Основы лазерной спектроскопии - Стенхольм С.
Скачать (прямая ссылка):
T2I^Hri+T2)' (2.9)
Мерой фазовой релаксации может быть безразмерный параметр когерентности
4 - ' (2Л0)
который равен единице в отсутствие сбоя фазы, когда условие (2.9) превращается в равенство. Обычно г) < I.
Самое короткое из характерных времен, возникающих в задачах оптического резонанса, определяется частотой излучения1* ?/2x = IO14 — IO15 Гц. Эти частоты имеют тот же порядок величины, что и типичные для атомов расстояния между уровнями, — ш21.В отсутствие всякого взаимодействия матричный элемент р21 осциллирует с частотой о)2Г Чтобы исключить из решений эти быстроизменяющиеся члены, воспользуемся ниже так называемым приближением вращающейся волны (ПВВ)2>. В результате параметром задачи будет отстройка (ы21 — ?), которая часто сравнима с другими физическими величинами, определяющими задачу (такими, как (pE/h), 7,, у2, 7 и т. п.). В этом приближении мы будем пренебрегать членами порядка (цЕ/tiQj1. Для типичных лазерных источников и разрешенных атомных переходов часто выполнено соотношение р,Е « ку. Время спонтанного распада имеет порядок величины т = у1 = 1 не, поэтому поправки к решениям, полученным в ПВВ, исчезающе малы ((7/?)2 = IO-12 — IO-14). Однако в радиодиапазоне, где частоты ? значительно меньше, пренебрегать такими членами можно не всегда (см. разд. 2.3). Другое замечание состоит в том, что для подуровней основного состояния времена релаксации могут быть очень большими.
В тех случаях, когда разные атомы среды находятся под воздействием одинакового поля и источником релаксации является
Следуя традиции оптической спектроскопии, при теоретическом рассмотрении мы всегда используем угловые частоты, но численные значения приводим в шкале циклических частот в герцах.
2) Используется также термин «резонансное приближение». — Прим. перев. ВОЗДЕЙСТВИЕ СИЛЬНОГО ПОЛЯ НА ВЕЩЕСТВО
81
некоторый физический процесс, одинаково изменяющий состояния каждого из атомов, мы говорим, что уровни системы однородно уширены. Пусть атомы локализованы в твердом теле, например в примесном кристалле, используемом в твердотельном лазере. Даже при этом атомы находятся в неравных условиях, если на них воздействует излучение стоячей волны. В частности, для атомов, расположенных в пучностях стоячей волны, могут быть выполнены условия насыщения, а для атомов, расположенных в узлах, максимальная амплитуда поля может быть недостаточной для этого. Таким образом, наш анализ должен учитывать пространственную структуру поля.
Для бегущей волны такого эффекта не существует — максимальная амплитуда всюду в среде одинакова. Но возможна другая причина неоднородности взаимодействия частиц с полем. Она обусловлена уже не геометрией поля, а различием координат или скоростей самих атомов. В результате, и неоднородность кристаллического поля в разных точках твердого тела, и доплеровский сдвиг, отличающийся для частиц, имеющих разную скорость, делают спектр неоднородно уширенным. Это означает, что спектр такой системы будет состоять из несовпадающих по частоте линий отдельных частиц.
При движении атома в поле стоячей волны эффект неоднородности взаимодействия приобретает новые особенности. Последовательно пересекая области пучностей и узлов, частица испытывает воздействие некоторого среднего поля. Чем больше скорость частицы, тем эффективнее такое усреднение за счет движения. Но именно быстрые частицы образуют резонансный ансамбль атомов, если частота поля сильно отстроена от частоты перехода. При этом для компенсации отстройки требуются большой доплеровский сдвиг и высокие скорости. Остаточное проявление неоднородности распределения поля в стоячей волне приводит при этом к пульсации заселенностей атомных энергетических уровней. Это типичный эффект насыщения, и для его описания требуется не теория возмущений, а общая теория взаимодействия с сильным полем.
Использование источников высокоинтенсивного излучения приводит к многим экспериментально наблюдаемым эффектам. Исторически сложилось так, что похожие явления получили разные названия. В частности, если ширина или сдвиг уровней про-
6—504
82
ГЛАВА 1.
порциональны EP-, говорят о полевом уширении, сдвиге уровней светом или штарковском расщеЛлении. Все перечисленные термины означают физически сходные явления и их использование определяется лишь традицией, сложившейся в той или иной области исследований. В дальнейшем мы рассмотрим много частных примеров, физическая сущность которых — в нелинейной зависимости различных величин от EК этому приводят переходы между уровнями с частотой, зависящей от поля (например, /мЕ/П).
Может показаться, что мы готовы приступить к решению любых спектроскопических задач при сколь угодно больших полях E и отстройках w21 — ?2. К сожалению, это не так. В приложениях к реальным системам использовать простые модельные системы уровней не всегда можно без ограничений. Мы уже говорили, что использование ПВВ возможно лишь при fiE < hu = Hoi2v Одновременно с нарушением этого условия становится неоправданным не только пренебрежение быстроос-циллирующими членами в уравнении для матрицы плотности, но и ограничение числа рассматриваемых квантовых состояний атома. Действительно, ограничившись, к примеру, рассмотрением двухуровневой системы, мы пренебрегли в решении малыми поправками порядка (p.E/AEf. Так как характерное расстояние между многими атомными уровнями имеет один и тот же порядок величин (AE = Ш), ограничение числа уровней в модельной системе возможно лишь при выполнении условий ПВВ ((цЕ/hu)2 < 1). Поэтому в очень сильных полях нужно учитывать все переходы, в том числе и в непрерывный спектр.
