principy_nelinejnoj_optiki_1989 (769482), страница 67
Текст из файла (страница 67)
При этом должны наблюдаться эффекты пересечения и отталкивания уровней. Полученные результаты могут быть использованы как чувствительный критерий правильности атомной теории, в том числе теории индуцированного полем перемешивания состояний. Когда возмущение со стороны поля становится сравнимым с кулоновской энергией связи возбужденного электрона, теория возмущений теряет силу, и нужно использовать строгую теорию.
С этой точки зрения экспериментальные измерения особенно важны для теоретического исследования нового режима. Рассмотрим для примера диамагнитный эффект на ридберговских состояниях атома натрия. Отношение энергии диамагнетизма к энергии связи ридберговского состояния меняется как и'В', где  — индукция магнитного поля. Чтобы энергия диамагнетнзма стала близкой к энергии одного из основных состояний атома, требуется магнитное поле при-' мерно 10' Гс.
Ясно, что такое поле нельзя получить в лаборатории. Подобный режим сильного поля может существовать только в нейтронных звездах и для водородоподобных систем в твердых телах. Однако для ридберговских атомов проблема предельно проста. Из-за зависимости вида я' ридберговскому атому с я - 30 требуется магнитное поле напряженностью несколько десятков килогаусс, чтобы перейти в режим сильного поля. В то время как отличная от теории возмущений теория этих явлений еще только разрабатывается, экспериментальные измерения выполняются непосредственно. 326 Пример экспериментальной установки показан на рис. 18.4. Чтобы избежать доплеровского уширения и эффектов, связанных со столкновениями, в эксперименте использовался атомный пучок, который пересекался лазерным лучом под углом 90' в области существования магнитного поля. Для ступенчатого возбуждения атомов в ридберговское состояние использовались два импульсных перестраиваемых лазера на красптелр с длительностью импульса 5 нс.
В процессе возбуждения постоянное электрическое поле отсутствовало, но спустя 1 мкс включалось постоянное электрическое Детектор зарнтзнныз частиц Лаззрный пучин дднзадки дзя создания знснтричзанззз паня Рис. 18.4. Схема спектрометра для изучевия ридберговских атомов. Показанная часть спектрометра каходится з центре сверхпроэодяптего солеиоида. Электроды имеют потекциал — 10 кВ относительно прием- вика. Между обкладками создается импульсное электрическое поле тэт Ойзасть ~ ааае~ дзаинздзистдия ь ~'8 4тотинй одеон поле с напряженностью несколько киловольт на сантиметр, которое вызывало иониэацию ридберговскнх атомов.
Возникающие при иониэации электроны ускорялись до энергии 10 кэВ и регистрировались детектором. Система регистрации должна обладать при этом 100с/е-ной эффективностью, быть нечувствительной к магнитному полю и линейной в большом динамическом диапазоне. Для изучения диамагнитного эффекта были выбраны переходы с Лпт, = ° 0 иэ состояния 8Рмз в ридберговские состояния вблизи п 28, имеющие ж,=1, чтобы не давал вклада гамнльтониан магнптного взаимодействия, линейный по полю. Типичный вид спектров показан на рис.
18.5, где ясно виден диамагиитный сдвиг различных линий, а также пересечение и отталкивание уровней. В данном случае непосредственная диагоналиэация гамильтониана может хорошо объяснить наблюдаемые спектры, однако такая процедура уже будет у предела своей применимости. При ббльших я или ббльших полях нужен новый теоретический подход. Большой радиус орбит высоколежащих ридберговских состояний во много раэ увеличивает вероятности переходов между соседними ридберговскими состояниями.
При в~30 эти переходы оказываются в радиочастотном или микроволновом диапазоне. Однофотонные переходы пз- п'р, пН- и'р и т. д. насыщаются при интенсивности ь10 ' Вт/см', а двухфотонные переходы типа пз- и'з, па- и'а и т. д.— при интенсивности меньшей или примерно равной 10 * Вт/см'. Поскольку измерения в радио- и микроволновом диапазонах обладают ббльшей точностью, чем оптические измерения, иаучение переходов между ридберговскими состояниями по- 327 аволяет более точно определить величины тонкого расщепления, квантовые дефекты, поляриауемости и другие параметры 1101 х Схема эксперимента при подобных измерениях имеет вид ожии на рис. 18.4, аа исключением того, что на оптически возбужденные атомы действует дополнительное поле, имеющее частоту радио- илп микроволнового диапазона.
Спектральное разрешение Е>ся- мо 01 2 3 1 5 вгл о Рис. 18.5. Ди .5. Д амагвитная структура уровней атома Ха. Показаны экспериментальные кривые, соответствующие возбуждению четных уровней иц = 1, ла ь юз 1/2 в окрестности а = 28. Частота перостраиваемого лазера сканиро с в диапазоне, покааанном на рисунке. За точку отсчета энергии пр н т — ровас и я мо п уров вь иоиизации. Горизонтальныо пики отвечают сигналу, регистр е~ му ри ионвзации возбужденных атомов. Шкала по оси абсцисс является иру квадратичной по амплитуде магнитного поля В.
Топкими линиями показано рассчитанное теоретически положение уровней. Отмечаются некоторые несоответствия, вызванные неливейностью перестройки частоты лазера 191 при измерении переходов в микроволновом диапавоне может быть выше $ МГц, если устранить остаточное постоянное электрическое поле в области взаимодействия. Детектирование переходов основано на том, что порог ионизации постоянным полем иэ ридберговского состояния обратно пропорционален и'. Если приложить пилообразное напряжение (увеличивающееся линейно во времени)' к пластинам электродов, то сигнал должен появиться в виде импульсов, показанных на рис. 48.6.
Каждый импульс, получающийся при определенном значении напряжения, соответствует сигналу, получающемуся при ионизации атомов иа определенного ридберговского состояния, причем амплитуда импульса соответствует населенности втого состояния. Такая схема ионна ации постоянным В влектрическим полем действует как ридберговский спектрометр. отсутствие дополнительного микроволнового возбуждения атомов, 828 возбужденных в ридберговское состояние лазером, наблюдается. только один импульс. При резонансном микроволновом возбуждении должны появиться два импульса, причем их относительная величина показывает относительные населенности двух ридберговских состояний, участвующих в переходе.
При меньших значениях и переходы между ридберговскими состояниями лежат в ИК диапазоне. Их также можно зарегистрировать с большой чувствительностью, используя только что описанный метод.' у Как одно из возможных применений можно использовать ридберговские р„, атомы в качестве приемника излуче- ния в далеком ИК диапазоне (И]. Ча- тс стоту перехода можно при этом не- прерывно перестраивать с помощью из- менения штарковского поля. Было об- наружено, что такой приемник может иметь эквивалентную шумовую мощ- ность на уровне 5 10 " Вт/Гц и на длине волны 496 мкм, что находится 'н на уровне лучших существующих при- й 1 с„ емников далекого ИК диапазона.
Та- м кой приемник имеет полосу порядка 1 МГц, большую угловую апертуру и Ряс. 18.6. иоявый ток, регзстширокий диапазон перестройки, про- ряруемый рядберговскям спектрометром прп линейном стиРаюЩийсЯ, веРоЯтно, ДО сРеДнего язмеяевяв потенциала обкла- ИК диапазона. док. Амплитуды двух ямпульАтомы в высоколежащих ридбер- сое пря вепряжеяяях У„я говских состояниях могут излучать, Уео наблюдающихся после переходя при этом на более низкие возбуждеяяя леаеряым вмуровни.
Вероятность перехода будет больше для большего и и мепьшей се е Я„-с<с~~ Р <л ~~ частоты перехода. При наличии инверсной населенности, превышающей пороговую, возможны усиленная спонтанная эмиссия (или сверхизлучение) и мазерная (или лазерная) генерация ($2). Пороговое условие имеет впд ~реп~ ) ус/()сеялку„„г)~ где М„„. — разность населенностей между состояниями и и и', (,. и у„„, — полная скорость переходов из состояния <и! и парциальная скорость переходов из состояния <и! в состояние <и'! соответственно, а р„„, — формфактор.
В случае, когда ридберговские атомы занимают в свободном прострапстве область, имеющую впд цилиндра, р„„, = Зисе/(2ю' ~аз), где а — диаметр цилиндра. Если цилиндр расположен внутри резо- натора, то р„„, нужно ваменить на р„„,У, где р„„,теперь является 329 фактором заполнения резонатора, а У вЂ” его добротность. Для перехода 25в — 24р в натрии, например, мы имеем 7„10а с — т, 7„„, 10' с ', т ~=2яс/ю „. 1 мм. Тогда при а 1 мм, р„„, 10 а и У - 200 пороговая разность населенностей будет равна лГ„„. 10а для случая усиленной спонтанной эмиссии и Ф; 500 для генерациц мазера. Этот пример показывает, что с ридберговскими атомами ыазерную генерацию можно наблюдать при очень небольшом числе атомов в резонаторе; при больших и это число близко к единице.
Мазерная генерация в такой малой системе является предметом огромного теоретического интереса 112). Усиленная спонтанная эмиссия и мазерная генерация наблюдались в оптически воабужденном пучке ридберговских атомов. Схема эксперимента снова похожа на приведенную на рис. 18.4. В мазерном эксперименте вокруг области взаимодействия лазера с атомным пучком помещается микроволновый резонатор. Излучение в микроволновом диапазоне в форме имгвбя пульса длительностью около 1 мкс имеивм ет пиковую мощность в пределах от 10 " до 10 " Вт.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
