Способ изменения полевого уширения линии резонансного перехода атома в сильном световом поле Советский патент 1993 года по МПК G01N21/21 

Изобретение относится к прикладной спектроскопии, преимущественно лазерной спектроскопии, и может быть использовано для повышения чувствительности двухфо- тонной поляризационной спектроскопии и оптимизации характеристик параметрических преобразователей частоты.

Известен ионизационный способ измерения величины полевого уширения линий резонансных переходов атомов в сильном световом поле, заключающийся в регистрации резонансного дисперсионного контура вероятности многофотонной ступенчатой ионизации атомов и определении спектральной ширины этого контура. Практическая реализация этого способа сопряжена рядом технических трудностей - необходимостью использования двух или более перестраиваемых по частоте лазеров, а также специальных устройств для регистрации ионов, образовавшихся в объеме взаимодействия. Кроме того, искажение формы резонансного контура вероятности ионизации из-за вторичных радиационных процессов и возмущения энергетических уровней смежных одно и многофотонных переходов атома приводит к существенному снижению точности измерения величины полевого уширения резонансного перехода.

Целью изобретения является упрощение процедуры измерений и увеличение их точности.

Цель достигается путем воздействия на атомарную среду сильным световым полем и измерения кривой частотной зависимости индуцированной оптической активности среды при перестройке частоты света вблизи резонансного перехода атома, а величину полевого уширения резонансного перехода атома определяют по расстоянию между экстремумами этой зависимости.

В стеклянную ячейку с исследуемой атомарной средой направляется эллиптически поляризованное излучение лазера на красиь

1

00 О 4 О Ю

теле(ЛК). При перестройке частоты излучения ЛК в окрестности резонансного перехода атома в среде индуцируется нелинейная гиротропия, обусловленная различием нелинейных добавок к показателю преломления среды для право- и лево- поляризованных циркулярных компонент светового поля и приводящая к самоиндуцированному вращению эллипса поляризации излучения. По мере приближения частоты излучения ЛК к частоте резонансного перехода (как с низко-, так и с высокочастотных сторон) угол самоиндуцированного вращения эллипса поляризации резонансно возрастает, а в пределах полевой ширины резонанса происходит его уменьшение за счет уменьшения разности показателей преломления среды для право- и левополя- ризованных циркулярных компонент поля. Таким образом, на кривой частотной зависимости угла самовращения эллипса поляризации наблюдаются два экстремума, положения которых определяются границами резонансно уширенной линии и частотное расстояние между которыми равно величине полевого уширения перехода.

Анализ состояния эллипса поляризации излучения, прошедшего сквозь стеклянную ячейку, производится двумя взаимно скрещенными анализаторами поляризации (например, призм Франка-Риттера) и установленным за ними фотоприемным устройством (ФПУ).

Пример. В качестве конкретного примера применения производилось измерение величины полевого уширения резонансного перехода 5Si/2 5Рз/2 атомов рубидия (Rb) при трех различных значениях интенсивности лазерного излучения. Для этого в 20-сантиметровую стеклянную ячейку с насыщенными атомарными парами Rb (NRb 1-10 ) направлялось эллиптически поляризованное излучение Л К (спектральная ширина линии генерации 0,4 , длительность импульса на полувысоте 20 не), частота которого перестраивалась в широкой окрестности исследуемого перехода 55ш-5Рз/2.

Измерение угла самовращения эллипса поляризации, прошедшего область взаимодействия излучения ЛК, производилось двумя взаимно скрещенными поляризационными призмами Франка-Риттера и установленным за ними ФПУ на базе фотодиода ФД-7Г. Коэффициент экстинк- ции измерительной схемы был не хуже 10 . Степень эллиптичности излучения Л отношение малой и большой полуосей эллипса

0

поляризации) составляла величину -10 4.

На чертеже приведены кривее частотной зависимости угла самоиндуцированно- го вращения эллипса поляризации (p(v) для трех фиксированных значений интенсивности I при перестройке частоты излучения Л К в окрестности перехода 5Si/2-5P3/2 (треугольники - I 0,35 МВт/см , темные кружки - I 0,7 МВт/см2 и светлые кружки - I 1,2 МВт/см2). Стрелка на чертеже соответствует положению точного резонанса в отсутствии возмущения. Видно, что наблюдаются два экстремума поворота поля5 ризации, симметрично расположенные относительно точного резонанса, но с противоположными направлениями вращения (знаками углов). Значения частотных расстояний между низко- и высокочастотными

0 экстремумами с ростом интенсивности изменяются пропорционально амплитуде напряженности электрического поля световой волны Е0, что характерно для полевого механизма уширения резонанс5 ных переходов, В таблице для сравнения приведены экспериментальные и расчетные значения полевого уширения Гг 4 -(d E)/h (d - дипольный момент перехода; Е - напряженность электрического поля све0 товой волны; h - постоянная Планка). Значение дипольного момента взято из 2.

Хорошее согласие между экспериментальными и расчетными данными в пределах полуширины линии возбуждающего

5 излучения подтверждает высокую точность предложенного способа для измерения величины полевого уширения линий резонансных переходов атомов.

Следует отметить, что в предлагаемом

0 способе угол самовращения эллипса поляризации р изменяется квадратично от напряженности поля, т.е. (р 1(г, т) Е2(г, т).

Вероятность же многофотонной ионизации в случае известного ионизационного

5 способа (прототипа) Л/Ион. lk(r, t) E2k(r. т), где k - число фотонов, необходимых для ионизации атомов, и k 2. Из более высокой степенной зависимости от амплитуды напряженности поля E(r, t) в случае прототипа

0 по сравнению с предложенным способом видно, что при регистрации сигнала, усредненного по поперечному сечению пучка г и длительности импульса t, погрешность способа, обусловленная влиянием про5 странственно-временной неоднородности (колоколообразной формы) распределения поля E(r, t) реальных лазерных импульсов, в случае предлагаемого способа меньше, чем в случае прототипа. Таким образом, реальная точность предложенного способа всегда больше точности прототипа.

Например, если пространственно-временная неоднородность светового поля в физическом процессе, линейно зависящем от Е(г, т) при регистрации сигнала, усредненного по сечению пучка г и длительности импульса t, приводит к погрешности измерения 10%, то в этом случае реальные точности измерений будут: предложенный способ-(1 -0,1)2-100% 81%; прототип - (1 -0,1)4-100% « 65% (когда k 2, двух- фотонная ионизация - редкий случай) и (1 - 0,1)6-100% и 53% (когда k 3, трехфо- тонная ионизация - наиболее вероятный случай).

Таким образом, предложенный способ измерения величины полевого уширения линий резонансных переходов атомов по сравнению с известным ионизационным способом (прототипом) обладает следующими преимуществами: простотой реализации - используется излучение только

одного Л К, высокой точностью, определяемой более низкой степенной зависимостью от напряженности светового поля и высокой точностью измерения углов поворота поляризации, возможностью получения дополнительной спектроскопической информации об атоме путем независимого изменения степени эллиптичности и интенсивности возбуждающего излучения.

Формула изобретения

Способ измерения полевого уширения линии резонансного перехода атома в сильном световом поле, заключающийся в воздействии на атомную среду сильным

световым полем, перестройке частоты света вблизи резонансного перехода атома, отличающийся тем, что, с целью упрощения измерений и увеличения их точности, при перестройке частоты света измеряют зависимость индуцированной оптической активности, а величину полевого уширения определяют по расстоянию между экстремумами этой зависимости.

Использование: для оптимизации характеристик параметрических преобразователей частоты в газообразных атомарных средах. Сущность заключается в использовании известного нелинейного свето- индуцированного вращения эллипса поляризации лазерного излучения в атомарных средах для измерения полевого ушире- ния линии резонансных переходов. 1 табл., 1 ил.

ФИГУРА

6

} гггтрттгр-гт грттг утттт гтт-гу пттутгтт-rv

-(/ги.уаЪ.)

-М