Современные проблемы оптики атомарных паров

В начале прошлого столетия оптика атомарных паров сыграла решающую роль в появлении квантовой механики и становлении ее как законченной количественной теории. В настоящее время оптические переходы в изолированных атомах используются не только в лабораторных исследованиях, но и в серийно выпускаемых изделиях. Среди всех атомарных сред пары щелочных металлов отличаются легкостью достижения рабочих концентраций и большой силой резонансных переходов в оптической области спектра. Эти свойства обеспечили им разнообразные технические применения от магнитометрии до стандартов частоты. В последние годы наметились новые подходы к использованию уникальных оптических свойств атомарных паров.
В настоящем тематическом разделе собраны работы, посвященные исключительно оптическим свойствам паров щелочных металлов [1–4]. В первых двух работах обсуждаются новые возможности, связанные с появлением сверхтонких спектроскопических кювет. Еще в середине прошлого века Дике [5, 6] предложил два способа подавления доплеровского уширения, основанных на ограничении свободного движения атомов в газовой фазе. В интенсивно цитируемой работе [5] был предложен известный теперь под названием “эффекта сужения Дике” способ превратить свободные пролеты атомов в медленную диффузию с помощью добавления к активным атомам большого количества буферного газа. Этот способ прекрасно работает в микроволновом диапазоне, в котором столкновения активных атомов c атомами буферного газа, позволяющие изменить направление движения атомов, не вызывают заметное ускорение фазовой релаксации. В оптическом диапазоне эффект сужения Дике обычно не приводит к реальному уменьшению ширины спектральной линии, так как изменение фазы атомного осциллятора за время столкновения оказывается порядка единицы или еще больше, так что при добавлении буферного газа сужение доплеровского профиля маскируется столкновительным уширением. Поэтому, несмотря на то, что учет эффекта сужения Дике совершенно обязателен при точных спектроскопических расчетах, в оптичесм диапазоне в чистом виде он наблюдается крайне редко.
До последнего времени значительно меньше внимания уделялось второму способу подавления доплеровского уширения [6], основанному на заключении атомарных паров в ячейку с продольным размером порядка длины волны. В работе [6] были приведены расчеты результаты экспериментов с парами аммиака в микроволновой области спектра. Кювета для газа имела форму прямого кругового цилиндра диаметром 5,75 см и высотой 0,62 см, что составляло половину длины волны резонансного перехода на частоте 24 ГГц. Короткий импульс на резонансной частоте переводил молекулы в возбужденное состояние. В соответствии с предсказаниями теории ширина спектра излучения ансамбля возбужденных молекул оказалась меньше расчетного значения доплеровской ширины.
Годом раньше было открыто явление сужения доплеровского контура в оптической области. В спектре отражения резонансного излучения от границы паров ртути была обнаружена структура, свободная от доплеровского уширения [7]. Предложенная в этой работе интерпретация стала основой всех расчетов, связанных с оптикой разреженных атомарных паров,ограниченных твердыми поверхностями [8]. Главным отличием предложенного подхода от традиционного стал учет переходных процессов установления поляризации атома, испытавшего столкновение с поверхностью твердого тела и возвращающегося в газовую фазу. Если столкновительное уширение меньше доплеровского, то пространственная дисперсия, обусловленная движением атомов, оказывается сильной и учет ее становится необходимым. Развитие этого подхода в работе [9] привело к открытию периодической зависимости форм спектральных линий отражения и пропускания от толщины слоя газа. В отличие от интерференционных резонансов Фабри–Перо, период повторения формы линии отражения составляет не половину длины волны, а целую длину волны, так как в интерференции участвуют волны поляризации, рождающиеся на задней стенке кюветы и совершающие не двойной, а единичный проход по длине кюветы [10].
Экспериментальные работы в оптической области спектра начались после изобретения сверхтонкой кюветы [11]. С тех пор в сверхтонких кюветах выполнено большое число интереснейших работ. Нелинейные эффекты, связанные с переходными процессами установления поляризации после столкновения с ограничивающей газ поверхностью, также имеют свои особенности [12, 13].
Работа А.Д. Саргсяна и др. [1] посвящена применению сверхтонкой кюветы для исследования эффекта Зеемана. Бездоплеровская спектроскопия в сверхтонкой ячейке позволяет проследить за расщеплением атомных уровней в поле постоянных магнитов. Неоднородность поля, создаваемого постоянными магнитами, в данном случае не приводит к неоднородному уширению спектров, так как толщина кюветы намного меньше характерного масштаба неоднородности. С другой стороны исключение доплеровского уширения приводит к хорошо разрешенным резонансам даже в относительно слабых магнитных полях.
В работе Г. Тодорова и др. [2] построена теория линейных и нелинейных оптических процессов в сверхтонких ячейках с учетом реальной структуры уровней атомов щелочных металлов. В отличие от прежних теоретических работ учтены не только все уровни сверхтонкой структуры, но и их вырождение по магнитному квантовому числу. Использование техники неприводимых тензорных операторов позволило упростить описание релаксационных процессов в многоуровневой системе и добиться согласия с экспериментом.
Разумеется, интерес к атомным парам не ограничивается исследованиями, связанными со сверхтонкими кюветами. Большое значение имеют и другие линейные и нелинейные процессы в атомарных парах [14, 15].
В работе В.Н. Кулясова и др. [3] рассмотрены достоинства и недостатки флуоресцентных фильтров, которые могут быть реализованы в парах цезия и рубидия. Работа имеет большое практическое значение в оптической связи, так как флуоресцентные фильтры позволяют выделять узкополосный оптический сигнал на фоне широкополосной засветки.
Работа В.А. Саутенкова др. [4] посвящена определению порога самофокусировки в парах рубидия. Полученные в работе результаты важны для современной теории филаментации. В работе использована уникальная высокотемпературная кювета с парами рубидия.
Отметим в заключение, что все представленные здесь работы относятся к теплым атомным парам. Несмотря на значительный прогресс в технике экспериментов, относящихся к охлаждению атомов и содержанию их в ловушках, “холодные” атомы не могут еще конкурировать с теплыми парами ни по числу необходимых лазерных источников излучения, ни по размерам, ни по устойчивости к внешним воздействиям.