Нелинейная спектроскопия лазерно охлажденных атомов рубидия-87 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Терещенко, Евгений Олегович

• Терещенко, Евгений Олегович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Терещенко, Евгений Олегович

Введение

1 Магнитооптическая ловушка

1.1 Принцип лазерного охлаждения

1.2 Охлаждение и локализация атомов в магнитооптической ловушке.

1.3 Магнитооптическая ловушка для атомов рубидия

1.3.1 Лазерная система.

1.3.2 Вакуумная часть.

1.3.3 Характеристики магнитооптической ловушки

1.4 Основные результаты главы 1.

2 Исследование расщепления Раби

2.1 Теория расщепления Раби.

2.1.1 Теория для двухуровневого атома.

2.2 Схема эксперимента.

2.3 Результаты.

2.4 Основные результаты главы 2.

3 Взаимодействие атомов рубидия с фемтосекундным излучением

3.1 Взаимодействие излучения фемтосекундного лазера с облаком холодных атомов.

3.2 Экспериментальные результаты

3.3 Резонансное взаимодействие на переходе 5Р3/2 —> 5Б5//

3.4 Основные результаты главы 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нелинейная спектроскопия лазерно охлажденных атомов рубидия-87»

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию структуры уровней рубидия-87 в магнитооптической ловушке, а также исследованию резонансного взаимодействия лазерно охлажденных атомов с излучением импульсио-периодического фемтосекундного лазера.

Впервые идея охлаждения нейтральных частиц радиационным давлением была высказана в работе ХэшпаТ.В., Шаилова А.Л. [1]; одновременно с ними Д. Вайнлэнд и Х.Демельт в работе [2] предложили аналогичную идею для охлаждения заряженных ионов. Затем В.И. Валыкин, В.С.Летохов и В.И.Мишин в 1979 году впервые продемонстрировали лазерное охлаждение атомов [3]. После этого в 1985 году С. Чу с коллегами охладили атомы натрия до температуры ~ 240 мкК в поле трех взаимиоортогональных пар встречных лазерных пучков [4] и, спустя два года, в 1987 году, Е. Рааб с коллегами создали магнитооптическую ловушку для атомов натрия [5]. Обзор пионерских работ по лазерному охлаждению можно найти, например, в статьях В. Филлипса, К. Коэна-Таниуджи, С. Чу и B.C. Летохова [6-9].

В настоящее время магнитооптическая ловушка обеспечивает один из самых простых и надежных способов охлаждения и удержания атомов. Преимуществами при работе с магнитооптической ловушкой являются (1) низкие температуры и скорости атомов, что означает практически полное отсутствие доплеровского уширения, (2) возможность манипулировать атомами, (3) большие времена взаимодействия излучсния с холодными атомами, (4) высокая локализация атомов в пространстве, (5) а также возможность контроля абсолютного количества атомов и их концентрации. Магнитооптическая ловушка используется в задачах прецизионной спектроскопии [10-13], метрологии (стандарты частоты [14-17], определения фундаментальных констант [18]), в экспериментах с Бозс-Эйнштейновским конденсатом [19.20] и вырожденным Ферми-газом [21-23], в задачах квантовой информации [24,25], атомной интерферометрии [26. 27], в экспериментах с ридберговски-ми атомами [28.29], с одиночными атомами [30-34], для создания холодных молекул ¡35—38], высококоллимировапных монохроматических атомных пучков [39] и т.д.

Спектроскопические исследования атомов в МОЛ позволяют в ряде случаев значительно повысить точность измерений энергий уровней и сечений, получить информацию о виде потенциалов взаимодействий между ультрахолодными атомами, а также выполнить уникальные исследования в экзотических атомах, например, в атоме франция, не имеющего стабильных изотопов [40]. Спектроскопия атомов в работающей МОЛ обладает определенной спецификой, поскольку атомы находятся в сильном охлаждающем лазерном поле, влияющем па структуру атомных уровней. Это влияние играет роль при каскадном возбуждении ридберговских атомов [41-44].

В то же время все более широкие области применения находят фемтосекупдпые лазеры, в том числе и в спектроскопических исследованиях. Основными достоинствами использования импульспо-периодичеекого фемтосекундпого излучения для задач спектроскопии являются их широкий спектр излучения, фазовая когерентность и малая спектральная ширина мод излучения, а также большая пространственная яркость. Эти особенности оказываются уникальными при решении задач спектроскопии высокого разрешения в широком спектральном диапазоне. Так, например, в работах [45,46] авторы использовали излучение фемтосекундного лазера при спектроскопии молекулярных образцов методом Фурье-анализа, что увеличило чувствительность, повысило точность и на несколько порядков сократило время измерения. В свою очередь, в работе [47] излучение импульсно-периодического фемтосекундного лазера было разложено в спектр с использованием метода скрещенных дисперсий, причем удалось разрешить отдельные частотные моды лазера. Помещая молекулярные поглотители в пучок излучения лазера, авторы регистрировали спектры молекул в широком спектральном интервале, по которым молекулы можно однозначно идентифицировать за короткое время.

Одной из актуальных научных задач является исследование взаимодействия атомов в магнитооптической ловушке с излучением фемтосекундного лазера. В ряде крупных лазерных центров были выполнены работы по исследованию двухфотонных переходов в МОЛ [48,49], представляющие интерес для задач метрологии. В настоящей диссертационной работе выполнена спектроскопия одиофотонных переходов между уровнями 5Р и 5Б в магнитооптической ловушке для атомов рубидия-87.

Первая глава диссертации посвящена созданию магнитооптической ловушки. В ней описан общий принцип лазерного охлаждения и принцип работы магнитооптической ловушки. Также в этой главе описывается экспериментальная установка, созданная в рамках данной работы, и приводятся основные характеристики полученного облака холодных атомов.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию структуры уровней атома 87ЯЬ в магнитооптической ловушке. Экснериментально полученные результаты хорошо аппроксимируются теоретическими моделями.

Третья глава посвящена исследованию взаимодействия лазерно охлажденных атомов рубидия-87 с излучением фемтосекундного лазера. В ней выполнен анализ экспериментально полученных спектров. Рассмотрены различные каналы взаимодействия и сделан вывод, что основным каналом, приводящим к уменьшению населенности атомов на уровне 5Р3//2, является резонансное взаимодействие атомов с одной модой ФИ на переходах и последующая ионизация всеми модами ФИ с уровней 505/2з/2- Реализован новый метод определения населенности уровня 5Б5/2 по зависимости скорости потерь холодных атомов от мощности фемтосекундного излучения. Выполнено численное моделирование резонансного взаимодействия холодных атомов с ФИ, которое хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Л о

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Терещенко, Евгений Олегович

3.4 Основные результаты главы 3

В главе приведены результаты экспериментального исследования резонансного взаимодействия атомов рубидия-87 в магнитооптической ловушке с фсмтосскуидиым лазерным излучением с частотой повторения импульсов 76 МГц (длительность импульса < 200 фс) в спектральном диапазоне 760-820 им. Показано, что при взаимодействии ФИ с облаком холодных атомов одновременно играют роль как узко полосные спектральные свойства фемтосскундного излучения, приводящие к взаимодействию резонансного характера, так и высокая средняя интенсивность импульсного поля. Также были промоделированы процессы резонансного заселения подуровней сверхтонкой структуры уровня

5^5/2 отдельными модами фсмтосекуидной гребенки с последующей ионизацией всеми модами. Показано, что наблюдаемый спектр хорошо описывается в рамках указанной модели.

Методом измерения потерь числа холодных атомов за счет ионизации фемтосекундным лазерным излучением определена населенность уровня 505у2 = 4) , заселяемого излучением дополнительного непрерывного лазера. Такой способ определения иаселениостей может быть использован в тех случаях, когда прямое измерение по сигналу флюоресценции затруднено.

Результаты главы опубликованы в статьях [68,69] и обсуждались на конференциях [63,70].

Заключение

В работе были получены следующие основные результаты:

• Создана магнитооптическая ловушка для атомов рубидия-87. Число атомов составляет 10ь, температура 300 мкК, максимальная концентрация 1011 см-3

• Выполнено экспериментальное исследование расщепления Раби уровня 5Р3/2 атомов в магнитооптической ловушке. Экспериментальные данные согласуются с теоретическими расчетами.

• Выполнено экспериментальное исследование взаимодействия атомов в магнитооптической ловушке с излучением фемтоеекундно-го лазера. Проведены теоретические расчеты в рамках выбранной модели, которые хорошо описывают экспериментальные значения. Показано, что фсмтосекупднос излучение взаимодействует с атомами как отдельными модами, резонансными с переходами в атоме, так и ионизуя атомы всем спектром. Предложен метод определения населенности на уровне 5Б5/2 по зависимости скорости загрузки ловушки от мощности фемтосекундпого излучения.

Благодарности.

Автор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю Колачевскому H.H. за внимание, терпение и поддержку, а также профессору Сорокину В.Н,, Акимову A.B. и всему коллективу Лаборатории оптики активных сред.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Терещенко, Евгений Олегович, 2010 год

1. Hansch, Т. Cooling of gases by laser radiation / T. Hansch, A. Shawlow ¡1 Opt. Commun. - 1975. — Vol. 13. — P. 68.

2. Wineland, D. j D. Wineland, H. Dehmelt // Bulletin o f the American Physical Society. 1975. - Vol. 20. - P. 637.

3. Балыкии. В. И. Охлаждение атомов Na резонансным лазерным излучением /' В. И. Балыкии, В. С. Летохов, В. И. Мишин // Письма а ЖЭТФ. 1979. — Т. 29. - С. 614.

4. Three-dimensional viscous confinement and cooling of atoms by resonance radiation pressure / S. Chu, L. Hollberg, J. E. Bjorkholm et al. Ц Phys. Rev. Lett. 1985. - Jul. - Vol. 55, no. 1. - Pp. 48-51.

5. Trapping of Neutral Sodium Atoms with Radiation Pressure / E. L. Raab, M. Prentiss, A. Cable et al. // Phys. Rev. Lett. — 1987. — Dec. Vol. 59, no. 23. - Pp. 2631-2634.

6. Phillips, W. Laser cooling and trapping of neutral atoms / W. Phillips // Rev. Mod. Phys. 1998. - Vol. 70. - P. 721.

7. Cohen-Tannoudji, C. Manipulating Atoms with photons / C. Cohcn-Tannoudji I j Rev. Mod. Phys. 1998. - Vol. 70.-P. 707.

8. Chu, S. The manipulation of neutral particles / S. Chu // Rev. Mod. Phys. 1998. - Vol. 70. - P. 685.

9. Letokh ov, V. S. Laser cooling of atoms: a review j V. S. Letokhov. M. A. Ol'shanii, Y. B. Ovchinnikov ,// Quantum and Semiclassical

10. Optics: Journal of the European Optical Society Part D.~ 1995.— Vol. 7, no. 1,- P. 5.

11. Optical probing of cold trapped atoms / R. W. Fox, S. L. Gilbert, L. Hollberg et al. // Optics Letters. 1993. - Vol. 18. - P. 1456.

12. High-resolution spectroscopy with laser-cooled and trapped calcium atoms / T. Kisters, K. Zeiske, F. Riehle. J. Hclmcke // Appl. Phys. B. 1994. - Vol. 59. - P. 89.

13. Ramsey Resonance in a Zacharias Fountain / A. Clairon. C. Salomon, S. Guellati, W. D. Phillips /7 Europhysics Letters1991. — Vol. 16. — P. 165.

14. Fertig, C. Measurement and Cancellation of the Cold Collision Frequency Shift in an 8'Rb Fountain Clock / C. Fertig, K. Gibblc // Phys. Rev. Lett. 2000.-Aug. - Vol. 85. no. 8.- Pp. 1622-1625.

15. Weiss, D. S. Precision measurement of the photon recoil of an atom using atomic interferometry / D. S. Weiss, B. C. Young, S. Chu // Phys. Rev. Lett. 1993. - May. - Vol. 70, no. 18. - Pp. 2706-2709.

16. Observation of Bose-Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor / M. H. Anderson, J. R. Ensher, M. R. Matthews et al. // Science. 1995. - Vol. 269. - P. 198.

17. Bose-einstcin condensation on a microelcctronic chip / W. Hansel, P. Hommelhoff, T. W. Hansell, J. Reichel // Nature. 2001.- Vol. 413.- P. 498.

18. DeMarko, B. Onset of Fermi Degeneracy in a Trapped Atomic Gas / B. De Marko, D. Jin //' Science.-.1999. Vol. 285.- P. 1703.

19. Observation of a strongly interacting degenerate fermi gas of atoms / K. M. O'Hara. S. L. Hemmer, M. E. Gehm et al. // Science. 2002. Yd. 298,- P. 5601.

20. Quasipure Bose-Einstein Condensate Immersed in a Fermi Sea / F. Schreck, L. Khaykovich, K. L. Corwin et al. // Phys. Rev. Lett. — 2001. Aug. - Vol. 87, no. 8. - P. 080403.

21. Matsukevich, D. N. Quantum state transfer between matter and light / D. N. Matsukevich, A. Kuzmich // Science. — 2004.— Vol. 306.- P. 663.

22. Bloch, I. Quantum coherence and entanglement with ultracold atoms in optical lattices / I. Bloch // Nature. 2008. - Vol. 453. - P. 1016.

23. Atom interferometer measurement of the newtonian constant of gravity / J. B. Fixier, G. T. Foster, J. M. McGuirk, M. A. Kasevich // Science. 2007. - Vol. 315. - P. 74.

24. Light-pulse atom interferometry in microgravity / G. Stern, B. Battelier, R. Geiger et al. // Eur. Phys. D. — 2009.- Vol. 53.-P. 353.

25. Исследование холодных ридберговских атомов рубидия в магнитооптической ловушке / D. В. Trctyakov, I. I. Beterov, V. M. Entin и др. // ЖЭТФ. — 2009. — Т. 135.- С. 428.

26. Observation of rydberg blockade between two atoms / E. Urban; T. A. Johnson, T. Henage et al. // Nature Physics. 2009. - Vol. 5. -P. 110.

27. Ни, Z. Observation of a single atom in a magneto-optical trap /' Z. Hu, H. J. Kimble // Optics Letters. 1994. — Vol. 19.- P. 1888.

28. Statistical investigations on single trapped neutral atoms / F. Ruschewitz, D. Bettermann, J. L. Peng, W. Ertmer /7 Eurnphysi.es Letters. 1996. - Vol. 34. - P. 651.

29. Observation of individual neutral atoms in magnetic and magneto-optical traps / D. Haubrich, H. Schadwinkel, F. Strauch et, al. // Europhysics Letters.— 1996. — Vol. 34,- P. 663.

30. Ultrasensitive isotope trace analyses with a magneto-optical trap /

31. C. Y. Chen, Y. M. Li, K. Bailey et al. // Science. 1999.- Vol. 286.- P. 1139.

32. Deterministic Delivery of a Single Atom / S. Kuhr, W. Alt.

33. D. Schrader et al. // Science. 2001. — Vol. 293, — P. 5528.

34. Formation of cold C$2 molecules through photoassociation / A. Fioretti, D. Comparât, A. Crubellier et al. // Phys. Rev. Lett. —1998. May. - Vol. 80, no. 20. - Pp. 4402-4405.

35. Takekoshi. T. Observation of optically trapped cold cesium molecules / T. Takekoshi, В. M. Patterson, R. J. Knize // Phys. Rev. Lett. 1998. - Dec. - Vol. 81, no. 23. - Pp. 5105-5108.

36. Observation of ultracold ground-state potassium molecules / A. N. Nikolov, E. E. Eyler, X. T. Wang et al. // Phys. Reu. Lett.1999. Jan. - Vol. 82, no. 4. - Pp. 703-706.

37. Efficient production of ground-state potassium molecules at sub-mk temperatures by two-step photoassociation î A. N. Nikolov, J. R. Ensher, E. E. Eyler et al. // Phys. Rev. Lett 2000.-Jan.-Vol. 84, no. 2. - Pp. 246-249.

38. A pumped atom lasei / N. P. Robins, C. Figl, M. Jeppesen et al. // Nature Physics. 2008. - Vol. 4. - P. 731.

39. Magneto-Optic Trapping of 210Fr /' J. E. Simsarian, A. Ghosh. G. Gwinncr et al. // Phys. Rev. Lett.- 1996.-May.- Vol. 76, no. 19,- Pp. 3522-3525.

40. Autler-Townes spectroscopy of the SS^-^ 5P3//2—> 44D cascade of cold 85-Rb atoms / B. Tco, D. Fcldbaum, T. Cubel et al. // Phys. Rev. A. 2003. - Vol. 68. - P. 053407.

41. High resolution Rydberg spectroscopy of ultracold rubidium atoms / A. Grabowski. R. Heidemann, R. Low et al. // Fortschritte der Physik. Vol. 54. - P. 765.

42. Antiblockade in Rydberg Excitation of an Ultracold Lattice Gas / C. Atcs, T. Pohl, T. Pattard, J. Rost // Phys. Rev.Lett. 2007,-Vol. 98.-P. 023002.

43. Coherent excitation of Rydberg atoms in an ultracold gas / J. Deiglmayr, T. Reetz-Lamour, M. Amthor, S. Westerman et al. // Optics Communications. — 2006. — Vol. 264. — P. 293.

44. M and on, J. Fourier transform spectroscopy with a laser frequency comb. / J. Mandon, G. Guelachvili, N. Picquè // Nature Photonics. — 2008. Vol. 293. - P. 99.

45. Cavity-enhanced dual-comb spectroscopy. / B. Bernhardt, A. Ozawa, P. Jacquet et al. /7 Nature Photonics.— 2009.- Vol. 217, — P. 55.

46. Diddams, S. Molecular fingerprinting wiith the resolved modes of a femtosecond laser frequency comb. / S. Diddams, L. Hoolberg. V. Mbele // Nature Photonics. 2007. - Vol. 445. - P. 627.

47. Two-photon spectroscopy of laser-cooled Rb using a mode-locked laser / M. Snadden, A. Bell, E. Riis, A. Ferguson // Opt. Comman. — 1996. — Vol. 125.- P. 70.

48. Direct Frequency Comb Measurements of Absolute Optical Frequencies and Population Transfer Dynamics / A. Marian, M. C. St owe, D. Felinto, J. Ye // Phys. Rev. Lett 2005. - Jul. -Vol. 95, no. 2,- P. 023001.

49. Риле, Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения / Ф. Риле. — М: Физматлит, 2009.

50. Миногин, В. Г. Давление лазерного излучения па атомы / В. Г. Миногин, В. С. Летохов,— Москва: Физматлит, 1986.

51. Bargeman, Т. Magnetostatic trapping fields for neutral atoms / T. Bergeman, G. Erez, H. J. Metcalf // Phys. Rev. A.— 1987. — Feb. Vol. 35, no. 4. - Pp. 1535-1546.

52. Grimm., R. Optical dipole traps for neutral atoms / R. Grimm. M. Wcidemuller, Y. Ovchinnikov /,/ Adv. At. Mol. Opt. Phys. — 2000,- Vol. 42.- P. 95.

53. Model-independent measurement of the excited fraction in a magneto-optical trap / M. H. Shah, H. A. Camp, M. L. Trachy et al. // Phys. Rev. A. 2007. - May. - Vol. 75, no, 5. - P. 053418.

54. Whitley, R. М. Double optical resonance / R. М. Whitley, С. R. Stroud //' Phys. Reu. A. — 1976.-Oct.- Vol. 14, no. 4,-Pp. 1498-1513.

55. Шалагин. A. M. Основы нелинейной спектроскопии высокого разрешения / А. М. Шалагин.— Новосибирский государственный университет, 2008.

56. Ландау. Л. Д. Квантовая механика. Нерелятивистская теория / JI. Д. Ландау. Е. М. Лифшиц. — Москва: Физматлит.

57. United Time-Frequency Spectroscopy for Dynamics and Global Structure / A. Marian, M. Stowe, J. La,wall et al. // Science. — 2004. — Vol. 306. P. 2063.

58. Исследование расщепления Раби переходов 5Р3/2~-^ЗОздз/г атома 87Rb при каскадном возбуждении в магнито-оптической ловушке / А. В. Акимов, Е. О. Терещенко, С. А. Снигирев и др. // Квантовая Электроника. 2010. - Т. 40. - С. 139.

59. Нелинейная спектроскопия рубидия в магнитооптической ловушке /' А. В. Акимов, Е. О. Терещенко, С. А. Снигирев и др. // Сборник тезисов XIX конференции по фундаментальной атомной спектроскопии. — Архангельск: 2009. -22-29 июня. — С. 36.

60. Магнитооптическая ловушка как инструмент для спектроскопических исследований / Е. О. Терещенко, С. А. Снигирев, А. В. Акимов и др. // сборник тезисов XXIV съезда по спектроскопии. — Т. 2. Москва. - Троицк: 2010. - 28 февраля - 5 марта. - С. 479.

61. Two-photon two-color diode laser spectroscopy of the Rb 5D5/2 state / Т. T. Grove, V. Sanchez-Villicana. В. C. Duncan et al. // Physica Scripta1995.- Vol. 52.- P. 271.

62. Measurement of the Rb(5D5y<2) photoionization cross section using trapped atoms / В. C. Duncan, V. Sanchez-Villicana. P. L. Gould, H. R. Sadcghpour (f Phys. Rev. A. 2001. - Mar. - Vol. 63, no. 4. -P. 043411.

63. NIST Atomic Spcctra Database.

64. Smith, P. Atomic spectral line database http://www.pmp.uni-hannover.de/cgi-bin/ssi/test/kurucz/sekur.html.

65. Резонансное взаимодействие фемтосекупдпого излучения с облаком холодпыхатомов 87Rb / А. В. Акимов, Е. О. Терещенко, С. А. Снигирев и др. // ЖЭТФ.- 2009. Т. 136. - С. 419.

66. Нелинейная спектроскопия рубидия в магнитооптической ловушке / А. В. Акимов, Е. О. Терещенко, С. А. Снигирев и др. // Вестник поморского университета. — 2010. — Т. 2. — С. 59-67.

67. Resonance interaction between cold Rb atoms and a frequency comb /' E. Tereschenko, M. Egorov, A. Sokolov et al. // 40-th conference European Group for Atomic Systems (EGAS), Book of Abstracts.— Graz: 2008. -2 -5 July. P. 63.

68. Лето'хов, В. С. Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения / В. С. Летохов. В. П. Чеботаов. — М.:Наука, 1990.

69. Р, М. В. Кинетическое уравнение для атомов, взаимодействующих с лазерным излучением. / М. В. Г. // ЖЭТФ,— 1980. — Vol. 79,- Р. 2044.

70. Cundíff, S. Т. Colloq uium: Femtosecond optical frequency combs / S. T. Cundiff, J. Ye // Rev. Mod. Phys. 2003. - Mar. - Vol. 75. no. 1.- Pp. 325-342.

71. Ye, J. Femtosecond optical frequency comb technology / J. Ye. S. Cundiff. New York: Springer, 2005.

72. Optical Frequency Synthesizer for Precision Spectroscopy / R. Holzwarth, T. Udem, T. W. Hánsch et al. /'/" Phys. Rev. Lett. — 2000. Sep. - Vol. 85, no. 11. - Pp. 2264-2267.

73. Pinsky, M. Introduction to Fourier Analysis and Wavelets / M. Pinsky. Brooks/Cole. 2002.

74. Бакланов, E. D. Двухфотониое поглощение сверхкоротких импульсов в газе / Е. В. Бакланов, В. П. Чеботаев // Квантовал Электроника. 1977. — Т. 4. — С. 2189.

75. Phasc-coherent multilevel two-photon transitions in cold Rb atoms: Ultrahigh-resolution spectroscopy via frequency-stabilized femtosecond laser / Т. H. Yoon, A. Marian, J. L. Hall, J. Ye // Phys. Rev. A. 2000. - Dec. - Vol. 63, no. 1. - P. 011402.