Керування рухом атомів та молекул когерентними та частково когерентними світловими полями

У підрозділі 4.7 розглянуто силу, що діє на атом у полі біжучої частотно-модульованої хвилі [4]. Показано, що частотна модуляція значно збільшує інтервал швидкості, де діюча на атом сила складає величину порядку F_sp.

Вивченню сили світлового тиску, що діє на атоми у полі зустрічних частотно-модульованих хвиль, присвячено підрозділ 4.8 [4, 6, 16]. Розглянуто випадок синусоїдальної модуляції фази

де Щ_m -- частота модуляції, в -- індекс модуляції, частота щ дорівнює частоті переходу в атом, і випадок модуляції фази за довільним періодичним законом. Показано, що в обох випадках можна досягти великої, порівняно з F_sp, сили світлового тиску, що діє на атом. У полі зустрічних хвиль однакової амплітуди E₀=E₀⁽⁺⁾=E₀^(-) для малого індексу модуляції і Щ₀<<г, де Щ₀=dE₀/ћ, d -- матричний елемент дипольного моменту переходу між основним і збудженим станами атома, залежність діючої на атом сили від швидкості атома має вигляд

Ця сила максимальна при ш=р/2 і у випадку Щ_m>>г змінює знак зі зміною швидкості при kv?Щ_m/3 та kv?Щ_m. Знакозмінна залежність сили, що діє на атом, від його швидкості спостерігається і при Щ₀>>г. Чисельне моделювання залежності сили від параметрів задачі показало, що максимальне значення сили світлового тиску, що діє на повільні (kv<<г) атоми, при Щ₀>>г досягається за умови Щ_m?2Щ₀, ш?р/2 і в?1,5. Близька за значенням величина сили досягається також при Щ_m?Щ₀/2, в?2,65 і двох значеннях ш: близько ш?р/4 та ш?р/2. У останньому разі залежність діючої на атом сили від швидкості характеризується великою, порівняно з г/k, шириною максимуму. На рис. 10 подано три приклади такої залежності для Щ₀=2Щ_m, в=2,65, ш=р/2. Криві марковано значенням Щ_m/г. З наведених залежностей неважко оцінити, що імпульс атома щоперіоду змінюється на 1,85ћk -- величину, близьку до ідеального випадку взаємодії із зустрічними послідовностями р_імпульсів. Отже, частотно-модульоване поле може застосовуватися для ефективного керування рухом атомів.

Аналізуючи взаємодію атома з полем зустрічних частотно-модульованих хвиль різної інтенсивності з синусоїдальним законом модуляції (4.6), ми встановили, що діюча на повільні (kv<<г) атоми сила світлового тиску максимальна при певному, відмінному від одиниці, відношенні інтенсивностей зустрічних хвиль. Величина максимуму у випадку в<<1 і Щ_m<<Щ₀ значно перевищує силу, що діє на атом у полі зустрічних хвиль однакової інтенсивності. В той же час при в~1 і Щ_m~Щ₀ ця відмінність незначна.

На відміну від випадку взаємодії атома з резонансним до частоти переходу випромінюванням, розглянутого в 4.8, в підрозділі 4.9 досліджується випадок, коли на атом діє модульоване за частотою лазерне випромінювання зі значним відстроюванням від резонансу [13]. Частоту модуляції обираємо таким чином, щоб одна зі спектральних складових випромінювання була близька до частоти переходу в атомі. Модуляція досить слабка, так що можна ігнорувати всі спектральні складові, що появляються завдяки модуляції, крім близької до резонансу. Це означає, що дворівневий атом взаємодіє з двома світловими стоячими хвилями, великої та малої інтенсивності, різної частоти. Частота сильної хвилі (несуча частота) далека від резонансу, і її вплив зводиться до оптичних зсувів частоти переходу. У результаті виникають “одягнуті” сильним полем стани атома. Слабка хвиля пов'язує між собою “одягнуті” стани атома, які мають протилежні світлові зсуви енергії. Обираючи належним чином різницю фаз між зустрічними хвилями, можна досягти, щоб сила світлового тиску, що діє на атом, призводила до нагрівання чи охолодження атомів у напрямку поширення лазерних променів. У першому випадку ш=р/4 і сила діє у напрямку руху атома, у другому -- ш=р, і сила діє у напрямку, протилежному напрямку руху атома.

У підрозділі 4.10 вивчається сила світлового тиску, що діє на атом у полі зустрічних хвиль з флуктуючою фазою [16, 22]. Вважається, що похідна від фази хвилі, що поширюється вздовж осі z, описується процесом Орнштейна-Уленбека з функцією кореляції (1.3). Фаза зустрічної хвилі повторює фазу першої хвилі з затримкою ф_f. Інтенсивності обох хвиль однакові, а їх несучі частоти співпадають з частотою переходу в атомі. На рис. 11 порівнюється залежність діючої на атом сили у полі зі стохастичною фазою від часу затримки між зустрічним хвилями з відповідною залежністю для частотно-модульованого поля (4.6). Різниця фаз у випадку частотно-модульованого поля пов'язана з затримкою між хвилями ф співвідношенням ш=Щ_mф. Обираючи параметри при обчисленні наведених залежностей, ми брали до уваги аналогію Щ_m-G (обернений час кореляції відповідає частоті модуляції) і вЩ_m-(DG)^Ѕ (девіація частоти при синусоїдальній модуляції відповідає середньоквадратичній флуктуації частоти у випадку стохастичної модуляції). Параметри для побудованих залежностей: D=G=25г, Щ₀=Щ_m=25г, в=1. Крива 1 побудована для моделі дифузії фази, крива 2 -- для синусоїдальної модуляції фази. Кружечки відповідають параметрам кривої 1, але кожний для іншої реалізації стохастичного процесу. Вони подані тут для оцінки точності обчислень методом Монте-Карло. Як видно, стохастична модуляція фаз зустрічних хвиль, як і синусоїдальна, призводить до значного збільшення, порівняно з F_sp, сили, що діє на атом, хоч і помітно поступається останній за величиною.

Добре відомо, що велика, порівняно з F_sp, сила світлового тиску може діяти на атом у полі стоячої хвилі з частотою щ, відмінною від частоти щ₀ переходу в атомі. Ця сила значна у вузькому, порівняно з г/k, діапазоні швидкостей атома поблизу доплеронних резонансів, що відповідають швидкостям атома

де Д=щ-щ₀, n?0 -- ціле, і дорівнює нулю при v=0. Домішка біжучої хвилі (тобто випадок двох зустрічних монохроматичних хвиль різної інтенсивності й однакової частоти) призводить до появи невеликої, меншої, ніж F_sp, сили, що діє на атоми з нульовою швидкістю. У підрозділі 4.11 показано [22, 24], що флуктуації фази однієї із зустрічних хвиль (інша монохроматична) призводять до великої, порівняно з F_sp, сили світлового тиску, що діє на повільні (v<<г/k) атоми. Поле, що діє на атоми, має вигляд

Флуктуюча фаза ц(t) визначається рівнянням

де о(t) -- білий шум із функцією кореляції (1.2). Такий зв'язок фази з білим шумом дозволяє сформувати вектор Q, в який входять компоненти матриці густини, що задовольняє рівнянню (1.4). Звідси випливає рівняння для середніх за ансамблем значень компонент вектора Q, через які обчислюється сила, що діє на атом.

Максимальне значення сили, що діє на повільні атоми, досягається при оптимальному виборі частоти Рабі Щ_M монохроматичної хвилі та коефіцієнта дифузії фази D флуктуючої хвилі. Воно досить точно апроксимується виразом F=0,4F_sp(Щ_D/г)^Ѕ, де Щ_D -- частота Рабі флуктуючої хвилі. Несуча частота зустрічних хвиль співпадає з частотою переходу в атомі. Оптимальне значення D, близьке до 0,4г, залежить від Щ_D. Оптимальних значень Щ_M два -- одне трохи більше за Щ_D, друге трохи менше. Значення сили для них близькі і відрізняються напрямком дії. На рис. 12 показано залежність діючої на атом сили від швидкості за відсутності (тонка крива) і наявності флуктуацій фази у випадку, коли щ співпадає з частотою переходу в атомі. Частоти Рабі Щ_D =100г, Щ_M =94г і коефіцієнт дифузії фази D=0,4г обрано таким чином, щоб максимізувати діючу на повільний (|v|<<г/k) атом силу світлового тиску. Доплеронна структура за відсутності флуктуацій зумовлена штарківським зсувом. На рисунку показано тільки доплерони високого порядку. Перший доплеронний максимум спостерігається при v₁=±1,44Щ_D/k. Наступні резонанси спостерігаються при v₂=v₁/3,08, v₃=v₁/5,36, v₄=v₁/7,64, близько до “ідеального” розташування відповідно при v₁/3, v₁/5, v₁/7. Видно, що велике, значно більше за F_sp, значення діючої на повільні атоми сили досягається за рахунок “розмивання” доплеронних резонансів. Збільшивши D, можна зробити ширину максимуму більшою, одночасно зменшивши його висоту. Наприклад, при D=2г ширина максимуму зростає до 3,5г/k, в той же час сила, що діє на атоми з нульовою швидкістю, зменшується до 2,7F_sp.

Розглянуто також взаємодію атома з нерезонансними до частоти атомного переходу полями і показано, що у цьому разі залежність сили світлового тиску від швидкості атома носить дисперсійно-подібний характер з нулем сили при швидкості порядку г/k. Якщо при цьому частота зустрічних хвиль перевищує частоту переходу в атомі, сила носить гальмівний характер. Таким чином, зустрічні хвилі, одна з яких монохроматична, а фаза іншої флуктує, можуть використовуватися для формування моноенергетичних пучків атомів з малою швидкістю.

У розділі 5 розглядається взаємодія атома з полем двох зустрічних імпульсів, один з яких отримано з іншого відбиванням від дзеркала [8, 11]. У результаті атом взаємодіє з двома однаковими імпульсами, зсунутими у часі. До приходу другого імпульсу на атом деякий час діє поле біжучої хвилі першого імпульсу, у результаті чого формується когерентна суперпозиція основного та збудженого станів атома. Наступна дія на атом одночасно полів обох світлових імпульсів якісно відрізняється від випадку, коли часовий зсув між імпульсами дорівнює нулю (імпульси утворюють поле стоячої хвилі). Завдяки просторовій модуляції амплітуд основного та збудженого станів атома полем біжучої хвилі з періодом, що дорівнює довжині хвилі, з'являється асиметрія розсіювання атомів. Якщо імпульси прямокутні і їх частота Рабі дорівнює Щ₀, для малого часу взаємодії атома з полем (t<<(m/hЩ₀)^Ѕ/k, m -- маса атома), отримуємо для функції розподілу атомів за імпульсами:

Ми також вважали, що ширина початкового розподілу атомів за імпульсами значно більша імпульсу фотона і значно менша максимального імпульсу, який може набути атом після взаємодії з полем. Функція розподілу (5.1) асиметрична, причому завдяки наявності множника (Щ₀²+д²)^Ѕ в аргументі синуса величина і знак асиметрії -- осцилюючі функції відстроювання від резонансу. При Щ₀ф~1 характерний період осциляцій складає д~р/ф.

Для тривалої взаємодії атома з полем проведено чисельне моделювання. Показано, що при взаємодії атома із зустрічними прямокутними імпульсами з часовим зсувом ф між ними, обраним так, щоб Щ₀ф= р/2, максимальний середній імпульс атомів відноситься як 1:2:3 у випадку, якщо Щ₀² відносяться як 1²:2²:3².

У реальних умовах експерименту формування когерентної суперпозиції основного й збудженого станів і подальше розсіювання атома стоячою хвилею не завжди можна розглядати незалежно. Наприклад, ці процеси йдуть одночасно при взаємодії атомного пучка з двома паралельними зміщеними у просторі зустрічними лазерними променями з радіальним гаусовим розподілом інтенсивності. У зв'язку з цим в роботі промодельовано взаємодію атома з гаусовим і супергаусовими (парний показник в експоненті більше 2) імпульсами. Як і слід було чекати, асиметрія розсіювання атомів такими імпульсами менше проявляється, ніж у випадку прямокутних імпульсів.

У додатку А наведено деталі обчислення імовірності перенесення населеності в процесі СТИРАП із флуктуючими фазами світлових імпульсів.

У додатку Б наведено обчислення імовірності перенесення населеності в процесі СТИРАП у полі світлових імпульсів із модульованою амплітудою.

У додатку В показано зв'язок ефективного гамільтоніана, що описує лазерно-індуковану структуру в континуумі, з матричними елементами дипольних переходів у атомі.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі подано результати вивчення управління внутрішніми та поступальними степенями свободи атомів і молекул когерентними та частково когерентними світловими полями. Розв'язано наукова проблема керування рухом атомів та молекул когерентними та частково когерентними світловими полями. У процесі розв'язання цієї проблеми вперше запропоновано метод дискретної передачі атому чи молекулі заданого імпульсу, кратному імпульсу фотона, у процесі взаємодії атома чи молекули з двома зустрічними світловими імпульсами. Запропоновано також нові схеми взаємодії атомів із зустрічними хвилями, які призводять до сили світлового тиску, яка не має обмеження зверху і дає змогу передавати значний імпульс атомам. Зроблено суттєвий внесок в теорію стимульованого раманового адіабатичного проходження та “темних” резонансів, зокрема, вперше вивчено вплив на СТИРАП флуктуацій фази й амплітуди. Запропоновано нову схему двофотонного збудження атомів у високоенергетичний стан, яка дозволяє значно зменшити втрати на іонізацію атома у цьому процесі. Показано, що приготування когерентної суперпозиції атомів в основному і збудженому станах полем біжучої хвилі призводить до асиметрії їх розсіювання полем стоячої хвилі.

Основні результати дисертаційної роботи можна сформулювати так:

Уперше розроблено теорію стимульованого раманового адіабатичного проходження (СТИРАП), що описує залежність імовірності перенесення населеності між двома станами атома чи молекули від одного з ключових параметрів -- відстроювання несучих частот світлових імпульсів від двофотонного резонансу. Показано, що для тривалої, порівняно з часом спонтанного випромінювання зі збудженого стану, взаємодії атома з полем ширина двофотонної лінії, що описує чутливість процесу СТИРАП до відстроювання несучих частот світлових імпульсів від двофотонного резонансу, пропорційна добутку максимального середньоквадратичного значення частот Рабі світлових імпульсів на квадратний корінь з відношення часу життя атома в збудженому (проміжному) стані до часу його одночасної взаємодії з полем обох лазерних імпульсів.

Уперше побудовано теорію, що описує вплив на СТИРАП флуктуацій фаз полів світлових імпульсів, що діють на атом, і знайдено фундаментальні обмеження, які флуктуації фаз накладають на імовірність перенесення населеності. Показано, що флуктуації фаз призводять до зсуву максимуму залежності імовірності перенесення населеності від двофотонного відстроювання відносно двофотонного резонансу. Кореляція фаз полів світлових імпульсів, коли фаза одного з них повторює з певною затримкою фазу іншого, призводить до осцилюючої залежності імовірності перенесення населеності від інтенсивності світлових імпульсів.

Уперше побудовано теорію СТИРАП у полях з модульованою амплітудою. Показано, що періодична модуляція амплітуди світлових імпульсів у випадку їх короткої, порівняно з часом життя атома у збудженому стані, тривалості практично не впливає на імовірність перенесення населеності у процесі СТИРАП, якщо частота модуляції перевищує певну критичну, порядку максимальної частоти Рабі, величину. Якщо ж модуляція амплітуди діючих на атом світлових імпульсів є стохастичною, перенесення населеності між двома станами атомів чи молекул у процесі СТИРАП з близькою до 100% імовірністю можливе, якщо флуктуації поля імпульсу накачки повторюють флуктуації поля стоксового імпульсу із затримкою, значно меншою часу кореляції флуктуацій.

Уперше показано, що комбінація відомого способу двофотонного збудження атома, викликаного швидким адіабатичним проходженням резонансу завдяки допоміжному “штарківському” імпульсу, який призводить до змінного в часі зсуву енергетичних рівнів атома та світлового імпульсу з несучою частотою, що задовольняє умові резонансу для двофотонного переходу зі збудженого стану в один із інших станів атома через континуум станів і, в зв'язку з цим, призводить до відомого ефекту пригнічення іонізації збудженого стану імпульсом накачки, дозволяє значно збільшити ефективність двофотонного збудження за рахунок зменшення втрат на іонізацію атома імпульсом накачки. Як допоміжний імпульс, що призводить до пригнічення іонізації, можна використати “штарківський” імпульс, належним чином обравши його несучу частоту. Розрахунки проведено на прикладі двофотонного збудження атома водню з вибором несучої частоти “штарківського” світлового імпульсу таким чином, щоб виконувалася умова двофотонного резонансу для переходу 2s>5s через континуум станів водню, зумовленого імпульсом накачки і “штарківським” імпульсом.

Уперше виявлено, що взаємодія атома з полем зустрічних світлових імпульсів з різною несучою частотою, що частково перекриваються у часі, за умови тривалої порівняно з оберненою величиною характерного значення частот Рабі цих імпульсів взаємодії атома з полем, призводить до зміни його імпульсу на величину, кратну імпульсу фотона з переходом атома у збуджений стан чи без зміни його стану.

Уперше досліджено залежність сили світлового тиску, що діє на атом у полі зустрічних амплітудно-модульованих хвиль, від швидкості атома. Зокрема, показано, що сила світлового тиску, яка діє на атом в полі послідовностей коротких зустрічних світлових імпульсів з відмінною від р площею, осцилює зі зміною швидкості. Ці осциляції нівелюються у полі імпульсів з випадковими фазами, що істотно зменшує час зміни швидкості атома на бажану величину. Для біхроматичного поля двох стоячих хвиль однакової інтенсивності залежність сили від швидкості знакостала на інтервалі, пропорційному різниці частот цих хвиль, що робить цю схему взаємодії атома з полем зручною для практичних застосувань. Взаємодія атома з полем двох стоячих хвиль різної інтенсивності при належному виборі відстроювання частот цих хвиль від частоти атомного переходу та зсуву фаз між ними призводить до формування сили світлового тиску, що “охолоджує” атоми.

Уперше показано, що сила світлового тиску в полі зустрічних частотно-модульованих хвиль може значно перевищувати максимальну силу світлового тиску в полі однієї біжучої хвилі.

Уперше доведено, що досягнення великої, порівняно з максимальною силою світлового тиску в полі біжучої хвилі, сили, що діє на атом у полі зустрічних амплітудно- чи частотно-модульованих хвиль, можливе і у випадку стохастичних амплітуд чи фаз полів цих хвиль, якщо поле однієї з хвиль повторює поле іншої з часовою затримкою. Цей результат дозволяє прогнозувати можливість ефективного керування рухом атомів полем потужних багатомодових лазерів. Також показано, що велика сила світлового тиску може бути досягнута у випадку двох зустрічних хвиль, коли одна з них монохроматична, а фаза іншої флуктує. У цьому разі належний вибір відстроювання частот хвиль від резонансу з частотою атомного переходу дозволяє формувати моноенергетичний пучок повільних атомів.

Уперше показано, що у формуванні діаграми розсіювання атомів двома зустрічними світловими імпульсами, що частково перекриваються у часі, ключову роль грає формування когерентної суперпозиції основного та збудженого станів атома у процесі взаємодії атомів з полем одного із світлових імпульсів, що передує їх взаємодії з полем обох імпульсів. Розсіювання атомів, що перебувають у суперпозиції основного і збудженого станів, характеризується асиметрією, величина і знак якої осцилюють зі зміною відстроювання несучої частоти імпульсів від резонансу з частотою атомного переходу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. Давление света на атомы во встречных амплитудно-модулированных волнах // ЖТФ -- 1988. -- Т. 58. -- Вып. 6. -- С. 1174-1176.

Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. Наблюдение стимулированного светового давления амплитудно-модулированного излучения на атомы // Письма в ЖЭТФ -- 1989. -- Т. 49. -- Вып. 3. -- С. 138-140.

Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. Вынужденное световое давление на атомы во встречных амплитудно-модулированных волнах // ЖЭТФ -- 1991. -- Т. 99. -- Вып. 2. -- С. 393-410.

Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. Давление света на атомы в поле частотно-модулированных волн // УФЖ -- 1991. -- Т. 36. -- № 2. -- С. 192-197.

Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. Давление света на атомы в поле двух встречных амплитудно-модулированных волн // УФЖ -- 1991. -- Т. 36. -- № 7. -- С. 1042-1046.

Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. Давление света на атомы в поле резонансных атомному переходу встречных амплитудно- и частотно-модулированных волн // Квантовая электроника -- 1991. -- Т. 18. -- Вып. 9. -- С. 1100-1102.

Danileiko M.V., Romanenko V.I., Yatsenko L.P. Landau-Zener transitions and population transfer in a three-level system driven by two delayed laser pulses // Optics Communications -- 1994. -- V. 109. -- N 5-6. -- P. 462-466.

Романенко В.И., Яценко Л.П. Асимметрия амплитуды рассеяния атомов в поле коротких встречных световых импульсов // Письма в ЖЭТФ -- 1996. -- Т. 63. -- Вып. 12. -- С. 920-923.

Romanenko V.I., Yatsenko L.P. Adiabatic population transfer in the three-level Л_system: two-photon lineshape // Optics Communications -- 1997. -- V. 140. -- N 4. -- P. 231-236.

Yatsenko L.P., Shore B.W., Bergmann K., Romanenko V.I. Stimulated Raman adiabatic passage with amplitude modulated fields // Eur. Phys. J. D -- 1998. -- V. 4. -- N. 1. -- P. 47-56.

Романенко В.И., Яценко Л.П. Рассеяние атомов в поле встречных световых волн. Влияние начальных условий // ЖЭТФ -- 1998. -- Т. 113. -- Вып. 2. -- С. 563-572.

Романенко В.И., Яценко Л.П. Рассеяние атомов в бихроматическом поле встречных световых импульсов // ЖЭТФ -- 2000. -- Т. 117. -- Вып. 3. -- С. 467-475.

Cashen M., Rivoire O., Romanenko, L. Yatsenko V., Metcalf H. Strong optical forces in frequency-modulated light // Phys. Rev. A -- 2001. -- V. 64. -- N 6. -- 63411.

Yatsenko L.P., Romanenko V.I., Shore B.W., Bergmann K. Stimulated Raman adiabatic passage with partially coherent laser fields // Phys. Rev. A -- 2002. -- V. 65. -- N 4. -- 43409.

Романенко В.І., Яценко Л.П. Бергманн К. Стимульоване раманове адіабатичне проходження і “темні” резонанси у відкритій трирівневій Л-системі // УФЖ -- 2003. -- Т. 48. -- № 6. -- С. 533-543.

Орап О.Р., Романенко В.І., Яценко Л.П. Тиск світла на атоми у полі зустрічних світлових хвиль з гармонічною та стохастичною модуляцією фази // УФЖ -- 2003. -- Т. 48. -- № 3. -- С. 211-222.

Romanenko V.I. Light pressure on atoms in the field of counter-propagating trains of short light pulses // Ukr. J. Phys. -- 2004. -- V. 49. -- № 1. -- С. 26-33.

Романенко В.И., Яценко Л.П. Когерентный перенос импульса при взаимодействии трехуровневых атомов со встречными лазерными импульсами // ЖЭТФ -- 2005. -- Т. 127. -- № 2. -- С. 273-288.

Yatsenko L.P. , Romanenko V.I., Shore B. W., Halfmann T., Bergmann K. Two-photon excitation of the metastable 2s state of hydrogen assisted by laser-induced chirped Stark shifts and continuum structure // Phys. Rev. A -- 2005. -- V. 71. -- № 3. -- 33418.

Романенко В.І. Тиск світла на атоми у полі зустрічних хвиль зі стохастичною амплітудою // УФЖ -- 2005. -- Т. 50. -- № 5. -- С. 438-441.

Романенко В.И., Яценко Л.П. Стимулированное рамановское адиабатическое прохождение в полях со стохастической амплитудой // ЖЭТФ -- 2005. -- Т. 128. -- Вып. 5. -- 913-921.

Romanenko V.I., Shore B.W., Yatsenko L.P. Forces exerted on atoms by stochastic laser fields // Optics Communications -- 2006. -- V. 268. -- N 1. -- P. 121-132.

Романенко В.І. Стимульоване раманівське адіабатичне проходження в полях з флуктуючою фазою // УФЖ -- 2006. -- Т. 51. -- № 11-12. -- С. 1054-1062.

Romanenko V.I., Yatsenko L.P. Light pressure exerted on atoms in stochastic laser fields // Proceedings of SPIE. -- 2006. -- V. 6256 (ICONO 2005: Ultrafast Phenomena and Physics of Superintense Laser Fields), 62560V.

Войцехович В.С., Данилейко М.В., Негрийко А.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. Исследование действия вынужденного светового давления на атомные частицы // Тезисы XIV международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (КиНО'91). -- Ленинград, 1991. -- С. 154.

Voitsekhovich V.S., Danileiko M.V., Negriiko A.M., Romanenko V.I., Yatsenko L.P. Stimulated light force on atoms and molecules in amplitude modulated counter-propagating waves // Proc. International conference “Physics in Ukraine”. -- Kiev, 1993. -- P. 267-269.

Voitsekhovich V.S., Danileiko M.V., Negriiko A.M., Romanenko V.I., Yatsenko L.P. Stimulated light force on atoms and molecules in amplitude modulated counter-propagating waves // Summaries of papers presented at the International Quantum Electronics Conference. -- Anaheim (California, USA), 1994. -- V. 9, P. 217-218.

Romanenko V.I., Yatsenko L.P. Bergmann K. Stimulated Raman adiabatic passage and “dark” resonances in an open three-level Л-system // Proc. XVI International school-seminar “Spectroscopy of molecules and crystals”. -- Sevastopol, 2003. -- P. 80.

Romanenko V.I.,Yatsenko L.P. Light pressure exerted on atoms in stochastic laser fields // ICONO/LAT 2005 Technical Digest on CD-ROM. -- St. Petersburg 2005, ISuR6.

Romanenko V.I., Yatsenko L.P. Stimulated Raman adiabatic passage in the fields with stochastic amplitude Proc. 17-th International School-Seminar “Spectroscopy of Molecules and Crystals”. -- Beregove, the Crimea, 2005, P. 299.

Romanenko V.I. Stimulated Raman adiabatic passage in phase-fluctuating fields // Book of abstracts of “III International Conference on Hydrogen Bonding and Molecular Interactions”, -- Kyiv 2006, P. 140.

АНОТАЦІЇ

Романенко В. І. Керування рухом атомів та молекул когерентними та частково когерентними світловими полями. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. -- Інститут фізики НАН України, Київ, 2007.

У дисертації досліджується проблема керування рухом атомів і молекул когерентними й частково когерентними світловими полями. Розглядається вплив відстроювання частот від резонансу, флуктуації фази й амплітуди на перенесення населеності з основного до бажаного стану за допомогою стимульованого раманового адіабатичного проходження. Запропоновано новий метод двофотонного збудження водню в метастабільний стан 2s двома лазерними полями. Досліджено схеми взаємодії атома зі світлом, що забезпечують передачу атому імпульсу, кратному імпульсу фотона. Аналізуються схеми взаємодії із зустрічними хвилями (частотно-модульовані, біхроматичні, короткі зустрічні імпульси, хвилі зі флуктуючою фазою чи амплітудою), що забезпечують велику, порівняно з силою, що діє на атом у полі біжучої хвилі, силу світлового тиску. Розглянуто розсіювання атомів полем двох зустрічних імпульсів.

Ключові слова: лазер, атом, молекула, сила світлового тиску, перенесення населеності, передача імпульсу.

Romanenko V.I. Control of atomic and molecule motion by coherent and partly coherent light fields. -- Manusript.

Thesis for a Doctor of Sciences degree in Physics and Mathematics speciality 01.04.05 - optics, laser physics. -- Institute of physics of NAS of Ukraine. Kyiv, 2007.

This thesis examines several theoretical proposals for controlling atomic and molecular motion using coherent and partially coherent laser light, with particular attention to the dependence of the population transfer from the ground to the target state by stimulated Raman adiabatic passage on detuning from resonance, as well as phase and amplitude fluctuations. It describes a new method for two-photon excitation of hydrogen that produces atoms in the metastable 2s state by two laser fields, and examines schemes for transferring multiple-photon momentum to light atoms. These include atom interactions with counterpropagating waves (frequency-modulated, bichromatic, phase or amplitude fluctuating waves and short pulses); such situations can produce radiative forces much stronger than those produced by running waves. Scattering of atoms by the field of two counterpropagating pulses is considered.

Key words: laser, atom, molecule, radiative force, population transfer, momentum transfer.

Романенко В. И. Управление движением атомов и молекул когерентными и частично когерентными световыми полями. -- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. -- Институт физики НАН Украины, Киев, 2007.

В диссертации исследуется проблема управления движением атомов и молекул когерентными и частично когерентными световыми полями.

Внесен существенный вклад в теорию переноса населенности с основного в целевое (метастабильное) состояние в процессе взаимодействия атома или молекулы с полем встречных импульсов с частотами, близкими к частотам перехода с этих состояний в промежуточное возбужденное состояние (стимулированное рамановское адиабатическое прохождение, СТИРАП). Найдены аналитические выражения для вероятности переноса населенности, учитывающие отстройку частот от резонанса, флуктуации фазы и амплитуды, фундаментальный предел эффективости переноса, обусловленный флуктуациями фаз. Показано, что синхронные и близкие к синхронным флуктуации амплитуд световых импульсов не являются препятствием для достижения высокой, близкой к единице, вероятности переноса населенности в процессе СТИРАП. Найдено, что зависимость вероятности переноса населенности от частоты модуляции в полях с синусоидально-модулированной амплитудой носит пороговый характер -- начиная с некоторой частоты модуляции, порядка частоты Раби световых импульсов, вероятность перноса близка к единице.

Предложен новый метод двухфотонного возбуждения водорода в метастабильное состояние 2s двумя лазерными импульсами. Удвоенная несущая частота одного импульса (длина волны 243 нм) близка к частоте перехода 1s>2s. Второй импульс обеспечивает, изменяемый со временем штарковский сдвиг для адиабатического перехода через двухфотонный резонанс и одновременно подавляет ионизацию атомов в 2s состоянии полем первого импульса. Для этого его несущая частота (длина волны 552 нм) выбирается таким образом, чтобы обеспечить связь состояний 2s и 5s за счет двухфотонного перехода через континуум состояний с участием квантов обоих импульсов.

Впервые показано, что взаимодействие двухуровневого атома с полем частично перекрывающихся во времени встречных импульсов с различными несущими частотами приводит к передаче атому импульса, кратному импульсу фотона. Величина переданного импульса ступенчатым образом зависит от параметров, описывающих взаимодействия атома с полем (частоты Раби импульсов, отстройки от частоты переходов, временной сдвиг между максимумами импульсов) и скорости атома. Рассмотрено также взаимодествие трехуровневого атома со встречными перекрывающимися во времени импульсами и показано, что в этом случае потери населенности при длительном, порядка времени спонтанного излучения из возбужденного состояния, взаимодействии атома с полем могут быть существенно уменьшены по сравнению со случаем двухуровневого атома.

Исследованы схемы взаимодействия атомов со встречными волнами (частотно-модулированными, бихроматическими, короткими импульсами, волнами с флуктуирующей фазой или амплитудой), в которых действующая на атом сила светового давления значительно превышает максимальную силу, действующую на атом в поле бегущей монохроматической волны. Впервые исследована зависимость действующей на атом силы в поле бегущих коротких (по сравнению со временем жизни атома в возбужденном состоянии) лазерных импульсов. Показано, что в общем случае импульсов произвольной площади эта зависимость носит резонансный характер. Если же фазы встречных импульсов случайны, резонансная структура сглаживается, а средняя действующая на атом сила заметно превышает минимальную, что значительно уменьшает время изменения скорости атома на требуемую величину. Проведенные исследования действующей на атомы силы в полях с флуктуирующей амплитудой для модели стохастического поля, соответствующей реальному полю многомодового лазера, показали возможность использования многомодовых лазеров для управления движением атомов. Нужная корреляция между встречными волнами возникает благодаря временной задержке, обусловленной прохождением падающей на атом волны до зеркала и обратно. Существенно, что действующая на атом сила светового давления во всех рассмотренных полях характеризуется, при надлежащем выборе параметров, знакопостоянной зависимостью от скорости на интервале, пропорциональном частоте модуляции полей или, для случайных полей, обратному времени корреляции. Для атомов в бихроматическом поле с разной интенсивностью спектральных компонент можно формировать силу, охлаждающую или разогревающую атомы. В случае взаимодействия атомов с думя встречными волнами, одна из которых -- монохроматическая, а фаза другой флуктуирует, можно формировать моноэнергетичный пучок атомов с малой, порядка г/k, скоростью (г -- обратное время жизни в возбужденном состоянии, k -- волновой вектор).

Рассмотрено рассеивание атомов полем двух встречных импульсов. Показано, что такая схема взаимодействия атома с полем приводит к асимметрии рассеивания, величина и знак которой определяются отстройкой частоты поля от частоты перехода в атоме.

Ключевые слова: лазер, атом, молекула, сила светового давления, перенос населенности, передача импульса.

Размещено на Allbest.ru