Тип работы:
 Предмет:
 Язык работы:


ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АНСАМБЛЕЙ ЩЕЛОЧНЫХ АТОМОВ В УСЛОВИЯХ РЕЗОНАНСА КОГЕРЕНТНОГО ПЛЕНЕНИЯ НАСЕЛЕННОСТИ, ВОЗБУЖДАЕМОГО ИМПУЛЬСНОЙ НАКАЧКОЙ

Работа №75201

Тип работы

Магистерская диссертация

Предмет

физика

Объем работы47
Год сдачи2020
Стоимость5550 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
20
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ 5
ГЛАВА 2. РАМСЕЕВСКАЯ СХЕМА ОПРОСА 14
ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННАЯ СХЕМА 16
ГЛАВА 4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 19
4.1. Холодный оптически тонкий ансамбль 20
4.2. Холодный оптически плотный ансамбль 25
4.3. Температурные эффекты в оптически тонкой среде 30
4.4. Температурные эффекты в оптически плотной среде 33
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 35
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 38
ПРИЛОЖЕНИЕ 43


Известно, что взаимодействие бихроматического излучения с трехуровневой квантовой системой может приводить к возникновению так называемого тёмного состояния. Это состояние представляет собой квантовую суперпозицию двух основных состояний системы, которая в результате деструктивной интерференции каналов возбуждения перестает взаимодействовать с излучением. В эксперименте это проявляться как возникновение окна прозрачности. Когда имеет место такая особенность говорят о проявлении эффекта когерентного пленения населенностей (КПН) [1-4]. При наличии импульсного излучения, ли¬бо когда среда является оптически плотной, либо компоненты излучения имеют различные частоты Раби принято говорить о родственном эффекте КПН - эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности (ЭИП) [5,6]. Ширина ок¬на прозрачности в условиях эффекта КПН или ЭИП может быть значительно уже по сравнению с естественной шириной линии оптического перехода и достигать сотен (или даже десятков) герц [7-12]. Это позволяет использовать эти эффекты в широком спектре практических приложений, среди которых квантовые стандарты частоты [13-18], оптические магнитометры [19-23], лазерная генерация без инверсии [24,25], спектроскопия сверхвысокого разрешения [26], оптические коммуникации [27-29], устройствах для записи и обработки квантовой информации [30-33], лазерное охлаждение атомов [34-37].
Явление КПН исследуется более 40 лет. За это время изучен широкий круг вопросов как по различным условиям наблюдения эффекта КПН, так и по влиянию различных факторов на форму резонанса КПН. Одно из основных направлений по изучению эффекта КПН - это поиск способов уменьшения ширины линии резонанса. Существенного сужения линии КПН резонанса можно добиться, если реализовать т.н. Рамсеевскую схему опроса [38]. Среди возможных модификаций можно выделить, во-первых, использование традиционной пролётной схемы. Так, в [39] исследовались параметры КПН в случае возбуждения пространственно-разделенных областей бихроматического поля. Во вторых, можно выделить использование зонной накачки, которая приводит к возникновению аналога Рамсеевской схемы [40]. В такой геометрии возбуждения эффекта КПН диффузия щелочных атомов в направлении, перпендикулярном лазерному лучу, приводит к тому, что атом взаимодействует с полем ограниченное время. Это позволяет наблюдать «Рамсеевское» сужение резонанса КПН в ячейках как с буферным газом, так и в ячейках с антирелаксационным стеночным покрытием [41-42]. Третьим вариантом сужения резонанса КПН явля¬ется импульсная накачка - «временная» схема Рэмси. В последнее время в этом направлении активно ведутся научные исследования, так использование импульсной накачки позволило авторам [43] продемонстрировать возможность повысить разрешающую способность и выделить из резонанса КПН несколько пиков. Исследование возбуждения темных резонансов полихроматическим из¬лучением в ячейках с буферным газом проанализировано в [44]. В работе [45] исследована Рамсеевская мультизонная накачка КПН резонанса и показана повышенная разрешимость сигнала КПН. Применение импульсной накачки, как способ существенно уменьшить световые сдвиги был исследован в [46,47]. Сужение резонанса КПН можно также наблюдать путём синхронизированной модуляции поляризации лазерного излучения [48]. Целый цикл работ посвящен двухступенчатой импульсной накачке. Здесь можно отметить работу [49], где предложен синтетический частотный протокол для Рамсеевской спектроскопии, который позволяет подавить световые сдвиги. Подобный способ накачки также позволяет повысить соотношение сигнал/шум [50]. Исследование возможности управления распадом возбужденных уровней в присутствии импульсных полей рассмотрено в [51]. Учет некогерентного канала рассеяния при распространении импульсного излучения в условиях ЭИП в оптически плотных средах исследован в работе [52].
Кроме узости линии КПН резонанса, важна также амплитуда резонанса. Основным способом для её повышения является увеличение концентрации щелочных атомов, что можно производить путем повышения температуры. На начальном этапе увеличения концентрации атомов амплитуда растёт пропорционально числу атомов. После достижения определённой концентрации начина¬ют проявляться коллективные эффекты и зависимость амплитуды от концентрации атомов перестаёт быть линейной. Исследование коллективных эффектов в разреженных средах показало, что в таком случае могут иметь место интерференционные эффекты [53,54]. Из ряда работ по исследованию КПН в оптически плотных средах известно, что наличие поглощения в среде может приводить к возникновению световых сдвигов, обусловленных различным поглощением мод лазерного излучения [55]; возрастанию степени корреляции между модами лазерного излучения в случае использования частичноскореллирован-ных лазерных полей [56]; возникновению эллиптичности поляризации при накачке щелочных атомов [57]. Коллективные эффекты в разреженных средах могут также приводить к однофотонному сверхизлучению, возникающему при импульсном возбуждении холодных атомных ансамблей [58,59]. Таким образом, возникает вопрос о том, как проявятся коллективные эффекты в разреженных средах (т.н. оптически плотная среда) в условиях эффекта КПН при импульсной накачке (Рамсеевская схема опроса) с учетом движения атомов. Дан¬ному вопросу и посвящена настоящая работа.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!
ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

В ходе данной работы была разработана полуклассическая модель взаи¬модействия импульсного лазерного излучения, описываемого классическим вектором напряженности электрического поля, с оптически плотной средой щелочных атомов, описываемых квантовомеханически, в условиях резонанса когерентного пленения населенностей. Для описания состояний атомного ан¬самбля был использован метод матрицы плотности, позволяющий корректно учесть релаксационные процессы.
В процессе создания динамической математической модели были учтены оптическая плотность среды, сверхтонкое расщепление возбужденного состоя¬ния атома (четырехуровневая модель), а также наличие ненулевой температу¬ры атомного ансамбля, приводящее к значительным изменениям формы резо¬нанса когерентного пленения населенностей.
Ввиду значительной сложности полученной системы интегро- дифференциальных уравнений, была предложена модификация метода Эйлера для реализации численного решения таких систем. В результате решения было показано, что сверхтонкое расщепление возбужденного состояния атома при¬водит к световому сдвигу резонанса, детектируемого Рамсеевским методом.
Проведен анализ поведения светового сдвига в зависимости от различных параметров атомной среды и падающего двухчастотного излучения. В резуль¬тате чего продемонстрирована явная возможность нивелирования зависимости светового сдвига от оптической толщины путем подбора разности фаз входных полей.
Явление когерентного пленения населенностей находит применение в та¬ких областях, как квантовые стандарты частоты, магнитометры, спектроскопия сверхвысокого разрешения, запись и обработка квантовой информации, лазер¬ная генерация без инверсии. В микроволновых стандартах частоты на основе КПН использование для накачки полей только оптического диапазона позволя¬ет избежать громоздких СВЧ-резонаторов, тем самым снизить размер и энерго¬потребление устройства. Однако стабильность этих устройств снижается в частности из-за влияния светового сдвига. Полученный в данной работе способ подавления светового сдвига может быть предложен для усовершенствования существующих стандартов частоты и повышения их стабильности.
По результатам настоящей работы сделаны следующие публикации науч¬ных статей в рецензируемых журналах:
1) Г.В. Волошин, К.А. Баранцев, Е.Н. Попов, А.Н. Литвинов, "Влияние сверхтонкой структуры возбуждённого уровня на форму резонанса когерентно¬го пленения населенностей при Рамсеевской схеме опроса в оптически плотной среде" // Журнал экспериментальной и теоретической физики 156, 5 (2019)
2) Г.В. Волошин, К.А. Баранцев, А.Н. Литвинов, "Влияние сверхтонкой структуры возбуждённого уровня на форму резонанса когерентного пленения населенностей при Рамсеевской схеме опроса в оптически плотной среде" // Квантовая электроника (2020), принята в печать.
Также по теме данной работы сделаны доклады на конференциях:
1) XVII Международная конференция по люминесценции и лазерной фи¬зике (Иркутск, 2019).
2) XXIII Международная молодежная научная школа «Когерентная опти¬ка и оптическая Спектроскопия» (Казань, 2019)
Работа выполнена при поддержке
1) Российского Фонда Фундаментальных исследований. — 18-32-20022 мол_а_вед — "Поиск и реализация новых технических решений для достижения предельных характеристик малогабаритных атомных ча¬сов" — 2018-2019.
2) Гранта Президента Российской Федерации для государственной под-держки молодых российских ученых - кандидатов наук — МК-
1452.2020.2 — Методы повышения точности атомных часов при ис-пользовании обобщенной Рамзеевской спектроскопии в оптически плотных атомных ансамблях — 2020-2021.
3) Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере — №14380ГУ/2019, конкурс УМНИК-18 (в) — Разработка малогабаритного физического блока стандарта частоты с импульсной схемой опроса для глобальных навигационных спутнико¬вых систем — 2019-2020.



[1] G. Alzetta et al. // Nuovo Cim. B 36(1), 5 (1976).
[2] E. Arimondo and G. Orriols // Lett. Nuovo Cim. 17(10), 333 (1976).
[3] H. R. Gray, R. M. Whitley, and C. R. Stroud, Jr. // Opt. Lett. 3, 218 (1978).
[4] Б.Д. Агапьев, М.Б. Горный, Б.Г. Матисов и др. // УФН 163, 1 (1993)
[5] М.Б. Горный, Б.Г. Матисов и Ю.В. Рождественский // ЖЭТФ 68, 728 (1989)
[6] E. Arimondo // Progress in optics 35, p.257-354 (1996)
[7] R. Wynands and A. Nagel, Appl. Phys. B 68, 1 (1999).
[8] M. Erhard and H. Helm, Phys. Rev. A 63, 043813 (2001).
[9] M. Merimaa, Th. Lindvall, I. Tittonen, and E. Ikonen // JOSA B 20, 273 (2003).
[10] M. V. Balabas, T. Karaulanov, M. P. Ledbetter, and D. Budker // Phys. Rev. Lett. 105, 070801 (2010).
[11] V.M. Datsyuk, I.M. Sokolov, D.V. Kupriyanov, and M.D. Havey, Phys. Rev. A77, 033823 (2008)
[12] D. V. Brazhnikov, A. V. Taihenahev, A. M. Tumaikin, and V. I. Yudin // Las. Phys. Lett. 11, 125702 (2014).
[13] J. Vanier // Appl.Phys., 2005, B 81, P.421
[14] С.А. Зибров, В.Л. Величанский, А.С. Зибров и др. // Письма в ЖЭТФ 82, 534 (2005)
[15] G. Kazakov, B. Matisov, I. Mazets, et. al. // Phys. Rev. A 72, 063408 (2005)
[16] S. A. Zibrov, I. Novikova, D. F. Phillips, et. al. // Phys. Rev. A 81, 013833 (2010)
[17] К.А. Баранцев, Е.Н. Попов, А.Н. Литвинов, В.М. Петров. // Радиотех¬ника 12, 164 (2016)
[18] S. Khripunov, D. Radnatarov, S. Kobtsev. // Proc. SPIE, v. 9378, “Slow Light, Fast Light, and Opto-Atomic Precision Metrology VIII”, 93780A (2015).
[19] Akulshin A., Celikov A. and Velichansky V. // Opt.Commun 84, 139 (1991)
[20] M. Stahler, R. Wynands, S. Knappe et al. // Opt.Lett. 27, 1472 (2002)
[21] P. D. D. Shwindt et al., Appl. Phys. Lett. 85, 6409 (2004).
[22] V.V. Yashuk, J. Granwehr, D.F. Kimbal, et.al.m // Phys.Rev.Lett. 93, 160801 (2004)
[23] K. Cox et al. // Phys. Rev. A 83, 015801 (2011).
[24] O. Kocharovskaya and Ya. I. Khanin // Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 48, 581 (1988)
[25] S. Harris // Phys. Rev. Lett. 62, 1022 (1989)
[26] J. Vanier, A. Godone, and F. Levi // Phys. Rev. A 58, 2345 (1998).
[27] L. V. Hau et al., Nature 397, 594 (1999).
[28] A. M. Akulshin, A. Cimmino, A. I. Sidorov, P. Hannaford, and G. I. Opat, Phys. Rev. A 67, 011801(R) (2003).
[29] E. E. Mikhailov, V. A. Sautenkov, I. Novikova, and G. R. Welh, Phys. Rev. A 69, 063808 (2004).
[30] M. Fleishhauer and M. D. Lukin, Phys. Rev. Lett. 84, 5094 (2000).
[31] C. Liu, Z. Dutton, C. H. Behroozi, and L. V. Hau, Nature (London) 409, 490 (2001).
[32] Lukin M.D. // Reviews of Modern Physics, 75, 457 (2003)
[33] M. Fleischhauer, A. Imamoglu, J.P. Marangos // Reviews of Modern Physics, 77, 633 (2005)
[34] A. Aspet, E. Arimondo, R. Kaiser, N. Vansteenkiste, and C. Cohen- Tannoudji, Phys. Rev. Lett. 61, 826 (1988).
[35] M. Kasevih and S. Chu, Phys. // Rev. Lett. 69, 1741 (1992).
[36] И.Е. Мазец, Б.Г. Матисов // Письма в ЖЭТФ 60, 686 (1994)
[37] А.В. Тайченачев, A.M. Тумайкин, В.И. Юдин // Письма в ЖЭТФ 65, 744 (1997).
[38] N.F. Ramsey // Phys. Rev. 78, 695, (1950).
[39] И.М. Соколов // Квантовая электроника 45, 947 (2015)
[40] Y. Xiao, I. Novikova, D. F. Phillips, and R. L. Walsworth. // Phys. Rev. Lett. 96, 043601 (2006)
[41] E. Breschi, G.Kazakov, C. Schori, et.al. // Phys.Rev. A 82, 063810 (2010)
[42] G. A. Kazakov, A. N. Litvinov, B. G. Matisov, et.al., // Journal of Physics B 44, 235401 (2011)
[43] Z. D. Grujic, M. Mijailovic, D. Arsenovic, A. Kovacevic, M. Nikolic, and B. M. Jelenkovic // Phys. Rev. A 78, 063816 (2008)
[44] A. Litvinov, G. Kazakov, B. Matisov, et.al., // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 43, 1-9 (2010)
[45] H. Failache, L. Lenci, and A. Lezama // Phys. Rev. A 81, 023801 (2010)
[46] Y. Yano, W. Gao, S. Goka, and M. Kajita, // Phys. Rev. A 90, 013826 (2014)
[47] G. S. Pati, Z. Warren, N. Yu, and M. S. Shahriar // JOSA B 32, 388 (2015)
[48] P. Yun, F. Tricot, C. E. Calosso, S. Micalizio, B. Francois, R. Boudot, S. Guerandel, and E. de Clercq // Phys. Rev. Applied 7, 014018 (2017)
[49] V. I. Yudin, A. V. Taichenachev, M. Yu. Basalaev, Phys. Rev. A 93, 013820 (2016)
[50] Y. Yano, S. Goka, M. Kajita // Applied Physics B, march
[51] L. Nicolas, T. Delord, P. Jamonneau, R. Coto, J. Maze, V. Jacques, and G. H'etet // arXiv: 1712.04240v1 [quant-ph]
[52] V.M. Datsyuk, I.M. Sokolov, D.V. Kupriyanov, and M.D. Havey, Phys. Rev. A 74 043812(2006).
[53] I.M. Sokolov, D.V. Kupriyanov, and M.D. Havey // Optics communica¬tions 243, 165-173 (2004)
[54] D. V. Kupriyanov, I. M. Sokolov, N. V. Larionov, et. al. // Physical Re¬view A 69, 033801 (2004)
[55] К.А. Баранцев, Е.Н. Попов, А.Н. Литвинов // ЖЭТФ 148, 869-882 (2015)
[56] К.А. Баранцев, А.Н. Литвинов, Е.Н. Попов // ЖЭТФ 152, 1165 (2017)
[57] К.А. Баранцев, Е.Н. Попов, А.Н. Литвинов // Квантовая электроника 9, 812 (2017)
[58] M.O. Scully, E.S. Fry, C.H.R. Ooi and K. Wodkiewicz // Phys. Rev. Lett. 96, 010501 (2006)
[59] A. S. Kuraptsev, I. M. Sokolov, and M. D. Havey Phys. Rev. A 96, 023830 (2017)
[60] Affolderbach C., Andreeva C., Cartaleva S. // Appl. Phys. B, V.80, pp. 841-848 (2005)
[61] С. Г. Раутиан, Г. И. Смирнов, А. М Шалагин. // Наука (1979)
[62] Т.Л. Андреева // ЖЭТФ 54, 641-650 (1967)
[63] Аллен, Л., Эберли, Дж., Оптический резонанс и двухуровневые ато¬мы // Мир, 222 (1978)
[64] Н.Б. Делоне, В.П. Крайнов // УФН 169, 753-772 (1999).
[65] M. A. Hafiz, G. Coget, P. Yun, S. Guerandel, E. de Clercq, and R. Boudot // Journal of Applied Physics 121, 104903 (2017)
[66] S. Micalizio and A. Godone // Phys. Rev. A 99, 043425 (2019)
[67] Vanier, J. // The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards // Bris¬tol 1567 (1989).
[68] В. Н. Фаддеева, Н. М. Терентьев // Математические таблицы // Акад. наук СССР. Матем. ин-т им. В. А. Стеклова. Ленингр. отд-ние; Вып. 3 (1954)


Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ
.