CC BY
36
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Том 152, кн. 2
Физико-математические пауки
2010
УДК 535.2
ЗАТУХАНИЕ СВОБОДНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ, ФОТОННОЕ ЭХО И СТИМУЛИРОВАННОЕ ФОТОННОЕ ЭХО В МОЛЕКУЛЯРНОМ ГАЗЕ
H.H. Рубцова, Д.В. Дедовских, Е.Б. Хворостов, В. Г. Голъдорт
Аннотация
Исследованы сигналы затухания свободной поляризации па фоне нестационарных оптических нутаций, фотонное эхо и стимулированное фотонное эхо. сформированные в газе 13 СН з Р методом штарковского переключения уровней. На основе кинетики сигналов фотонного эха и стимулированного фотонного эха получены значения однородного уширепия Г/р при разных давлениях газа.
Ключевые слова: затухание свободной поляризации, фотонное эхо. стимулированное фотонное эхо. нестационарные оптические нутации, однородное уширепие спектральной линии, газ, штарковское переключение уровней.
1. Объект исследования
В эксперименте использован вращательный переход Д(4,3) колебательной полосы 0-1 моды ^з газа 13СН3Г, энергетические уровни перехода вырождены по магнитному квантовому числу, нижний имеет 9 подуровней, верхний 11. Диполь-ные моменты в основном и возбужденном состояниях разные. Эффект Штарка на этом переходе линейный, и электрическое поле сдвигает уровни основного и возбужденного состояний на величину:
Здесь , J1 - квантовые числа углового момента основного и возбужденного состояний соответственно; Ко, К1 - квантовые числа проекции углового момента на ось симметрии молекулы в основном и возбужденном состояниях соответственно: ¿о, ¿1 дипольные моменты основного и возбужденного состояний соответственно; Е$1 — напряженность штарковского поля; М - магнитное квантовое число. Таким образом, электрическое поле изменяет частоту перехода па величину А^м, различную для каждого магнитного подуровня:
1 ( ¿оК ¿1К \
Эксперименты с затуханием свободной поляризации проводились при поляризации возбуждающего излучения, параллельной штарковскому полю, поэтому-прав ила отбора АМ = 0, разрешено 9 переходов.
В экспериментах с фотонным эхом и стимулированным фотонным эхом поляризация возбуждающего излучения была перпендикулярна штарковскому полю, правила отбора АМ = +1, разрешено 18 переходов.
2. Формирование сигнала затухания свободной поляризации, фотонного эха и стимулированного фотонного эха
Полуширина доплеровского контура газа 13СНзГ при комнатной температуре составляет 39 МГц. Спектральная ширина группы молекул, которые взаимодействуют с лазерным излучением, значительно ниже: она определяется частотой Раби и составляет менее 1 МГц при интенсивности лазерного излучения 3.2 Вт/см2.
Для формирования сигналов затухания свободной поляризации, фотонного эха и стимулированного фотонного эха применялся метод штарковского переключения уровней. Излучение лазера было непрерывным: для формирования сигналов молекулы вводились или выводились из резонанса эффектом Штарка.
В формировании когерентных откликов принимают участие две группы молекул: первая группа молекул с нулевой скоростью движения вдоль луча лазера, и вторая группа молекул, с такой проекцией скорости на направление волнового вектора излучения, что ее доплеровский сдвиг равен штарсковскому сдвигу (формула (2)).
Таким образом, молекулы второй группы после включения электрического поля попадают в резонанс и формируют сигнал нестационарных оптических нутаций. Молекулы первой группы, вышедшие из резонанса, испускают сигнал затухания свободной поляризации [1]. Этот сигнал можно наблюдать, если штарковский импульс достаточно длинный, а интенсивность лазерного излучения мала. В момент прохождения излучения через рабочую ячейку с газом эти два явления наблюдаются одновременно. Во время выключения электрического поля группы молекул меняются ролями, то есть молекулы первой группы попадают в резонанс и формируют сигнал нестационарных оптических нутаций, а молекулы второй группы. вышедшие из резонанса, испускают сигнал затухания свободной поляризации. Процессы формирования фотонного эха и стимулированного фотонного эха рассмотрены ниже.
3. Физика процессов
Затухание свободной поляризации это уменьшение поляризации среды после прекращения действия возбуждающего импульса резонансного излучения. Существуют две качественно различные причины, вызывающие затухание макроскопической поляризации среды. Процессы необратимой релаксации, которые приводят к распаду состояний или сбою фаз (спонтанное испускание, неупругие и упругие столкновения и т. д.), определяют однородное уширение спектральных линий. Различие собственных частот ¡маъ, обусловленное эффектом Доплера при тепловом движении атомов и молекул, это неоднородное уширение.
Так как в газах преобладает неоднородное уширение, макроскопическая поляризация успевает исчезнуть из-за дефазировки излучателей с разными собственными частотами прежде, чем релакенрует когерентное возбуждение отдельных излучателей. Важно то, что этот механизм затухания является обратимым.
Первый возбуждающий импульс переводит атомы в возбужденное когерентное состояние, в котором все элементарные диполи связаны по фазе (в оптимальном случае площадь указанного импульса равна п/2). По окончании воздействия этого импульса наведенная макроскопическая поляризация среды постепенно уменьшается. Происходит расфазировка колебаний диполей.
Под действием второго импульса допплеровские фазы осцилляторов изменяют знак, и расфазировка сменяется фазировкой (п-импульс). Когда все осцилляторы оказываются вновь полностью сфазированными, формируется эхо-импульс когерентного излучения [2].
ЗАТУХАНИЕ СВОБОДНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ, ФЭ И СФЭ.
139
Процесс формирования стимулированного фотонного эха аналогичен формированию фотонного эха. Стимулированное фотонное эхо формируется тремя импульсами. Так же. как в случае фотонного эха. первый возбуждающий импульс создает поляризацию среды. Второй преобразует эту поляризацию в разность населенно-стей. Третий делает обратное преобразование и изменяет знаки фаз.
4. Затухание свободной поляризации
В проведенном эксперименте напряженность электрического поля была равна 160 В/см; давление газа 13СНзГ - 1 мТорр, интенсивность излучения лазера -0.14 Вт/см2 , диаметр пучка - 3 см, поляризация лазерного излучения была параллельной электрическому полю, что соответствует правилу отбора ДМ = 0. Таким образом, было разрешено 9 переходов, но вклад в сигнал давали лишь 8, так как М=0
хания свободной поляризации представляет собой интерференцию излучений этих переходов - биения на фоне нестационарных оптических нутаций [1, 3].
В данном эксперименте сигнал собственного излучения среды регистрировался путём гетеродинирования, поэтому сигнал затухания свободной поляризации пропорционален напряжённости поля этого излучения и лазерного поля Е0:
Е = ЕоЯ £ с ,Ш/,М) = ЕоЯ (3)
где ^ - интенсивность переходов, которые приняты равными для всех М;
- = 1 ( с10К___скК \
п\м^ + 1) + и
Ширина и период биений обратно пропорциональны напряженности электрического поля, создающего эффект Штарка [3]:
= 101
где ДТ — ширина интерференционного пика; Т - период биений.
При увеличении мощности излучения сигнал затухания свободной поляризации подавляется сигналом нестационарных оптических нутаций, что подтверждается экспериментом.
5. Описание эксперимента
Излучение лазера интенсивностью 3.2 Вт/см2 проходило трижды через ячейку с газом (длина ячейки 20 см) и штарковскими электродами (расстояние между электродами 3 см), на которые подавались импульсы с генератора. Длительность и задержку времени между импульсами можно было изменять. При включении и выключении электрического поля формировался когерентный отклик среды, который регистрировался фотоприемником. Сигналы с фотоприемника и генератора электрических импульсов подавались на цифровой осциллограф, записывались и обрабатывались на компьютере. В экспериментах с фотонным эхом и стимулированным фотонным эхом поляризация возбуждающего излучения была ориентирована перпендикулярно электрическому (штарковскому) полю. Такая схема
2.5 -| 21.5 -1 -
0.5-О, ■
Д 01—1 -
-0.5 --1 --1.5 --2 -
■■. »»»л
■ р = 1.288 мТорр
• р = 2.576 мТорр А р = 3.864 мТорр ▼ р = 5.152 мТорр
♦ р = 6.44 мТорр
и
1
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Т, НС
Рис. 1. Затухание фотоппого эха при разных задержках электрических импульсов и разных давлениях газа СН 3 Р
2.5 -|
2-
0.5-
0-1-1-1-1-1-1-1-.-1-1-1-.-1-.-1
0 1 2 3 4 5 6 7
р, мТорр
Г
фотонного эха в области малых задержек Т
позволила значительно увеличить амплитуды сигналов фотонного эха и стимулированного фотонного эха, так как в этом случае правила отбора ДМ = +1 и количество разрешенных переходов возросло до 18.
На рис. 1 показана кинетика затухания фотонного эха при разных давлениях газа. Неэкспоненциальность зависимости фотонного эха от задержки между возбуждающими импульсами наблюдается для всех исследованных давлений газа: видно также увеличение скорости затухания с ростом давления.
По соотношению Epe ~ exp(-2Г T) [5] (где Espe - напряженность электрического поля электромагнитной волны стимулированного фотонного эха) получена зависимость однородной ширины линии Г от давления в области малых задержек, представленная на рис. 2.
Уширепие Г/p = 13.4 МГц/Topp связано с неупругими столкновениями и согласуется со скоростью вращательной релаксации, полученной методом инфракрасно-микроволнового резонанса Г/p = 15.1 МГц/Topp в работе [4].
ЗАТУХАНИЕ СВОБОДНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ, ФЭ И СФЭ.
141
2.5 "
2 -
1.5 -
1 -
0.5 -
0 -
-0.5 "
-1 -
-1.5 -
-2 -
■ ФЭ • СФЭ
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Т12 (ФЭ), Таз (СФЭ), не
Рис. 3. Кинетика фотонного эха и стимулированного фотонного эха при давлении газа 13 3
На рис. 3 приведена кинетика фотонного эха и стимулированного фотонного эха при одном и том же давлении: видно, что сигнал стимулированного фотонного эха затухает медленнее.
Из соотношения Ев ре ~ ехр(—Г Т23) [5] (где Ев ре - напряженность электрического поля электромагнитной волны стимулированного фотонного эха, Т23 -время задержки между вторым и третьим электрическими импульсами) получе-
Г
фотонного эха: Г/р = 29.6 МГц/Торр. Это значение согласуется с константой
столкновителыгой релаксации, измеренной методом задержанных оптических ну-
1з з
измеренным методом насыщенного поглощения, равным 33.6 МГц/Торр.
6. Выводы
Из проведенных исследований можно заключить следующее. Сигнал затухания свободной поляризации имеет вид биений сигналов, сформированных переходами,
М
увеличением интенсивности возбуждающего лазерного излучения. Для сигналов фотонного эха кинетика затухания неэкспоненциальна. Найденное методом фотонного эха при малых задержках уширение линии Г/р = 13.4 МГц/Торр связано с неупругими столкновениями и согласуется со скоростью вращательной релаксации, полученной методом двойного инфракрасно-микроволнового резонанса. Найденная методом стимулированного фотонного эха константа скорости релаксации
согласуется с константой релаксации, измеренной методом задержанных оптиче-
1з з
тодом насыщенного поглощения.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты Л*1' 07-02-00091, 10-02-00071), а также Программы ОФН РАН «Фундаментальная оптическая спектроскопия и ее приложения» (грант Л- 9.2).
Summary
N.N. Rubtsova, D.V. Ledovskikh, E.B. Khvurustuv, V.G. Goldort. Free Polarization Decay, Photon Echo and Stimulated Photon Echo in Mol ccular Gas.
The signals of free polarization decay 011 a background of transient optical nutations, as well as the photon echo and the stimulated photon echo, which are generated in 13 CH 3 F gas by the method of Stark switching of levels, are investigated. The values of the homogeneous broadening Г/p are obtained for different gas pressures on the basis of the kinetics of the photon echo and the stimulated photon echo signals.
Key words: free polarization decay, photon echo, stimulated photon echo, transient optical nutations, homogeneous broadening of spectral line, gas. Stark switching of levels.
Литература
1. Дедовских Д.В., Рубцова Н.Н., Хворостов Е.Б. Сигналы затухания свободной поля-
13 3
Т. 150, кп. 2. С. 166 172.
2. Прохоров A.M. Физическая энциклопедия. Т. 5. М.: Большая рос. эпцикл., 1998. С. 354 355.
3. Foster K.L., Stenholm S., Brewer R.G. Interference pulses in optical free induction decay // Phys. Rev. A. 1974. V. 10, No 6. P. 2318 2324.
4. letter H., Pearson E.F., N orris C.L., McGurk J.C., Flygare W.H. Time-resolved
13 3
Phys. 1973. V. 59, No 4. P. 1796 1804.
5. Shoemaker R.L. Coherent transient infrared spectroscopy // Laser and Coherence Spectroscopy / Ed. by J.I. Steinfeld. N. Y.: Plenum Press, 1978. P. 197-371.
Поступила в редакцию 17.12.09
Гольдорт Вениамин Гершевич кандидат технических паук, ведущий научный сотрудник отдела квантовой электропики Институт физики полупроводников им. A.B. Ржа-пова СО РАН, г. Новосибирск.
Ледовских Дмитрий Васильевич младший научный сотрудник отдела квантовой электропики Институт физики полупроводников им. A.B. Ржапова СО РАН, г. Новосибирск.
E-mail: D.LedovskiMimail.ru
Рубцова Наталия Николаевна доктор физико-математических паук, старший паучпый сотрудник, заведующий лабораторией Отдела квантовой электропики Институт физики полупроводников им. A.B. Ржапова СО РАН, г. Новосибирск.
E-mail: rubtsovaeisp.nse.ru
Хворостов Евгений Борисович кандидат физико-математических паук, старший научный сотрудник отдела квантовой электропики Институт физики полупроводников им. A.B. Ржапова СО РАН, г. Новосибирск.
