Нелинейные резонансы в спектроскопии пробного поля

Нелинейные явления, возникающие при взаимодействии лазерного излучения с атомами. получили применение не только как метод спектроскопического исследования веществ, но и лежат в основе многочисленных практических применений. Теоретический анализ этих явлений в газовых средах развивался, начиная с 60-х лет прошлого века для невырожденных двухуровневых и трехуровневых Λ- и Λ- схем, а в последующем и для описания вырожденных переходов. В мировой тренд построения фундамента нелинейной спектроскопии сотрудники ИАИЭ СО РАН и лаборатории Физики лазеров внесли существенный вклад. Однако ряд специфических эффектов, обусловленных вынужденными переходами в поле сильной световой волны, был в свое время упущен. Прогресс в обнаружении таких эффектов в настоящее время, обусловлен применением методов математического моделирования, которые позволяют исследовать схемы переходов, труднодоступные экспериментальному исследованию, и при интенсивностях лазерного излучения не допускающих аналитическое представление результатов. Полученные в последние годы результаты расширяют наши представления о физических процессах, протекающих при взаимодействии лазерных волн с атомами.

В первую очередь, отметим работу [1] о выяснении роли спонтанного испускания по рабочему переходу в спектроскопии пробного поля двухуровневых систем при наличии спонтанного распада уровней системы на третьи уровни. Здесь в дополнение к традиционному провалу в структуре нелинейного резонанса появляется упущенная ранее структура, меняющая знак от совпадающего с провалом, до инвертированного. Особенно выразительно это выглядит для случая движущихся атомов и встречных волн, изображенного на рис. 1, где нижний уровень принят долгоживущим. Здесь узкая структура вблизи центра резонанса отсутствует при условии равенства коэффициента Эйнштейна A_mn разности констант релаксации уровней (Г_m - Г_n). Если же A_mn больше этой разности, то структура представлена провалом, а если меньше, то инвертируется в пик.


Рис. 1.

Подобная зависимость структуры резонанса от степени открытости перехода, естественно, должна присутствовать и на переходах с вырождением уровней. Однако в этом случае появляется зависимость от поляризации лазерных волн и возможность порождения и переноса магнитной когерентности уровней. При этом круг явлений, приводящих к возникновению инвертированных резонансов, оказывается довольно широким, и не всегда причины их появления получали адекватное толкование, чаще интерпретация таких резонансов вызывала затруднения. В работе [2] рассмотрены случаи таких заблуждений (в частности, с 50-и летней историей) с обоснованием правильной интерпретации. Более детально рассмотрены работы последних лет, демонстрирующие зависимость от взаимной поляризации лазерных волн инверсии резонансов электромагнитно-индуцированной прозрачности (ЭИП) и резонансов электромагнитно-индуцированной абсорбции (ЭИА) в методе магнитного сканирования.

Наиболее ярко поляризационные особенности проявляются для замкнутых переходов, когда верхнее состояние распадается только на нижний уровень перехода. На рис. 2 представлена форма резонанса для ортогональных (кривая 1) и для параллельных (кривая 8) линейных поляризаций полей. В работе представлены зависимости амплитуд провала и пика от значений параметров насыщения сильного и пробного полей, параметра ветвления излучения с верхнего уровня, времен жизни уровней и расщепления уровней (например, магнитным полем). В присутствии расщепления уровней меньшем, чем 0.1Г_mn, резонансы меняют форму (кривые 2-4 и кривые 7-5). При большом расщеплении наблюдаются отдельно резонансы пропускания, симметрично смещенные относительно центра (так называемые родительские резонансы), и пики поглощения в центре линии (перекрестные резонансы).


Рис. 2.

При исследовании резонансов ЭИА выяснено, что основным физическим процессом, определяющим поведение амплитуд резонансов, регистрируемых на опыте, является непосредственно магнитная когерентность подуровней, основного состояния, наводимая полями когерентных волн, а вовсе не спонтанный перенос магнитной когерентности возбужденного состояния в основное, как это следует из опубликованных на момент проведения исследования работ.