principy_nelinejnoj_optiki_1989 (769482), страница 73
Текст из файла (страница 73)
Поскольку возможна стабильная левитация частиц, можно мысленно представить себе несколько интересных экспериментов. Вопервых, можно осуществить спектроскопию отдельной подвешенной частицы. Например, по флуоресценции или по изменению спектра левитации [8) (по зависимости лазерной мощности, требуемой для левитации, от частоты) можно зарегистрировать резонансы поверхностных волн сферической частицы [7[, которые возникают, когда поверхностные волны бегут вокруг сферы и замыкаются сами с собой. Эти поверхностные резонансы могут быть очень острыми (меньше 0,25 А), причем их резонансные частоты критично зависят от размера сферы.
Их можно использовать для измерения размеров с точностью, на два-три порядка превышающей точность других методов. Точность относительного измерения размера может достигать одной части иа 10' и, следовательно, может быть использована для изучения мельчайших изменений сферы, вызванных, например, испарением, конденсацией или внешним воздействием. Метод левитации можно также использовать для точной сортировки сферических частиц различных размеров. Оптические свойства не- сферических частиц также представляют интерес, и их удобнее всего исследовать методом левитации. Левитация частиц может быть использована также для изучения взаимодействия между двумя макроскопическими частицами или взаимодействия частицы с поверхностью [9].
Это можно сделать, подвешивая частицы в определенном положении и наблюдая изменение силы взаимодействия. Другой интересной проблемой является изучение плавления и кристаллизации. К важным практическим применениям оптической левитации следует отнести возможность ее использования для поддержки малых мишеней в экспериментах по лазерному термоядерному синтезу или для составления карты газового потока вокруг частицы в различных камерах. Силы давления излучения могут быть также использованы для управления, ускорения и манипулирования макроскопической частицей. Это позволяет исследовать динамические свойства частиц в среде, столкновения между частицами, слияние частиц и т.
д. [91. В жидкости, содержащей суспенэию из диэлектрических сфер, имеющих больший показатель преломления, силы давления со стороны лазерного пучка могут вызвать увеличение плотности частиц в области с большей интенсивностью излучения. Следовательно, показатель преломления среды возрастает в области с большей интенсивностью. Этот эффект будет нелинейно-оптическим, так как показатель преломления теперь зависит от интенсивности лазера. В такой среде экспериментально наблюдались процессы вырожденного четырехволнового смешения и самофокусировки [ь0).
23~ 355 20.3 Управление атомными пучками с помощью лазера Силу давления излучения можно использовать для управления атомами. Поскольку эта сила имеет резонансный характер, она оказывает селективное воэдействие на атомы разного сорта. Импульс отдачи, согласно (20Л7) или (20ЛЗ), может достигать больших эначений. В режиме насыщения, который для а- р-перехода в атомах щелочных металлов достигается уже при интенсивности около 10 мВтlсма, атом приобретает ускорение а-а)г/(2МТ,), где М вЂ” масса атома. Так, атом натрия, для которого Тг = 16 нс, под действием лааерного пучка, реэонансно насыщающего переход Зг - Зр, приобретает ускорение, приблиэительно равное 10а см/ст.
Это эначит, что атом с начальной скоростью и, — 10' см/с может быть остановлен направленным ему навстречу лаэерным лучом за 1 мс на расстоянии 50 см или может быть отклонен на 5 мрад под действием луча, направленного перпендикулярно, при длине вэаимодействия 1 см. Дипольная сила, согласно (20Л5) или (20Л6), также может быть вначительной. В режиме насыщения гауссовский пучок с распределением интенсивности /= /,ехр( — 2га/пг*) при го=100 мкм и ю — юм — 2 ГГц совдает поперечную силу </а, >-5.10 ' дин, действующую на атом, имеющий координату г = га' (эквивалентное ускорение атома натрия а - 6 10' см/с'). радиальная поперечная дипольная сила совдает отрицательную эффективную потенциальную яму вокруг пучка с минимумом на его оси. В приведенном выше примере атомы с поперечной составляющей скорости, меньшей 10' см/с, должны эахватываться лазерным пучком мощностью 1 Вт.
Опишем теперь некоторые эксперименты по управлению атомными пучками с помощью лазера. Наблюдение отклонения атомного пучка при резонансном воэбуждении лазерным лучом, направленным под углом 90', прямо свидетельствует о существованни ээрнала о а отуаротиев ат Рис. а1.8. Устройство длв наблюдении фокусировки атомного пучка за счет динольного вааимодейстаив с реаонансвым лазерным пучком (Агама А.
// Яс1епсе.— 1980. Ч. 210. Р. 1081) импульса отдачи (11). Наблюдаемое отклонение в поперечном направлении хорошо коллимированного атомного пучка согласуется с теоретически предскаэанной величиной. Поскольку это отклонение прямо пропорционально резонансному поглощению в отсутствие насыщения (см. (20.17)), было предложено испольэовать его как метод атомной спектроскопии высокого разрешения (12). Укаэанное отклонение пучка можно испольэовать для раэделения иэо- 386 тонов, основанного на конечной величине изотопического сдвига резонансных частот различных изотопов ]43].
Другим примером проявления импульса отдачи является эксперимент, в котором резонансный пучок лазера использовался для замедления атомов встречно распространяющегося атомного пучка. Когда атомы замедляются, частота их перехода может ва счет эффекта Доплера выйти из резонанса с частотой лааера. Чтобы сильно замедлить атомы, нужно либо непрерывно настраивать частоту лазера в резонанс с замедленными атомами 1х4], либо сдвинутая за счет эффекта Доплера частота атомного перехода должна непрерывно перестраиваться внешним полем, чтобы она все время была в ревонансв с фиксированной частотой лазера [15].
При надлежащем выборе меняющегося вдоль оси магнитного поля, вызывающего перестройку частоты перехода Завяз(Р = 2, М» 2)- ЗР„з (г" 3, М» = 3) натрия за счет эффекта Зеемана, действительно наблюдалось аамедление атомов натрия до скорости, составляющей 4 % от начальной тепловой скорости, под действием пучка лазера непрерывного действия мощностью 50 мВт и шириной линии 10 МГц. При этом температура, харак- териэующая относитель- Пз»зке»ое»»»»ги»ра нов движение атомов, бы- рис. 20,4, о — Фокусировка атомного пучка ла снижена до 7О мК.
светом, частота которого лежит виже резо- Существованне диполь- каиса. о — ДеФокусироика атомного пучка ной си ы б продемон- светом, частота котооого ~зжит ~~~~ Рсзо каиса. Детектор бнл сдвинут вдоль линии, стрировано в эксперимен- проходящей через его центр (Авьык л. и те, в котором гауссовский Бс1епсе.— 1980. У. 210. Р. 1081] пучок использовался для поперечного ограничения и фокусировки атомного пучка (16].
Схема эксперимента покааана на рис. 20.3. Когда лазер на красителе настраивался на частоту, меньшую резонансной, направленная к центру пучка поперечная дипольная сила уменьшала поперечную компоненту скорости, направленную от оси пучка, и приводила к 857 фокусировке атомного пучка. Это явление показано на рис. 20.4а для случая атомов натрия. Если лавер настроен на частоту, лежащую выше частоты резонанса, то поперечная дипольная сила направлена вдоль радиуса пучка от центра и атомный пучок дефокусируется, как показано на рис. 20.4б. Способность дипольной силы ограничивать и фокусировать атомный пучок делает возможным оптическое управление атомными пучками, так как для этого достаточно просто перемещать управляющий лазерный пучок с достаточно медленной скоростью. Это явление можно также испольэовать для разделения изотопов или для очистки «загряэненных» атомных пучков, что позволяет сформировать в пространстве пучок, состоящий только иэ атомов нужного сорта.
Наблюдалось также отклонение атомного пучка под действием нестационарной днпольной силы [т7]. Это явление рассматривалось -как метод разделения иэотопов. Нестационарное поведение давления излучения на атом само по себе представляет теоретический интерес ~48]. Оптическое охлаждение и эахват атомов и ионов Лазерное замедление атомов является способом оптического охлаждения атомов в атомном пучке. Поглощение фотона с частотой ю = ам — йв летящим навстречу атомом изменяет скорость последнего от о до и — йи, где Ли = Ьй/М. Здесь принят во внимание только доплеровский сдвиг первого порядка.
Затем при обратном переходе иэлучается фотон с частотой в' ем + й' (т — Ьт), где й' — волновой вектор. Частота напученного фотона всегда больше частоты поглощенного фотона, следовательно, атом охлаждается, отдавая свою кинетическую энергию полю иэлучення. Этот процесс поглощения-переиэлучення предлагалось испольэовать также для охлаждения атомов в кювете ~19]. Когда лавер настроен на ниэкочастотное крыло доплеровски ушнренной линии поглощения, атомы, которые поглощают лаверные фотоны, имеют проекцию скорости, антнпараллельную пучку лазера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
