О нелинейных эффектах в условиях резонансного ПВО

Селективное (резонансное) отражение происходит при падении света (лазерного излучения) на границу раздела между прозрачным диэлектриком и атомным газом [1–11]. При настройке частоты лазера на резонансные линии в интенсивности отраженного света появляются характерные изменения. Теоретически и экспериментально наиболее подробно исследован случай ортогонального падения, при котором обнаружены внутридоплеров-ские резонансы, определяемые особенностями взаимодействия света с атомными ансамблями вблизи поверхности [2, 3]. Это явление используется в спектроскопии плотных газов для изучения столкновительного уширения линий [4, 7, 8]. На основе селективного отражения могут быть созданы резонансно-отражающие лазерные зеркала [12, 13].

В наших работах экспериментально реализовано резонансное отражение излучения квантовоодномодового полупроводникового лазера от границы раздела "стекло—щелочной пар" при углах падения, близких к критическому углу ПВО [14]. При умеренных, экспериментально достаточно легко достижимых плотностях паров, резонансное изменение условий отражения в наклонной геометрии приводит к появлению сильных отражательных резонансов. Если частота генерации лазера синхронизирована внешним резонатором, то при сканировании тока инжекции наблюдаются характерные ступеньки в интенсивности отраженного света (квазиуровни интенсивности) [15]. Продемонстрировано насыщение резонансов отражения и квазиуровней лазерным полем, а также снижение флуктуаций интенсивности в отраженном свете [14, 15].

Данная работа посвящена исследованиям некоторых нелинейных свойств спектров резонансного отражения в наклонной геометрии. Рассмотрена асимметрия насыщения резонансного отражения и образование новых нелинейных структур на вершинах отражательных резонансов.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментальная установка содержала полупроводниковый лазер, синхронизированный внешним резонатором, отражающие кюветы, систему регистрации и компьютерного управления экспериментом, а также ряд вспомогательных элементов и устройств [16]. В качестве резонансной среды использовался газ из естественной смеси изотопов рубидия. Для исследования нелинейных явлений на границе "диэлектрик—резонансный газ" поверхностная плотность мощности лазерного излучения была увеличена до насыщающих значений (десятки–сотни Вт/см2) с помощью фокусирующей системы.

В процессе исследований было обнаружено, что при увеличении поверхностной плотности мощности резонансы отражения насыщаются неодинаково. Наиболее подробно это явление исследовано для углов падения, при которых за пределами резонансов выполняются условия ПВО [17].

На рис. 1 представлены спектры отражения, снятые при различных значениях поверхностной плотности мощности падающего лазерного излучения. Кривая 1 соответствует ненасыщающим полям, кривые 2 и 3 сняты при необходимой для насыщения степени фокусировки. Хорошо видно, что по мере насыщения глубина провала A', соответствующего низкочастотной сверхтонкой компоненте Rb85 [18], уменьшается значительно быстрее, чем глубина провала a' для низкочастотной сверхтонкой компоненты Rb87. Более того, указанной асимметрии насыщения не обнаружено для высокочастотных сверхтонких компонент B' и b'. Это в значительной степени исключает объяснение

Ir, отн. ед

Рис. 1. Насыщение отражательных резонансов. I r — интенсивность отраженного света. Величина поверхностной плотности мощности увеличивается с увеличением номера кривой

наблюдаемого явления обычными эффектами оптической накачки или оптической ориентации атомов [19], т. к. тогда аналогичная асимметрия насыщения должна была бы наблюдаться также и для компонент B' и b'.

При исследованиях нелинейного отражения нами были обнаружены также новые нелинейные структуры на вершинах отражательных резонансов. Структуры содержат один или несколько пиков с контрастностью единицы процентов и существуют только в нелинейном режиме и только при определенной степени насыщения. Расстояние между пиками составляет около (100–300) МГц. При сканировании частоты лазера структуры в зависимости от настройки наблюдаются одновременно на двух наиболее сильных пиках или на одном из них.

На рис. 2 представлен один из характерных спектров отражения. На спектре видны сильные отражательные резонансы A" и B", связанные со сверхтонким расщеплением основного состояния для Rb85 [18]. На вершине резонанса A" хорошо заметны компоненты P1 и P2, имеющие вид характерных пичков.

Наблюдаемые структуры нельзя, по-видимому, связать с хорошо известными внутридоплеров-скими резонансами в селективном отражении [4], т. к. эти резонансы наблюдаются при ортогональном падении и появляются при ненасыщающих плотностях мощности, а при увеличении плотности мощности начинают насыщаться [20]. В отличие от внутридоплеровских резонансов обнаруженные нами структуры образуются только в достаточно узком интервале значений поверхностной плотности мощности и не обладают свойствами насыщения в обычном понимании.

Ir, отн. ед

Рис. 2. Нелинейные структуры в спектрах селективного отражения. Кривые 1 и 2 показывают спектры, полученные для двух независимых сканов частоты лазера

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе изучены некоторые нелинейные свойства спектров резонансного отражения в наклонной геометрии. Описаны два наиболее интересных результата — наблюдение асимметрии насыщения резонансного отражения и обнаружение новых нелинейных структур на вершинах отражательных резонансов.

Одно из возможных объяснений наблюдаемой асимметрии насыщения основано на том хорошо известном факте, что неоднородно уширенные компоненты a' и A' частично перекрываются. Кроме этого необходимо учесть, что относительная концентрация Rb85 в естественной смеси составляет 72 %, а Rb87 — 28%. Это может, по-видимому, приводить к неравноправному квазирезонансному обмену возбуждениями при столкновениях между Rb85 и Rb87. При этом возбуждение компоненты a' эффективнее передается компоненте A', чем на- оборот. В результате появляется дополнительный механизм несимметричного уширения, что ведет к меньшему насыщению, а на спектрах отражения проявляется в более медленном уменьшении глубины провала для низкочастотной сверхтонкой компоненты Rb87.

Наблюдаемые нелинейные структуры связаны, возможно, с проявлениями в изучаемой системе свойств бистабильности, когда насыщение отражения ведет к увеличению интенсивности преломленного пучка, что в свою очередь приводит к еще большему насыщению отражения. Не исключено, что в исследуемых условиях начинают проявляться эффекты, в том числе поперечные, подобные описанным в монографии [21]. Возможно также, что становятся заметными сверхтонкие расщепления возбужденных состояний [18]. Необходимы дальнейшие, более детальные экспериментальные и теоретические исследования.

Поскольку обнаруженные нелинейные струк- туры имеют малый контраст, нами выполнен теоретический анализ возможности их наблюдения с использованием техники модуляции состояния поляризации в сочетании с дифференциальным детектированием. Этот анализ указывает возможные пути высокочувствительной поляризационной регистрации обнаруженных эффектов [22].

Эта работа частично поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 06-02-17219-а).