Радиационные переходы, вынужденные собственным излучением плазмы

Нелинейные явления в спектроскопии обусловлены вынужденными радиационными переходами. Их масштабное исследование началось с появлением лазеров, обеспечивших необходимый уровень интенсивности световых полей, и сотрудники Лаборатории физики лазеров ИАиЭ СО РАН внесли достойный вклад в эту деятельность мирового научного сообщества.

Однако в возбужденных средах всегда присутствует собственное спонтанное излучение, которое также может индуцировать вынужденные переходы. Здесь мировой приоритет в обнаружении и исследовании вынужденных переходов, инициированных собственным излучением, принадлежит сотрудникам Лаборатории физики лазеров (см. литературу в работах [1-4]).

Последующие исследования тлеющего разряда в смеси изотопов неона привели к обнаружению вынужденных процессов, инициированных излучением одиночных атомов [5-9]. Результаты опытов указывали на когерентное излучение света парой осцилляторов, принадлежащих разным, пространственно разнесенным изотопическим атомам. Полученные результаты необычны как для спектроскопии газоразрядной плазмы, так и в целом для физики.

В [7] было выяснено, что аномальные резонансы порождаются переходами, имеющими невырожденный уровень, в широкой спектральной области (от УФ- до ИК-переходов) и отвечают пересечению частот зеемановских π- и σ-компонент этих переходов при значениях магнитных полей, соотвествующих их изотопическим сдвигам. Это позволило выдвинуть гипотезу о связи механизма образования оптикомагнитных резонансов пересечения частот (ОМРПЧ) с эффектами близкодействия, с реактивными, квазистатическими электрическими полями (КСП) ближней зоны излучения. Ранее эта зона атомов была недоступна наблюдению, и этим определяется интерес к исследованию данных аномальных резонансов. В работе [8], где исследовались ОМРПЧ, регистрируемые на изолированных спектральных линиях, было подтверждено, что положение ОМРПЧ не зависит от длины волны регистрируемой линии, а ОМРПЧ проявляются в виде изменения населенности родительских переходов.

В работе [9] были представлены 4 типа ОМРПЧ, различающихся по форме, и их происхождение объяснено в рамках единой концепции нестационарной интерференции реактивных полей ближних зон излучения атомов. В этой концепции различие типов резонансов связывается с разными способами синхронизации фаз полей. Резонансы в ней описываются тригонометрическими функциями sinс(x)_s = sin(x)/х и sinс(x)_q = [sin(x–π/2) + 1]/х, х=Ω/Г, где Г – параметр ширины резонанса, а Ω – расщепление частот полей в единицах параметра ширины (в опытах с магнитным полем это Эрстеды). Физически они описывают нестационарную интерференцию колебаний двух разных частот (биение амплитуд) при обрывном ограничении времени регистрации 1/Г (усреднении биений по времени) в зависимости от разности частот Ω, как функцию с протяженными крыльями затухающих сателлитов.

Функция sinс(x)_s отвечает разности фаз полей равной нулю, т. е. синфазной синхронизации, и резонансы этой формы (пик в центре) получили название синфазных ОМРПЧ. Таков один из зарегистрированных типов ОМРПЧ. Он, как и в эффекте Дике, объясняется межатомной корреляцией спонтанного распада пары близко расположенных атомов, но при наличии магнитного поля дополнительно присутствует прецессия атомных диполей, а при отстройке его от резонанса появляется разность частот переходов, затрудняющая корреляцию совместного распада.

Функция sinс(x)_q отвечает разности фаз полей равной π/2, присущей вынужденному излучению и квадратурной синхронизации, когда при интерференции складываются только квадраты амплитуд. Поэтому резонансы, отвечающие этой форме (дисперсиоподобный контур в центре) получили название квадратурных ОМРПЧ. Зарегистрированы три типа квадратурных ОМРПЧ. Один из них, порождаемый переходами с нижним вырожденным уровнем и выглядящий как разность двух квадратурных резонансов разных ширин, назван разностным. Другой, порождаемый переходами с инверсией населенности, получил название кооперативного квадратурного резонанса. Здесь вынужденное испускания примесного изотопа порождается не КСП одиночного атома, а суммарным протяженным по времени КСП кооперативного когерентного эффекта (сверхизлучения Дике), наблюдаемого в макроскопических объемах больших длины волны излучения.

На рисунке представлен график такого опыта, демонстрирующего форму производной резонанса, порождаемого переходом 3s₂-3p₁ c длиной волны 4,22 мкм. Он получен в разряде гелия, напущенного в откачанную кювету после работы со смесью изотопов неона с целью обезгаживания (очистки от изотопов). При отжиге продолжалась регистрация излучения, в течение которой из нестабильной структуры сигнала (тонкие линии) по мере десорбции неона из катода в разряд, сформировались протяженные крылья сателлитов квадратурного ОМРПЧ (более жирная линия, аппроксимирующая экспериментальные точки, отвечающие совпадению записей прямого и обратного проходов диапазона сканирования магнитного поля). При этом в остальных опытах сателлиты у синкусов отсутствовали. Это объясняется стабильностью продолжительности времени регистрации интерференции, определяемой в данном случае только временем накопления энергии фотона hω/2π вынужденно излучающим атомом примесного изотопа. В других случаях время совместного существования КСП атомов пары изменяется от пары к паре и сателлиты усредняются.

В работе [10] ОМРПЧ были применены для решения непростой задачи измерения изотопического сдвига основного состояния неона. ОМРПЧ, индуцируемые резонансными переходами, позволили решить эту задачу без использования узкополосных перестраиваемых лазерных источников в XUV диапазоне спектра, которые задействовались для этой цели ранее, и уточнить сдвиг.

Публикации

1. Раутиан С.Г. , Сапрыкин Э.Г. // Опт. и спект. - 2002. - Т. 92., № 3. - c. 385-395.
2. Сапрыкин Э.Г., Селезнев С.Н., Сорокин В.А. // Письма в ЖЭТФ. - 2002. - Т. 76., Вып. 3. - с. 322-327.
3. Сапрыкин Э.Г., Селезнев С.Н., Сорокин В.А. // ЖЭТФ. - 2002. - Т. 124, Вып. 6(12). - с. 1232-1240.
4. Раутиан С.Г., Сапрыкин Э.Г., Черненко А.А. // Опт. и спектр. - 2008. - Т. 104, № 4. - c. 630-639.
5. Сапрыкин Э.Г., Сорокин В.А. Аномальные оптикомагнитные резонансы в спонтанном испускании смеси четных изотопов неона // Tруды IV международной конференции «Проблемы фундаментальной оптики» (Санкт-Петербург, 2006 г.). - с. 173-175.
6. Сапрыкин Э.Г., Сорокин В.А., Шалагин А.М. Изотопические аномальные оптикомагнитные резонансы в смеси четных изотопов неона // ЖЭТФ. - 2013. - Т. 143, Вып. 4. - с. 622-633.
7. Сапрыкин Э.Г., Сорокин В.А. Идентификация аномальных оптико-магнитных резонансов в интегральном излучении смеси четных изотопов неона // Опт. и спектр. - 2014. - Т. 117, № 1. - c. 18-29.
8. Сапрыкин Э.Г., Сорокин В.А., Шалагин А.М. Наблюдение узких изотопических оптико-магнитных резонансов в излучении на отдельных спектральных линиях неона // Квантовая электроника. - 2015. - Т. 45, № 7. - с. 672-679.
9. Сапрыкин Э.Г. Оптикомагнитные резонансы, индуцированные интерференцией реактивных полей ближней зоны излучения атомов, в тлеющем разряде смеси четных изотопов неона // ЖЭТФ. - 2016. - Т. 149, Вып. 2. - с. 251-266.
10. Сапрыкин Э.Г. Изотопические сдвиги основного состояния неона: уточнение результатов измерений // Опт. и спектр. - 2016. - Т. 120, №2. - с. 222-232.