Исследования в области когерентной и квантовой оптики.

Лаборатория нелинейной оптики.
Руководитель: д.ф.-м.н., профессор В.В. Самарцев.

1. Исследование пространственных и спектральных свойств фотонного эха и возможности угловой оптической эхо-спектроскопии (совместно с сотрудниками ЕТН-центра, Цюрих, Швейцария).

Рис. 1. Изменение длины волны λ фотонного эха (вставка) при изменении угла α между волновыми векторами  и  возбуждающих импульсов [1]. Вертикальные стрелки обозначают центр «тяжести» спектральной линии сигнала ФЭ при α равном 0°, 7.4° и 10°. Штриховой линией обозначен спектр импульсов. Сигнал фотонного эха имеет главный максимум вдоль волнового вектора  на частоте

В некоторых резонансных средах (напр., в полимерных пленках, легированных молекулами красителя [1]) экспериментально исследованы пространственные и спектральные свойства фотонного эха (ФЭ) и обнаружено изменение длины волны ФЭ (относительно длины волны возбуждающих импульсов) при варьировании угла между волновыми векторами этих импульсов. Один из результатов приведен на рис. 1.

Возбужденную двумя, разнесенными во времени, лазерными импульсами резонансную среду можно отождествить с управляемым интерференционным фильтром. Свойства динамических «решеток» неравновесной населенности и поляризации, лежащих в основе этого фильтра, были экспериментально исследованы в работе [2]. Анализ, проведенный в работе [3] на основе экспериментов [1, 2], показывает на возможность угловой оптической эхо-спектроскопии.

2. Исследование долгоживущего стимулированного фотонного эха (ДСФЭ) и разработка физических принципов оптической фазовой памяти. 

Детально исследованы многоимпульсные режимы записи, кодирования и считывания информации в режиме ДСФЭ в кристалле трифторида лантана с празеодимом на длине волны 477.7 нм при температуре жидкого гелия. Создан действующий макет запоминающего устройства на основе ДСФЭ. Результаты этих разработок изложены в работе [4] и книге [5]. Отметим недавние эксперименты по некогерентному ФЭ в рубине в условиях световолоконной транспортировки к образцу отдельных возбуждающих импульсов [6].

3. Исследование оптического сверхизлучения (ОСИ) и триггерного оптического сверхизлучения (ТОС).

В функционировании оптических фазовых процессоров могут использоваться сигналы ОСИ [7]. В 1999 году был поставлен успешный эксперимент по наблюдению оптического сверхизлучения в кристалле трифторида лантана с празеодимом на длине волны 477.7 нм при температуре жидкого гелия [8]. Осциллограмма сигнала ОСИ (справа) и импульса накачки (слева) приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Осциллограмма сигнала оптического сверхизлучения (справа) в кристалле  [8]. Импульс ОСИ детектировался в направлении, обратном импульсу накачки. С ростом мощности накачки наблюдалось также сверхизлучение на длине волны 606 нм.

Наряду с этими экспериментами совместно с ФТИНТ АН Украины (г. Харьков) были поставлены эксперименты по триггерному оптическому сверхизлучению на другом кристалле - дифениле, легированном молекулами пирена [9]. Явление ТОС наблюдалось на длине волны 373 нм. Результаты эксперимента приведены на рисунке 3.
Отметим результаты теоретических разработок ТОС в условиях, когда роль инжекционного импульса выполняет поток бифотонов. Заслуживают внимания также разработки теории безынверсного ОСИ в примесных кристаллах.

Рис. 3. Формы сигналов и пространственное распределение интенсивностей в кристалле дифенила с пиреном [9]: (а) чистое ОСИ; (б) инжекционный импульс; (в) ТОС. Цена большого деления 20 нс.
 

4. Теоретическое исследование проблемы лазерного охлаждения твердых тел. В основе процесса лежит антистоксов режим, поясненный на рисунке 4.

Рис. 4. Антистоксов режим лазерного охлаждения стекол и кристаллов, легированных редкоземельными ионами: (а) упрощенная трехуровневая схема процесса, где Н – накачка, Ф – флуоресценция, Фн – фонон; (б) схема рабочих уровней ионов трехвалентного иттербия в тяжелометаллическом стекле, на основе которого американскими исследователями (R. Epstein et.al. Patent USA №5 447 032 от 05.09.1995) был создан макет лазерного рефрижератора. К настоящему времени достигнуто охлаждение на 65°, начиная от комнатной температуры.

 Квант накачки меньше кванта флуоресценции на величину энергии фононов. В итоге энергия фононов уносится из твердотельного образца в процессе флуоресценции. Результаты наших теоретических разработок, на которые ссылаются американские исследователи, суммированы в книге [10]. Для повышения эффективности охлаждения предложено использовать процесс сверхизлучения [11]. В настоящее время проводятся исследования процесса самоохлаждения активных элементов некоторых твердотельных лазеров (напр., на основе кристалла , одновременно легированного ионами  и ).

5. Исследованы возможности записи и считывания информации с помощью бихроматического поля  в среде, состоящей из трёхуровневых атомов.

Бихроматическое поле состоит из двух компонент: слабого сигнального поля (сигнальной волны)  и сильного поля накачки (опорной волны). Рассмотрена возможность записи длительности и формы сигнальной волны в неоднородно уширенном спектре поглощения ансамбля атомов благодаря формированию периодической структуры спектральных провалов. Показано, что сигнальная волна может быть восстановлена после выключения обоих полей (сигнального и опорного), если к образцу приложить только опорную волну. Найдено, что длительность и форма восстановленной сигнальной волны зависит от интенсивности опорной волны. Результат опубликован в работе [12]. Рисунки 5 и 6 взяты из опубликованной статьи [12].

Рис. 5. Вверху изображена энергетическая диаграмма трехуровневого атома, возбуждаемого сигнальной волной B₁ и опорной волной B₂. Вначале все атомы находятся в основном состоянии 1. Внизу показана последовательность импульсов. Импульсы опорной и сигнальной волн (последний затенен) имеют прямоугольную форму. Длительность сигнальной волны – T. Оба импульса выключаются одновременно. В момент времени t = 0 включается импульс опорной волны. Импульс R, индуцированный на частоте сигнальной волны, показан затененным треугольником.

Рис. 6. Зависимость амплитуды индуцированного импульса R от времени, отсчитываемого с момента включения опорной волны. Длительность сигнальной волны – T = 3. Время t, T и амплитуда R приведены в безразмерных единицах. Спектральная ширина неоднородной линии a = 10. Верхний график соответствует случаю B₂ / a → 0. Нижний график показывает поведение индуцированного поля для случая B₂ / a = 0.2.

6. Исследовано насыщение оптического перехода между выпрожденными состояниями.
Рассмотрено насыщение квазидвухуровневых атомов резонансным монохроматическим полем в случае, когда, например, основное состояние атома имеет несколько подуровней, которые одинаково заселены, и переходы с этих подуровней в возбужденное состояние сливаются в одну линию, т.е. когда отсутствует спектральное разрешение этих подуровней. Показано, что в условиях насыщения уширение такой линии может существенно превосходить уширение линии поглощения простого двухуровневого атома [13]. Дополнительное уширение линии обязано захвату заселенности в когерентной суперпозиции нижних подуровней атома.

7.  Поиски решения проблемы гамма-лазера: понижение порога генерации с помощью деструктивной интерференции каналов резонансного поглощения гамма-квантов.

Исследовано распространение гамма-излучения в резонансной среде, приготовленной с помощью лазерного поля и гамма-накачки в состоянии, которое может усиливать гамма-излучение без инверсии заселенности [14]. Такое состояние достигается благодаря двум факторам. Первый – это пересечение и смешивание спиновых подуровней ядер, находящихся в основном состоянии. Такое смешивание спиновых состояний предлагается осуществить с помощью постоянного магнитного поля заданной напряженности, приложенного вдоль направления, составляющего малый угол с осью симметрии кристалла, в котором находятся резонансные для гамма-квантов ядра. Сам кристалл должен обладать некубической симметрией. Второй фактор – приготовление ядер с помощью лазера в когерентной суперпозиции пересекающихся состояний ядерного спина. Исследованы стационарный и импульсный режимы прохождения гамма-излучения через усиливающую среду без инверсии заселенности. В стационарном режиме найдена оптимальная длина области усиления гамма излучения. Эта длина определяется предельным расстоянием, на котором происходит истощение лазерной накачки, и эффект безинверсного усиления гамма-излучения пропадает. В импульсном режиме лазерное излучение создает окно прозрачности для резонансных гамма квантов. Оно «откравается» на время равное длительности лазерного импульса. Этот импульс распространяется в среде без потерь, если для него выполняется условие самоиндуцированной прозрачности. Усиленное гамма-излучение тоже принимает форму импульса. Его усиление происходит благодаря энергии возбужденных ядер и перекачки энергии между лазерным импульсом и гамма-излучением. Перекачка энергии является источником нарушения самоиндуцированной прозрачности для лазерного импульса, что также приводит к ограничению области безинверсного усиления.

8. Рассмотрена динамическая интерференция каналов поглощения гамма-квантов, созданная радиочастотным возбуждением ядерных спинов.

Предложено использование радиочастотного возбуждения ядерных спинов в резонансном поглотителе гамма-квантов для просветления этого поглотителя. Показано, что в случае просветления гамма-кванты в поглотителе имеют скорость существенно меньшую скорости света в вакууме. В результате длина когерентности каждого кванта может стать сравнимой с размерами поглотителя. Предложено использовать этот эффект для задержки и накопления квантов в физически ограниченном объеме вещества резонансного поглотителя [15].

Литература:
1.В.А. Зуйков, А.А. Калачев, В.В. Самарцев, А.К. Ребане, У.П. Вилд. Оптика и спектроскопия, 84, c. 786 (1998)
2.V.A. Zuikov, A.A. Kalachev, V.V. Samartsev, et. al. Laser Physics, 10, 368 (2000)
3.V.V. Samartsev, V.A. Zuikov, A.A. Kalachev. Proc. of Int. Conf. “Lasers’97”, STS-Press, McLean: USA, p.248-251 (1998)
4.V.V. Samartsev. Laser Physics, 8, p. 1198 (1998)
5.А.А. Калачев, В.В. Самарцев. Фотонное эхо и его применение. Казань: изд. КГУ(1999)
6.С.Н. Андрианов, В.А. Зуйков, В.В. Самарцев, А.М. Шегеда и др. Изв. РАН, сер. Физ., 66, c. 369 (2002)
7.A.A. Kalachev, V.V. Samartsev. Laser Physics, 9, p. 916 (1999)
8.V.A. Zuikov, A.A. Kalachev, V.V. Samartsev, A.M. Shegeda. Laser Physics, 9, 951 (1999)
9.P.V. Zinoviev, V.A. Zuikov, A.A. Kalachev, V.V. Samartsev, N.B. Silaeva. Laser Physics, 11, p. 1307 (2001)
10.С.Н. Андрианов, В.В. Самарцев. Оптическое сверхизлучение и лазерное охлаждение в твердых телах. Казань, изд. КГУ (1998)
11.S.V. Petrushkin, V.V. Samartsev. Laser Physics, 11, 7, p. 948 (2001)
12.Р.Н. Шахмуратов, «Запись и считывание информации с помощью Раманавского возбуждения когерентности»,  Известия Академии Наук, cер. Физ., 66, 3, с. 341-344 (2002)
13.R.N. Shakhmuratov, J. Odeurs, R. Coussement and A. Szabo, “Low-frequency coherence excitation in the ground state manifold and saturation of the quasi-two-level atom by a resonant field”, Laser Physics, 11, 1, p. 50 (2001)
14.G. Kozyreff, R.N. Shakhmuratov, J. Odeurs, R. Coussement, P. Mandel, “Inversionless amplification and propagation in an electro-nuclear scheme”, Phys. Rev. A, 64, p. 013810-(7) (2001)
15.R.N. Shakhmuratov and J. Odeurs, “Electromagnetically induced transparency for gamma-quanta using RF field”, Hyperfine Interactions, 135, p. 215-221 (2001).