13 Механическое действие света на атомы



Рецензенты член-корреспондент АН СССР, Карлов, доктор физико-математических наук А.А.Михайловлов

Механическое действие света на атомы

А. П. Казанцев, Г. И. Сурдутович, В. П. Яковлев.

М.: Наука. 1991г.

Обсуждаются основные принципы пондермоторного воздействия лазерного излучения на резонансные атомы и молекулы. Детально научаются оптический аналог эффекта Штерна Герлаха и бипотенциальное движение, дисперсионные свойства атомов в световом поле, дифракция и интерференция атомов в оптических полях, рассеяние и ускорение атомов светом, теория силы резонансного светового давления, кинетика атомов в световых полях охлаждение, группировка по скоростям, пространственная локализация, а также поляризационные явления и эффект отдачи. Рассматриваются основные эксперименты и возможные приложения в спектроскопии и других разделах оптики.
Книга рассчитана на физиков (специалистов и студентов), интересующихся квантовой оптикой и лазерной физикой.


ВВЕДЕНИЕ

Световое давление как физическое явление имеет давнюю и интересную историю. Гипотеза о том, что свет оказывает давление на частицы и тела, была высказана Кеплером и Ньютоном. К выводу о существовании светового давления Бертолли пришел из термодинамических соображений. В 1873 г. Максвелл, исходя из созданной им теории электромагнитного поля, нашел силу светового давления.
Первое экспериментальное измерение силы, с которой свет давит на тонкую металлическую пластину, было проведено Лебедевым в 1901 г. Вскоре подобный эксперимент был осуществлен Никольсом и Хуллом. Эти работы показали, что давление света можно наблюдать не только в астрофизических явлениях, но и в лабораторных условиях. Важным шагом на этом пути является попытка Лебедева измерить давление излучения на газорезонансных молекул.
С физической точки зрения пондермоторное действие света возникает в результате процесса обмена энергией и импульсом между полем и частицами. Принципиальное значение этого процесса для установления термодинамического равновесия между излучением и веществом было установлено Эйнштейном.
Капица и Дирак показали, что стоячая световая волна, может играть роль дифракционной решетки для электронов. Однако взаимодействие свободных электронов с полем является нерезонансным. и поэтому для эффективного рассеяния частиц требуются большие мощности излучения, порядка нескольких мегаватт в импульсе.
Взаимодействие атомов с излучением в оптическом диапазоне частот может иметь резонансный характер. В частности, резонансное сечение рассеяния фотона на атоме порядка квадрата длины волны света и превышает томсоновское сечение рассеяния на электроне на 15 17 порядков. Поэтому для наблюдения пондермоного действия света на резонансные частицы могут быть использованы весьма слабые поля.


Экспериментальное изучение эффекта отдачи, которую испытывает атом при рассеянии фотонов, было начато Фришем. Для этой цели использовался атомный пучок, облученный светом резонансной лампы.
Современный этап в исследовании проблемы резонансного светового давления связан с появлением когерентных источников излучения лазеров, в особенности лазеров перестраиваемой частоты. Можно сказать, что возникла новая. перспективная, интенсивно развивающаяся область лазерной физики, которая занимается изучением механического действия света на атомы. Чем привлекательна эта область исследования?
С помощью световых полей можно эффективно воздействовать на поступательное движение атомов и молекул: тормозить или ускорять частицы, селективно отклонять и рассеивать атомные пучки на значительные углы, охлаждать атомы и ионы до сверхнизких температур. Резонансные лазерные поля позволяют создавать оптические ловушки для нейтральных частиц. Кроме того, световое поле может играть роль дифракционной решетки для резонансных атомов. Это открывает возможность изучения дифракции и интерференции, обусловленных квантовым характером поступательного движения тяжелых частиц. Таким образом, проблема резонансного светового давления охватывает широкий круг разнообразных явлений, которые отличаются как по своей физической природе, так и по характерным масштабам, например энергетическим.
Так, при излучении или поглощении фотона неподвижный атом приобретает импульс отдачи, равный импульсу фотона, и кинетическую энергию, что для оптических переходов составляет 10-10 эВ. Это значение является минимальным энергетическим (частотным) масштабом в эффектах светового давления для атомов с сильными (разрешенными) переходами, таких, как Na, Cs, Ва и др.
Другой характерный частотный масштаб возникает из-за взаимодействия атома с нулевыми колебаниями электромагнитного поля, которое определяет естественную ширину резонансного перехода кванта. Для разрешенных переходов (эта величина) значительно (на три-четыре порядка) превышает частоту отдачи. Частота спонтанных переходов кванта определяет перину резонанса в оптических характеристиках атома, а также в силе светового давления. Из-за случайного квантового характера спонтанного излучения сила светового давления флуктуирует. В простейшем случае одномерного движения двухуровневого атома ширина спектра этих флуктуаций есть квант и по порядку величины совпадает с минимальной температурой, до которой можно охладить атомы с помощью светового давления. Энергия взаимодействия атомов с внешним полем есть dE,
где d дипольный момент резонансного перехода;
Е напряженность электрического поля световой волны. Величина dЕ/h (частота Раби) представляет собой скорость вынужденных переходов между рабочими уровнями атома. В лазерах перестраиваемой частоты dE/h меняется в широких пределах от значений, малых по сравнению с квантом, до величин порядка (102 103) кванта. При рассеянии, а также при охлаждении и пространственной локализации атомов в сильных неоднородных полях типа стоячей волны характерная энергия частиц определяется величиной dE.
При больших временах взаимодействия число перерассеяных фотонов N велико. Изменение импульса атома на величину Nhk может быть большим, сравнимым с тепловым импульсом частиц. Масштаб таких процессов 10-2 10-1 эВ. Таким образом, энергетический интервал эффектов светового давления оказывается очень большим его границы отличаются на восемь-девять порядков!
Важно и то, что эта область исследований лежит в пределах возможностей современного эксперимента. В такой ситуации теория и эксперимент развиваются, «подхлестывая» друг друга. Основные этапы бурного развития физики резонансного светового давления за последние полтора десятка лет можно проследуешь по обзорам. Пондермоторное лазерное воздействие может иметь разнообразные практические применения. Это разработка эффективных методов управления
атомными и молекулярными пучками и струями, включающих их замедление и монохроматизацию, отклонение, фокусировку и коллимацию; разделение изотопов и очистка молекулярных струй.
Применение медленных атомов в спектроскопии позволяет устранить эффекты пролетного времени и доплеровского уширения. Кроме того, пучки медленных атомов могут стать прецизионным инструментом в физике поверхностных явлений.
С помощью лазерного охлаждения можно продвинуться в решении проблемы монокинетизации частиц в ионных накопительных кольцах.
Сверхмедленные атомы и ионы, находящиеся в ловушках можно наблюдать и изучать в течение «макроскопически» большого времени. Это важно для квантовой метрологии, спектроскопии сверхвысокого разрешения, а также для проблемы создания стандарта частоты нового поколения.
Если в ловушке накопить достаточно большое количество холодных атомов. то такая система становится интересным объектом для изучения атомных столкновений в области сверхнизких температур. В принципе в таком ансамбле могут иметь место и фазовые переходы. например бозе-конденсация. В спонтанном излучении атомов. находящихся в узлах световой решетки, возникают; коллективные эффекты.
Интерференция атомов в световых полях позволяет выйти на другой, более низкий уровень температур. Эффективная температура возникающих когерентных атомных пучков оказывается меньше энергии отдачи. Такой метод получения сверхузких распределений по скоростям может стать альтернативой «обычному» лазерному охлаждению.
Пондермоторное действие резонансного излучения на атомы определяется скоростью рассеяния фотонов внешнего поля при спонтанных и вынужденных переходах.
В поле плоской бегущей волны вынужденные переходы не меняют в среднем импульс частицы. Поэтому радиационная сила ограничена спонтанных переходов кванта. В этом случае мы имеем дело с силой спонтанного светового давления, которая не превосходит величины fsp = hkу/2. Ввиду малости этой силы поступательное движение меняется медленнее, чем релаксирует внутреннее состояние атома. Поэтому картина движения оказывается достаточно простой: поведение частицы определяется пространственно однородной силой и ее малыми флуктуациями. «Память» о внутренней структуре атома проявляется только в резонансной зависимости этих величин от скорости.
В последнее время все большее внимание привлекают пространственно неоднородные поля, такие, как сфокусированные лучи и комбинации этик лучей, встречнобегущие и стоячие волны. Применение подобных полей значительно расширяет диапазон пондермоторного воздействия лазерного излучения. В таких полях важную роль играют индуцированные процессы и сила вынужденного светового давления зависит от градиента поля.
Уже в сравнительно слабых полях лазеров перестраиваемой частоты вынужденное световое давление может превышать fsp. В особенности это относится к полю стоячей волны, где градиент интенсивности в этом случае достигает наибольшего значения.
В неоднородных полях меняется не только величина, но и структура действующей силы. В результате качественно меняется характер движения атомов. Физическая причина этого состоит в том, что внутренние и поступательные степени свободы атома в неоднородных полях. вообще говоря, не разделяются, и их поведение является самосогласованным.
Квантовые флуктуации внутреннего состояния атома могут быть столь велики, что радиационная сила перестает быть однозначной величиной: у двухуровневого атома появляются два эффективных потенциала и две траектории движения. Иначе говоря, систему «атом - поле» можно представить как две различные квазичастицы. Такие состояния называют также адиабатическими или «одетыми». Возможность введения таких квазичастиц (или состояний) обусловлена квазиклассическим характером поступательного движения атомов вследствие большой их массы и большой длины волны резонансного света.
Расщепление траектории движения до. некоторой степени аналогично известному эффекту Штерна Герлаха. Существенное отличие от этого эффекта стоит в том, что движение квазичастиц по двум траекториям не является независимым. Переходы Ландау Зинера (ЛЗ) и спонтанная релаксация перемешивают траектории движения, т. е. одна квазичастица может превращаться в другую и наоборот.
В этой книге мы предприняли попытку изложить проблему механического действия света на атомы с помощью концепции двух квазичастичных состояний и переходов между ними. Этот язык позволяет дать адекватное описание фундаментальных вопросов проблемы резонансного светового давления. Сюда относится влияние когерентного перемешивания квазичастиц из-за переходов Л З на аномальные дисперсионные свойства атомов, эффект аномального туннелирования и его связь с проблемой локализации атомов световым полем; интерференционные явления при бипотенциальном движении и их проявления в задачах рассеяния, спектроскопии пробного сигнала, в осциллирущей структуре силы трения как функция скорости. Некогерентное перемешивание квазичастичных состояний из-за спонтанной релаксации приводит к пространственному гистерезису в отклике движущегося атома. Этот процесс служит ключом к пониманию физического механизма возникновения так называемой запаздывающей градиентной силы. Здесь мы сталкиваемся с эффектом «выпрямления» градиентной силы и появлением большой силы трения. Недавно эта сила наблюдалась в экспериментах. Мы обсуждаем возможные применения этой силы для индуцированного охлаждения и группировки частиц по скоростям их пространственной локализации и создания атомных решеток в световых полях. В бихроматическом неоднородном поле вследствие эффекта, выпрямления возникает сила, знакопостоянная на больших пространственных масштабах. Эта сила позволяет формировать сверхглубокие потенциальные ямы или вихревое поле сил.
Значительное место в книге уделено кинетике атомов в световых полях. Мы рассматриваем вывод основных кинетических уравнений и их применение к конкретным задачам. Обсуждается охлаждение атомов силами спонтанного светового давления. В экспериментах по «optiсal molassеs» было осуществлено охлаждение атомов до температур меньше 1 мК и их длительное удержание (0.1 1 с) в области поля. Использование таких холодных атомов и ионов в ловушках открывает путь к значительному повышению точности спектроскопических измерений. В (известных) работах экспериментально исследовались столкновения и коллективные эффекты медленных атомов и ионов. В ряде работ была осуществлена фокусировка атомного пучка с помощью световых полей. в том числе силой вынужденного светового давления и силами спонтанного светового давления.. Кинетика атомов оказывается достаточно простой только. для не слишком сильных полей. когда спонтанное перемешивание квазичастиц происходит быстрее, чем их пространственное распределение из-за расщепления траекторий. В этом случае поведение атомов описывается однокомпонентным уравнением Фоккера-Планка. В сильных неоднородных полях мы имеем дело с «двухкомпонентной» кинетикой квазичастиц, которая пока еще мало исследована. Наиболее простым и прямым методом изучения сил вынужденного светового давления является рассеяние атомного пучка полем стоячей световой волны. Картина рассеяния может меняться в широких пределах от дифракции или интерференции атомов в слабых полях до классического потенциального или диффузионного рассеяния в сильных полях. В книге детально исследуется квантовая картина рассеяния и ее переход в кинетический режим при увеличении числа спонтанно излученных фотонов. Проводится сравнение с результатами целого ряда экспериментов.
Очень интересной является проблема локализации атомов световыми полями. В поле лазерного луча можно осуществить оптическую левитацию диэлектрических шариков малого размера. Возможность локализации атомов полем нерезонансной стоячей волны обсуждалась. Однако реально можно говорить только об использовании резонансных полей. Но при этом нужно преодолеть ряд факторов, препятствующих локализации частиц таких, как нагревание (вместо торможения) частиц и флуктуации радиационной силы. В работе для этой цели использована схема альтернирующих полей. В условиях «optical molasses» неоднородное магнитное поле порождает эффективную ловушку. В бихроматическом поле частицы можно локализовать на дне сверхглубоких потенциальных ям.
Примечательная особенность физики резонансного светового давления перемешивание механических, оптических и поляризационных явлений. Пример взаимного влияния оптических и механических эффектов расщепление лэмбовского провала на два симметричных провала. отстоящие на величину частоты отдачи [43]. Этот нелинейный эффект, требующий высокого разрешения, наблюдался экспериментально [44. 45) в метане на слаборазрешенном переходе . В атомах с сильными переходами световое давление оказывает влияние на нелинейную восприимчивость
При рассеянии фотонов внешнего поля меняется не только импульс атома, но и его момент количества движения. Существует определенная связь между внутренним и поступательным моментом атома, что продемонстрировано на примере намагничивания атомов линейно-поляризованным светом [14]. Перечисленным вопросам и посвящена настоящая монография. Мы стремились изложить материал по возможности наиболее полным образом, исходя из первых принципов (уравнение Шредингера. уравнения для матрицы плотности, уравнения Максвелла) и проводя необходимые вычисления для получения окончательных результатов. Мы надеемся, что книга будет полезной как специалистам. так и начинающим изучать эту увлекательную область лазерной физики.
Авторы признательны Д. О. Чудесникову за большую помощь, оказанную при написании книги.
Эта книга выходит в свет, когда с нами больше нет Александра Петровича Казанцева, с которым мы связаны долгими годами дружбы и творческого сотрудничества. Хочется надеяться, что книга, воплотившая многие научные идеи Александра Петровича и в которую он вложил не только труд, но и частицу своей души, послужит доброй и долгой памяти об этом замечательном человеке и ученом.











13PAGE 15


13PAGE 1416615


13PAGE 15


13PAGE 1416615




\ Заголовок 1\ Заголовок 215тl Основной текст с отступомN Основной текстB Нижний колонтитул, Номер страницыp Основной текст с отступом 2D Верхний колонтитулIgorkC:\Documents and Settings\Администратор\Рабочий стол\Для ГОСТов\13 Механическое действие света на атомы.doc
·
·: : :

Приложенные файлы

  • doc 2410882
    Размер файла: 54 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий