Александрович

4.6 Основные результаты и выводы

В ячейке без буферного газа и антирелаксационного покрытия амплитуда резонанса поглощения пробной волны может возрастать более чем на порядок в присутствии встречной волны. Экспериментально эффект исследовался с использованием как одного, так и двух независимых лазеров. В случае, когда встречные волны формировались одним лазером, эффект увеличения амплитуды наблюдался при частоте лазера, настроенной на перекрестный резонанс. При этом встречные волны одновременно взаимодействовали с движущимися атомами на циклическом и открытом переходах с общим нижним уровнем. В эксперимента с двумя независимыми лазерами, работавших на и линии ИЬ эффект наблюдался при настройке частоты одного лазера на циклический переход Рд=2—»Ре=3 Г^-линии (780 нм), а частоты второго — на открытый переход ^=2—>Ре=2 Б^липш (795 нм).

Качественно эффект объясняется действием селективной по магнитному полю оптической откачки и взаимным влиянием когерентностей, создаваемых на циклическом и открытом переходах. Численно полученные зависимости согласуются с соответствующими экспериментальными зависимостями, что говорит об адекватности теоретической модели, использованной для расчетов.

Заключение

В заключение кратко сформулируем основные результаты работы.

Разработан оригинальный метод генерации бихроматического (двухчастотного) поля. Этот метод основан на двух ключевых моментах: па оптическом захвате излучения вспомогательного инжекционного лазера излучением ИЛВР и на генерации боковых резонансных частотных компонент за счёт СВЧ-модуляции тока инжекции этого лазера в режиме оптического захвата. Этот метод подробно описан в Главе 1.

Предложена новая схема возбуждения КПН-резонанса одинаково линейно поляризованными оптическими полями на £>1-линии атомов 87НЬ, которая позволяет реализовать Л-рсзонанс с улучшенными метрологическими параметрами. В отличие от резонанса между нулевыми проекциями магнитного момента (на 0—0 переходе), традиционно используемого в метрологии, здесь слабо чувствительный к магнитному полю двухфотонный резонанс формируется между зеемановскими подуровнями, у которых магнитные квантовые числа отличаются на два, а именно: (—1)-(+1) и (+1)—(—1) резонансы. При этом в точном двухфотонном резонансе непоглощающие суперпозиционные состояния существуют, в то время как паразитное ловушечное состояние отсутствует, что позволяет достичь высокого контраста КПН-резонанса (~40%). Поляризационная конфигурация, в которой частотные компоненты бихроматического поля имеют одинаковые линейные поляризации, легко реализуется путём модуляции тока инжекции полупроводникового лазера на частоте, равной частоте (или половине частоты) сверхтонкого расщепления основного состояния. При этом не требуется дополнительных оптических элементов. Результаты сравнительного анализа новой и традиционной схем возбуждения КПН-резопансов показывают преимущество новой схемы возбуждения.

Предложен новый, более общий метод формирования чистых суперпозиционных состояний на магнитных подуровнях с одинаковыми значениями проекции углового момента т и принадлежащих двум сверхтонким подуровням основного состояния 1^1, т) и т)т — т. Метод основан на эффекте когерентного пленения насе-лённостей и заключается в использовании бихроматического поля, частотные компоненты которого эллиптически поляризованы, а параметры эллиптичности определяются квантовыми числами тиР. Результаты экспериментов, проведённых с атомами 85 Шэ и 87Шэ, подтверждают эффективность предложенного метода.

Обнаружен эффект аномального влияния обратной волны на свойства резонанса светоиндуцированного поглощения в £2-линии 87Шэ.В ячейке без буферного газа и антирелаксационного покрытия амплитуда резонанса поглощения пробной волны может возрастать более чем на порядок в присутствии встречной волны. Экспериментально эффект исследовался с использованием как одного, так и двух независимых лазеров. В случае, когда встречные волны формировались одним лазером, эффект увеличения амплитуды наблюдался при частоте лазера, настроенной на перекрестный резонанс. При этом встречные волны одновременно взаимодействовали с движущимися атомами на циклическом и открытом переходах с общим нижним уровнем. В эксперименте с двумя независимыми лазерами, работавших на £>1- и £>2-линии Шэ эффект наблюдался при настройке частоты одного лазера на циклический переход / д=2—>.РС=3 £)2-линии (780 нм), а частоты второго — на открытый переход Рд=2—>Ре=2 £>1-линии (795 нм). Качественно эффект объяснён действием селективной по магнитному полю оптической откачки и взаимным влиянием когерентностей, создаваемых на циклическом и открытом переходах. Численно полученные зависимости согласуются с соответствующими экспериментальными зависимостями, что говорит об адекватности теоретической модели, использованной для расчетов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Зибров, Сергей Александрович, 2007 год

1. Vanier J. Atomic clocks based on coherent population trapping: a review // Applied Physics B, 81, pp. 421-442, 2005.

2. Knappe S., Wynands R., Kitching J., Robinson H.G., Hollberg L. Characterization of coherent population-trapping resonances as atomic frequency references // Journal of the Optical Society of America B, 18/11, pp. 1545-1553, 2001.

3. Schwindt P.D.D., Knappe S., Shah V., Hollberg L., Kitching J. Chip-scale atomic magnetometer // Applied Physics Letters, 85/26, pp. 6409-6411, 2004.

4. Лстохов В.С.,Чсботаев В.П. Принципы нелинейной лазерной спектроскопии. -. М.: Наука, 1975.

5. Demtroder W. Laser spectroscopy: basic concepts and instrumentation. 3d edition. - В.: Springer Verlag, 2002.

6. Phillips D.F., Fleischhauer M., Mair A., Walsworth R.L., Lukin M.D. Storage of Light in Atomic Vapor // Physical Review Letters, 86/5, pp. 783-786, 2001.

7. Aspect A., Arimondo E., Kaiser R., Vansteenkiste N., Cohen-Tannoudji C. Laser cooling below the one-photon recoil energy by velocity-selective coherent population trapping // Physical Review Letters, 61, pp. 826-829, 1988.

8. Alzetta G., Gozzini A., Moi L., Orriols G. An experimental method for the observation of RF transitions and laser beat resonances in oriented Na vapour // Nuovo Cimento В, 36B/2/1, pp. 5-20, 1976.

9. Arimondo Е., Orriols G. Nonabsorbing atomic coherenccs by coherent two-photon transitions in a three-level optical pumping // Lettere al Nuovo Cimento, 17/2/10, pp. 333-338, 1976.

10. Gray H.R., Whitley R.M., Stroud C.R. Coherent trapping of atomic populations // Optics Letters, 3/6, pp. 218-220, 1978.

11. Harris S.E. Electromagnetically induccd transparency // Physics Today 50/7, pp. 36-42, 1997.

12. Чайка М.П. Интерференция вырожденных атомных состояний. JL: Изд. Ленинградского университета, 1975.

13. Агапьев Б.Д., Горный М.Б., Матисов Б.Г., Рождественский Ю.В. Когерентное пленение населенностей в квантовых системах // УФН, 163/9, с. 1-36, 1993.

14. Fleischhaucr М., Imamoglu A., and Marangos J. P. Electromagnetically induced transparency: optics in coherent media // Review of Modern Physics, 77, pp. 633-673, 2005.

15. Arimondo E. Coherent population trapping in laser spectroscopy // Progress in Optics, 35, pp. 257-354, 1996.

16. Смирнов B.C., Тумайкин A.M., Юдин В.И. Стационарные когерентные состояния атомов при резонансном взаимодействии с эллиптически поляризованным светом. Когерентное пленение населенностей (общая теория) // ЖЭТФ, 96/5, с. 1613-1628, 1989.

17. Тумайкин A.M.,Юдин В.И. Стационарные когерентные состояния при взаимодействии атомов с резонансным поляризованным излучением в присутствии магнитного поля // ЖЭТФ 98/1, с. 81-88, 1990.

18. Akulshin A.M., Celikov А.А., Velichansky V.L. Sub-natural absorption resonances on the D1 line of rubidium induced by coherent population trapping // Optics Communications, 84, p.139-143. 1991.

19. Cyr N., Tetu M., Breton M. All-optical microwave frequency standard: a proposal // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 42, pp. 640-649, 1993.

20. Brandt S., Nagel A., Wynands R., Meschede D. Buffer-gas-induccd linewidth reduction of coherent dark resonances to below 50Hz // Physical Review A, 56/2, R1063, 1997.

21. Affolderbach C., Nagel A., Knappe S., Jung C., Wiedenmann D., Wynands R. Nonlinear- spectroscopy with a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) // Applied Physics B, 70, pp. 407-413, 2000.

22. Kitching J., Knappe S., Vukicevic N., Hollberg L., Wynands R., Weidmann W. A microwave frequency reference based on VCSEL-driven dark line resonances in Cs vapor // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 49/6, pp. 1313 -1317, 2000.

23. Kitching J., Hollberg L., Knappe S., Wynands R. Compact atomic clock based on coherent population trapping // Electronic Letters, 37, pp. 1449-1451, 2001.

24. Kitching J., Robinson H.G., Hollberg L., Knappe S., Wynands R. Optical-pumping noise in laser-pumped, all-optical microwave frequency references // Journal of the Optical Society of America B, 18, pp. 1676-1683, 2001.

25. Knappe S., Kitching J., Hollberg L., Wynands R. Temperature dependence of coherent population trapping resonances // Applied Physics B, 74, pp. 217-222, 2002.

26. Liew L., Knappe S., Moreland J., Robinson H., Hollberg L., Kitching J. Microfabricated alcali atom vapor cells // Applied Physics Letters, 84/14, pp. 26942696, 2004.

27. Merimaa M., Lindwall T., Tittone I.n, Ikonen E. All-ooptical atomic clock based on coherent population trapping in 85Rb // Journal of Optical Society of America B, 20, pp. 273-279, 2003.

28. Stahler M., Wynands R., Knappe S., Kitching J., Hollberg L., Taichenachev A., Yudin V. Coherent population trapping resonances in a thermal 85Rb vapor: D\ versus D2 excitation // Optics Letters, 27, pp. 1472-1474, 2002.

29. Taichenachev A.V., Yudin V.l., Wynands R., Stahler M., Kitching J., Hollberg L. Theory of dark resonances for alkali-metal vapors in a buffer-gas cell // Physical Review A, 67, 033810(11), 2003.

30. Schwindt P.D.D., Lindseth B., Knappe S., Shah V., Kitching J. Liew L. Chip-scale atomic magnetometer with improved sensitivity technique by use of the Mx technique // Applied Physics Letters, 90, 081102, 2007.

31. Vanier J., Godone A., Levi F. Coherent population trapping in cesium: dark lines and coherent microwave emission // Physical Review A, 58, pp. 2345-2358, 1998.

32. Belenov E.M., Vclichansky V.L., Zibrov A.S., Nikitin V.V., Sautenkov V.A., Uskov A.V. // Sov.J.Quantum Electron. 13,792, 1983.

33. Wieman C., Hollberg L. Using diode lasers for atomic physics // Review of Scientific Instruments, 62/1, pp. 1-20, 1991.

34. Vassiliev V.V., Zibrov S.A., Velichansky V.L. Compact extended-cavity diode laser for atomic spectroscopy and metrology // Review of Scientific Instruments, 77, 013102, 2006.

35. Hollberg L., Ohtsu M. Modulatable narrow-linewidth semiconductor lasers // Applied Physics Letters, 53/11, pp. 944-946, 1988.

36. Sivaprakasam S., Singh R. Gain change and threshold reduction of diode laser by injection locking // Optics Communications, 151, pp. 253-256, 1998.

37. Szymaniec K., Ghezali S., Cognet L., Clairon A. Injection locking of diode lasers to frequency modulated source // Optics Communications, 144, pp. 50-54, 1997.

38. Gcrtsvolf M., Rosenbluh M. Injection locking of adiode laser locked to a Zeeman frequency stabilized laser oscillator // Optics Communications, 170, pp. 269-274, 1999.

39. Hong Y., Shore K.A. Observation of optical bistability in a GaAlAs semiconductor laser under intermodal injection locking // Optics Letters, 23/21 pp. 1689-1691,1998.

40. Jau Y.-Y., Miron E., Post A.B., Kuzma N.N., Happer W. Push-pull optical pumpingof pure superposition states // Physical Review Letters, 93, 106800, 2004.

41. Тайченачсв A.B., Юдин В.И., Величанский B.JI., Каргапольцсв C.B., Винандс Р., Китчинг Дж., Холлберг JI. Высококонтрастные тёмные резонансы на D1 линии щелочных металлов в поле встречных волн // Письма в ЖЭТФ, 80/4, с. 265-270, 2004.

42. Zanon T., Guerandel S., de Clercq E., Holleville D., Dimarcq N., Clairon A. High contrast Ramsey fringes with coherent-population-trapping pulses in a double lambda atomic system // Physical Review Letters, 94, 193002, 2005.

43. Kazakov G., Matisov В., Mazets I., Mileti G., Delporte J. Pseudo resonance mechanism of all-optical frequency-standard operation // Physical Review A, 72, 063408, 2005.

44. Taichenachev A.V., Yudin V.l., Velichansky V.L., Zibrov S.A. On the unique possibility to increase significantly the contrast of dark resonances on ZVline of87Rb // JETP Letters, 82/7, pp. 449-454, 2005.

45. Vanier J. Audoin C. The quantum physics of atomic frequency standards. New York: Adam Hilger, 1989.

46. Zibrov S., Novikova I., Phillips D.F., Taichenachev A.V., Yudin V.l., Walsworth R.L., Zibrov A.S. Three-photon-absorption resonance for all-optical atomic clocks // Physical Review A, 72, 011801R, 2005.

47. Wynands R., Nagel A., Brandt S., Meschede D., Weis A. Selection rules and line strengths of Zeeman-split dark resonances // Physical Review A, 58/1, pp. 196-203, 1998.

48. Taichenachev A.V., Yudin V.l., Velichansky V.L., Zibrov A.S., Zibrov S.A. Pure superposition states of atoms generated by a bichromatic elliptically polarized field // Physical Review A, 73, 013812, 2006.

49. Zibrov S.A., Velichansky V.L., Zibrov A.S., Taichenachev A.V., Yudin V.l. Experimental preparation of pure superposition states of atoms via elliptically polarized bichromatic radiation // Optics Letters, 31/13, pp. 2060-2062, 2006.

50. Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров. М: Наука, 1977.

51. M. Prevedelli, T. Frccgarde, and T. W. Hansch, Appl. Phys. В 60, 241 Prevcdelli M., Freegarde T., Hansch T.W. Phase locking of grating-tuned diode lasers // Applied Physics В, 60, pp. S241-S248, 1995.

52. Danchcva Y., Alzetta G., Cartaieva S. Taslakov M., Andreeva Ch. Coherent effects . on the Zeeman sublevels of hyperfine states in optical pumping of Rb by monomodediode laser // Optics Communications, 178, pp. 103-110, 2000.

53. Novikova I.,Matsko A.B., and Welch G.R. Large polarization rotation via atomic coherence // Optics Letters, 26/13, pp. 1016-1018, 2001.

54. Taichenachev A.V., Himaikin A.M., Yudin V.I. On the spontaneous-coherence-transfer-induced sign change of a sub-natural-width nonlinear resonance // JETP Letters, 69/11, pp. 819-824, 1999.

55. Taichenachev A.V., Tumaikin A.M., Yudin V.I. Electromagnetically induced absorption in a four-state system // Physical Review A, 61, 011802, 2000.

56. Akulshin A.M., Barrciro S., Lezama A. Electromagnetically induced absorption and transparency due to resonant two-field excitation of quasidegenerate levels in Rbvapor // Physical Review A, 57/4, pp. 2996-3002, 1998.

57. Valente P., Failache H., Lezama A. Temporal buildup of electromagnetically induced transparency and absorption resonances in degenerate two-level transitions // Physical Review A, 67, 013806, 2003.

58. Akulshin A.M., Cimmino A., Sidorov A.I., McLean R., Hannaford P. Highly nonlinear atomic medium with steep and sign-reversible dispersion // Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics, 5, pp. S479-S485, 2003.

59. Зибров А.С., Мацко А.Б. Резонанс наведённого поглощения на открытом переходе Fs=l-Fe=2 Di линии атомов 87Rb // Письма в ЖЭТФ, 82/8, с. 529-533, 2005.

60. Fuchs J., Duffy G.J., Rowlands W.J., Lczama A., Hannaford P., Akulshin A.M. Electromagnetically induced transparency and absorption due to optical and ground-state coherences in 6Li // Journal of Physics B, 40, pp. 1117-1129, 2007.

61. Brazhnikov D.V., Taichenachev A.V., Tumaikin A.M., Yudin V.I. Electromagnetically induced absorption and transparency in magneto-optical resonances in an elliptically polarized field // Journal of the Optical Society of America B, 22/1, p. 57-64, 2005.