Физика/Оптика

 

К.ф.-м.н. Бимагамбетов Т.С.

Алматинский университет энергетики и связи, Казахстан

Инверсная населенность и вынужденное излучение на резонансном переходе атомов рубидия при оптико-столкновительном заселении

 

Введение

В работах [1-3] теоретически и экспериментально исследованы возможности создания инверсной населенности двухуровневого атома в сильном поле  при присутствие буферного газа. В [1] теоретически показано, что фазовое уширение двухуровневого атома с учетом неупругого характера

этого уширения в сильном поле приводит к стационарной инверсной населенности  основного и резонансного уровня при положительной расстройке. При таком описании процессы перехода энергии от атома к полю и обратно неравноправны и при наличии внешнего поля с частотой Раби  G=dmnE/2 (G- частота Раби, Е – амплитуда электрического поля излучения, dmn – матричный элемент дипольного момента перехода) взаимодействие с полем, модулирующим атомную частоту, не является строго упругим из-за ненулевой величины кванта взаимодействия  ( расстройка лазерного излучения от резонансного перехода). Тогда больцманское распределение населенности по уровням энергии для двухуровневого атома с основным уровнем n и возбужденным m описывается соотношением  . Отсюда следует, что при положительной расстройке частоты () населенность верхнего уровня  больше чем населенность нижнего уровня, т.е. возникает инверсия населенности.

 В работe [3] в парах натрия получены инверсии заселенностей и генерации вынужденного излучения в основном и резонансных переходах 3S1/2 - 3P3/2,1/2 (D1 и D2 - линии ) при непрерывном лазерном возбуждении. Генерация наблюдалась в широком диапазоне положительных расстроек излучения лазера и только в присутствии буферного газа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


В настоящей работе приводится результаты зависимости мощности вынужденного излучения резонансном переходе 5S1/2-5P1/2  от  частоты лазерного излучения.  

Описание экспериментальной установки.

Общая схема экспериментальной установки для получения вынужденного излучения приведена на рисунке  2. В качестве источника

накачки использовался лазер на красителе  (2) с перестраиваемой частотой, возбуждавшийся одним импульсом рубинового лазера (1). Рубиновый лазер работал в режиме модулированной добротности, которая осуществлялась с помощью просветляющего фильтра. Перестройка частоты лазера на красителях осуществлялась с помощью дифракционных решеток. Для сужения линии генерации внутри резонатора помещался наклонный эталон Фабри – Перо с различной толщиной базы. Мощность красителя измерялась калориметром (3), на который направлялось отражение накачки от одной поверхности стеклянной подложки (4). Световой пучок лазера направлялся в кювету (6) с парами щелочных металлов. Для увеличения интенсивности возбуждающего излучения использовалась телескопическая система (5), уменьшающая диаметр светового пучка внутри кюветы до 1 мм. Вынужденное излучение, выходящее из кюветы, направлялось с помощью диэлектрического зеркала (7) на щель дифракционного спектрографа (8) и интенсивность измерялась приемником (9), ширина аппаратной функции

 

Рис. 2. Схема экспериментальной установки.

составляла 0,5 см-1. Юстировка экспериментальной установки проводилась

с помощью двух гелий – неоновых лазеров (10, 11) , один из них лазер (10) являлся основным и задавал оптическую ось всей системы, а  вспомогательный газовый лазер (11) задавал оптическую ось рубинового лазера. Его луч пересекался с оптической осью системы внутри кюветы с красителем лазера. Съюстированный по лучу гелий – неонового лазера  рубиновый лазер обеспечивал генерацию лазера на красителях вдоль главной оптической оси системы. При этом оптическая ось резонаторов лазеров на красителях была отклонена на небольшой угол (15-20) от направления генерации рубинового лазера. Что позволило достичь наибольшего коэффициента преобразования возбуждающего излучения.

Результаты эксперимента

Работа проводилась с использованием лазера на красителях с максимальной мощностью Р=300 кВт с перестраиваемой частотой и шириной линии 0,2 см-1, длительность импульса 15 нс. Концентрация атомов изменялась в  интервалах от N=0,5·1015 - 3·1015 см-3 (N=1,5·1015 см-3   (оптимальная концентрация).  Рабочая область паров рубидия -20 см и давления буферного газа аргона - 1 атм. Средний диаметр светового пучка внутри кюветы 2 мм, при этом интенсивность достигала до 10 МВт/см2. Частота лазера на красителе с положительной расстройкой настраивалась на резонансный переход атома рубидия 5S1/2 – 5P1/2 Экспериментально наблюдалось вынужденное излучение на частоте  (D1- линия, 794,8 нм) на резонансном переходе. Генерация возникала только в присутствие буферного газа и существовала в указанных диапазонах концентрации.

В оптимальных условиях на длине активной  среды 20 см коэффициент уcиления вынужденного излучения составляла . При этом параметр gL достигает значению 20-40 т.е. получаем сверхсветимости, поскольку генерация излучения возникает за один проход через активную среду.

В данном эксперименте исследовали зависимости мощность вынужденного излучения Р на резонансном 5S1/2 – 5P1/2 (D1 – линии, длина волна =794,8 нм) от расстройки частоты возбуждающего излучения (рис.3).

Нулевой расстроек соответствует  атомному переходу  5S1/2 – 5P1/2. С увеличением расстройки () мощность (Р) вынужденного излучения увеличивается и достигает своего максимума при 20 см-1, с ростом   величина Р уменьшается и в интервалах  50 -200 см-1 не наблюдается. Не высоки пик соответствует второму резонансного перехода   5S1/2 – 5P3/2 (D2 – линии), затем уменьшается, в близи  двухфотоном возбуждении (5S1/2 – 5D5/2 ) снова нарастает и достигает своего максимума. Далее увеличение расстроек  Р уменьшается и наблюдается до 400 см-1. Отметим, что при отрицательной отстройке частоты от атомного перехода  5S1/2 – 5P1/2 вынужденное излучения не наблюдалось. 

 

Рис.3. Зависимость мощности вынужденного излучения D1- линии от разности частот . 1- атомный переход 5S1/2 – 5P1/2 , 2 - 5S1/2 – 5P3/2, 3- 5S1/2 – 5D5/2.

 

Заключение

     В работе экспериментально исследовано вынужденное излучение на резонансном переходе 5S1/2 – 5P1/2 атома рубидия в присутствии буферного газа аргона. Вынужденное излучение возникало только при положительной расстройке от резонансного уровня и только в присутствии буферного газа. Появления первого пика мощности вынужденного излучения объясняется тем, что переход энергии от атома к полю и обратно при ОС (столкновение атомов рубидия с атомами аргона) заселении неравноправны. Как было показано  выше, что равновесное распределение по уровням энергии компаунд-системы соответствует тому, что для двухуровневых атомов (с основным уровнем  n и возбужденным m) населенности Nn и Nm в сильном поле связано соотношением , где  - расстройка лазерного излучения от перехода n-m, - частота лазерного излучения, - частота атомного перехода n-m).  Отсюда следует, что при положительной расстройке частоты () населенность верхнего уровня  больше чем населенность нижнего уровня, т.е. возникает инверсия населенности (генерация вынужденного излучения).

Второй пик -  заселения уровня 5Р1/2 достигалось за счет столкновения возбужденных атомов рубидия уровне 5Р3/2  с частицами буферного газа.

Трети пик достигается ОС заселения уровня 5Р3/2  и уменьшения населенности основного уровня 5S1/2 при двухфотонного заселения уровня 5D5/2.

Таким образом установлено, что вынужденное излучения D1- линии наблюдается не только окрестности атомном переходе 5S1/2 – 5P1/2 , но и в широкой области перестройки частоты лазера, включающей однофотонной 5S1/2 – 5P3/2 и двухфотонного резонанса.

Литература:

  1. Гришанин Б.А. Инверсия однородно уширенного двухуровневого атома монохроматическим внешним полем. // Вестник МГУ, Серия Физика. Астрономия. 1988, Т. 29, №6. С. 61-64.
  2. Бимагамбетов Т.С., Гришанин Б.А., Одинцов В.И., Пономарев А.Н.Инверсная населенность и вынужденное излучение при оптико-столкновительном заселении атомных уровней. // Тезисы докладов III Всесоюзная конференция «Теоретическая и прикладная оптика». Ленинград 1988. С. 46-47.
  3. Марков З.В., Плеханов А.И., Шалагин А.М. // Инверсия заселенностей на переходах в основное состояние атомов при нерезонансном поглощении лазерного излучения.  ЖЭТФ, 2001,  Т. 120, С. 1185-1193.