Научные специализации
Первой кафедры общей физики
и отдела квантовой электроники
НИИ Физики СПбГУ

Кафедра Общей физики - 1 является выпускающей по специальности "Физика" со специализациями:
"Оптика" и "Лазерная физика".

Отдел квантовой электроники НИИФ ведет исследования по следующим направлениям:



"Оптико-магнитные явления во взаимодействии света с веществом"
История вопроса
М.П.Чайка. Интерференция атомных состояний (как мы это начинали)

Е.Б.Александров, Н.И.Калитеевский, М.П.Чайка. Оптические методы высокого и сверхвысокого разрешения

Р.И.Семенов. Измерение гиромагнитных отношений

Научные группы
М.П.Чайка, В.Ю.Карасев, Е.С.Дзлиева, А.И.Эйхвальд, Р.И.Семенов, Цзинь Шего. Магнитомеханический эффект

Э.И.Иванов, И.Р.Крылов.Спектроскопия без допплеровского уширения

Оборудование
Публикации


"Лазерная физика"
История вопроса
Научные группы
Оборудование
Публикации

"Нелинейная динамика"
История вопроса
Научные группы
Оборудование
Публикации

"Квантово-статистическая теория света"


"Нелинейная волоконная оптика"
История вопроса
Научные группы
Оборудование
Публикации

"Оптико-магнитные явления во взаимодействии света с веществом"
(лаборатория когерентной оптики)
К оглавлению
История вопроса

Интерференция атомных состояний (как мы это начинали)
М.П.Чайка

    В пятидесятые годы в мировой литературе возник интерес к интерференционным явлениям в квантовых системах.
    В историческом плане интерес к ним развивался примерно таким путем. В 1923 г. Вуд и Эллиот наблюдали уменьшение степени поляризации резонансной флюоресценции под действием небольшого магнитного поля. Годом позже Ханле подробно исследовал это явление и объяснил его в терминах и понятиях классической физики, рассматривая прецессию затухающего диполя во внешнем магнитном поле. Такая интерпретация явления сохраняет свое значение и по сей день. Она очень удобна при качественном описании и приводит к хорошему согласию с опытом в тех случаях, когда для рассматриваемой атомной системы имеет место простой эффект Зеемана. В процессе развития квантовой механики было дано новое описание v квантовомеханическое. Оно позволило учесть наличие сверхтонкой структуры у исследуемых энергетических уровней, приводящее к сложному явлению Зеемана. Главная роль в этих работах принадлежала известным теоретикам Вейскопфу и Брейту. Но эти работы во время их появления не привлекли к себе внимания.
    Самое простое из интерференционных явлений в атомах v явление пересечения уровней. Под явлением пересечения уровней понимаются изменения в поляризации излучения атомов, связанные с вырождением уровней. Частным случаем пересечения уровней является эффект Ханле v пересечение уровней в нулевом магнитном поле.
    Ранние экспериментальные работы собраны в монографии Митчела и Земанского. Теоретическое расмотрение, начатое Ханле, было развито затем в работах Вейскопфа и Брейта.
    В 1959 г. явление было заново открыто экспериментально. Вот тогда оно и получило название "пересечения уровней". Открыто оно было случайно при наблюдении свечения разряда в гелии и облучения этого разряда поляризованным светом гелиевой же лампы. Тогда и было отдано должное формуле Брейта, а через некоторое время обнаружено, что эффект Ханле - это тоже явление пересечения уровней.
    На этом этапе в исследования методом пересечения уровней включилась группа сотрудников кафедры Общей физики 1. Ее предыдущие исследования - измерения параметров тонкой структуры - были связаны с интерференцией света. Поэтому математическое описание интерференционных явлений было привычно. Но самый главный довод заняться интерференционными явлениями в атомах заключался в том, что с их помощью те же параметры сверхтонкой структуры спектральных линий можно было, как предполагалось, измерять с гораздо большей точностью. Кроме того, метод позволял измерять и естественные ширины энергетических уровней атомов. В это время Н.И.Калитеевский сосредоточил свое внимание на преподавании общего курса физики, а оставшейся группой руководила М.П.Чайка.
    В 1960 году на кафедре объявляется вакансия на одно место в очную аспирантуру. По конкурсу прошла А.Г.Маркова, выпускница физического факультета ЛГУ. Темой ее диссертации утверждается "Явление пересечения зеемановских подуровней во внешних магнитных полях". Объектами исследования были выбраны пары атомов щелочных металлов - натрия и цезия. К этому моменту публикаций о подобных исследованиях еще не было, и порученная ей работа являлась пионерской. Для проведения экспериментов силами сотрудников кафедры и диссертанта была создана установка, в которой магнитное поле создавалось катушками Гельмгольца, где в центре магнитное поле было достаточно однородным и его можно было плавно менять.
    В центр катушек помещалась резонансная ячейка, содержащая пары иследуемого вещества (натрия или цезия). Ячейка облучалась линейно поляризованным светом спектральных безэлектродных ламп. Электрический вектор возбуждающего света был перпендикулярен внешнему магнитному полю. Наблюдение проводилось вдоль внешнего магнитного поля. Такое направление наблюдения было выбрано из тех соображений, что отсутствие интерференции возбужденных состояний никакой поляризации в заданном направлении наблюдаться не должно. Максимальная степень поляризации наблюдалась в нулевом магнитном поле и уменьшалась с ростом поля до возникновения пересечения уровней, когда в результате интерференции вырожденных состояний снова наблюдалось значительное увеличение степени поляризации резонансной флюоресценции.
    Вращающийся поляроид модулировал световой поток флюоресценции, так что на катод фотоумножителя два раза за период вращения поляроида попадал вертикально-поляризованный свет, а 2 раза - горизонтально-поляризованный. Переменная и постоянная составляющие фототока на выходе фотоумножителя разделялись приемно-усилительным устройством и регистрировались раздельно. Такая схема наблюдения переменного и постоянного сигналов давала возможность определять (при любом значении магнитного поля) степень поляризации флюоресценции, как отношение величины переменного сигнала к величине постоянного.
    В результате проведенного эксперимента, из ширины сигнала Ханле и ширин сигналов пересечений в магнитных полях, были определены времена жизни первого возбужденного состояния атома натрия, а также первого и второго возбужденных состояний атома цезия.
    Из экспериментально измеренных значений магнитных полей, соответствующих пересечениям зеемановских подуровней атома цезия, были определены; константы сверхтонкой структуры - постоянные магнитного дипольного и электрического квадрупольного взаимодействий ядра и электронной оболочки первого и второго возбужденных состояний атома цезия, а также сечения деполяризующих столкновений с рядом инертных газов.
    В дальнейшем работы этого направления развивались очень широко, о чем говорит даже просто число защищенных по этой и смежным темам диссертаций - более 20. В 1975 году вышла из печати монография М.П.Чайки "интерференция вырожденных атомных стстояний", а в 1991 г. - ее расширенный вариант: Е.Б.Александров, Г.И.Хвостенко, М.П.Чайка, "Интерференция атомных состояний". В 1993 г. она была переведена на английский язык издательством Springer Verlag.

К оглавлению

Оптические методы высокого и сверхвысокого разрешения
Е.Б.Александров, Н.И.Калитеевский, М.П.Чайка

    С момента организации ГОИ его научные работники сотрудничают с научными работниками университета. В настоящей краткой заметке затронуты исследования в области атомной физики.
    Хорошо известно, что большая часть атомных спектральных линий имеет структуру, обусловленную взаимодействием электронной оболочки с ядром, в первую очередь с его спином, магнитным дипольным и электрическим квадрупольным моментами.
    Исследования велись с помощью прибора высокой разрешающей силы - интерферометра Фабри-Перо. Применение диэлектрических покрытий пластин интерферометра вместо распространенных в то время металлических существенно расширило круг решаемых задач. Возможность использования чистых изотопов и обогащенных образцов облегчало анализ структуры линий. В качестве примера рассмотрим сверхтонкую структуру линии изотопа урана 233. Линия распадается на 6 компонент, откуда однозначно определяется спин ядра I=5/2. Из расстояния между компонентами определяются константы магнитного (A) и квадрупольного (B) взаимодействий электронной оболочки с ядром. Из констант A и B вычисляются соответствующие моменты.
    При решении ряда задач разрешаюшей силы интерферометра Фабри-Перо оказывается недостаточно. В этом методе при использовании газовых источников света разрешение обычно лимитируется допплеровским уширением спектральных линий, связанных с хаотическим тепловым движением атомов. Влияния допплеровского уширения позволяют избежать методы, основанные на интерференции атомных
состояний.
    Рассмотрим задачу исследования простейшей квантовой системы (атома), состоящей из одного основного и двух близких друг к другу возбужденных состояний. В общем случае возбужденное состояние каждого атома описывается выражением

Y=C1Y1exp(-iW1t)+C2Y2exp(-iW2t)
В выражении для излучения этого состояния появляется интерференционный член, содержащий   произведение С1* С2. Если усредненное по ансамблю всех излучающих атомов это произведение не обращается в нуль (когерентное заселение), то его можно наблюдать при регистрации излучения.
    Простейшим примером являются так называемые свободные биения, или интерференция невырожденных состояний. Ансамбль атомов в возбужденном состоянии приготавливается импульсным возбуждением светом с достаточно широким спектром, так что в него попадают частоты обоих переходов, либо электронным пучком. В излучении появляются биения интенсивности с разностной частотой W1-W2.
    Для ансамбля идентичных атомов частота биений одна и та  же. Одновременное смещение частот W1 и W2 за счет эффекта Допплера почти не меняет их разность, так что частота биений практически не подвержена допплеровскому уширению.
    Свободные биения представляют значительный интерес как средство исследования структуры и  времени жизни возбужденных состояний. Наиболее существенным преимуществом метода является то, что исследуемое состояние не подвергается никакому возмущению: биения наблюдаются после окончания импульса, и на мощность последнего никаких ограничений не накладывается. Однако этот метод связан со значительными техническими трудностями.
    Гораздо более простым технически является так называемй метод пересечения уровней, или интерференция вырожденных состояний. В этом случае образование ансамбля атомов и регистрация его излучения происходят одновременно, и время регистрации не ограничено, но для регистрации интерференционного члена необходимо на ансамбль атомов наложить внешнее возмущение для того, чтобы разрушить вырождение уровней. Чаще всего для этого пользуются магнитным полем. Сигналом пересечения уровней служит зависимость интенсивности излучения (в заданном направлении и часто в определенной поляризации) от магнитного поля. Если вырождение имело место в нулевом магнитном поле, то такой сигнал известен под именем эффекта Ханле.
    В качестве примера сигналов пересечения уровней известны сигналы пересечения магнитных   подуровней состояния 62P3/2 рубидия-85 в магнитном поле. Эволюция сигнала при дополнительном наложении электрического поля позволяет определять константы Штарка.
    Иногда метод пересечения уровней используется не для расшифровки их структуры, а  для решения обратной задачи, в частности для измерения слабых магнитных полей. Таким методом реализована чувствительность порядка 10-10 эрстеда.
    Шагом вперед в распространении метода пересечения уровней явилось открытие когерентного заселения магнитных подуровней возбужденных атомных состояний непосредственно в источнике излучения. Это так называемые самовыстраивание и скрытое выстраивание. Выяснилось, что   необходимая для создания когерентности анизотропия процесса возбуждения имеет место в любом газовом источнике света конечного объема, она связана с самопоглощением света, потоки которого в  большинстве случаев анизотропны. Так как такая ситуация имеет место и на Солнце, интерференция состояний наблюдается и в его излучении. Астрофизики используют его для определения магнитных полей во внешних слоях и протуберанцах нашей звезды.
    Помимо макроскопического выстраивания атомов в источниках света существует и другое, не связанное с направленными потоками излучения и существующее при строго изотропном излучении (скрытое выстраивание). Суть его состоит в следующем. Освещаемый со всех сторон излучением других атомов, движущийся атом воспринимает его как анизотропное вследствие эффекта Допплера. Вероятность возбуждения атома светом, направленным ему вдогонку или навстречу, меньше, чем  светом перпендикулярного направления. Это приводит к тому, что ансамбль движущихся атомов, оставаясь в  среднем изотропным, приобретает скрытую анизотропию возбужденного состояния относительно вектора скорости каждого атома. И  хотя в среднем выстраивания нет, возможны ситуации, в которых его  существование проявляется. В частности, при наложении слабого магнитного поля оно преобразуется в ориентацию (появление макроскопического магнитного момента), направленную по магнитному полю; при  дальнейшем   увеличении напряженности магнитного поля ориентация уменьшается и  исчезает. Поле, в  котором ориентация достигает максимума, определяется константами релаксации.
    Сравнение линейных интерференционных методов с бурно развивающейся нелинейной лазерной спектроскопией приведено в других наших иследованиях, подробную библиографию по затронутым вопросам можно найти в монографии:     Е.Б.Александров, Г.И.Хвостенко, М.П.Чайка, "Интерференция атомных состояний" М, Наука, 1991.

К оглавлению

Измерение гиромагнитных отношений
Р.И.Семенов

    В конце 50-х гг. для кафедры оптики, где я работал после окончания факультета с сентября 1957 г., был построен электромагнит с напряженностью поля до 50 кЭ. Одной из задач, которую С.Э.Фриш предлагал решить с помощью этого магнита, была задача обнаружения аномального магнитного момента электрона методом оптической спектроскопии. К тому времени этот аномальный магнитный момент был рассчитан теоретически и измерен радиоспектроскопическим методом.
    Монтаж и наладка магнита велись в течение 1958-1961 гг. К этому времени задача наблюдения аномального магнитного момента электрона потеряла свою актуальность. Однако за время наладки и монтажа был разработан эксперимент для наблюдения аномального магнитного момента. В спектре титана был найден уровень 5F1, гироматнитное отношение которого, без учета аномального магнитного момента электрона, было равно нулю. К вопросу об аналогичных уровнях атомов и молекул, имеющих ненулевой полный механический момент и почти нулевой магнитный, теоретики обратились лишь в начале 90-х гг.
    Для работы в сильных магнитных полях понадобился специальный источник света. Поэтому, одновременно, в конце 50-х и начале 60-х годов был разработан и изготовлен Н.И.Калитеевским и Р.И.Семеновым такой специальный источник света -- импульсный СВЧ-источник. Газовый разряд создавался в разрядной трубке, помещенной в волновод радиолокационной станции.
    В дальнейшем, в течение 60-х гг.  на этой установке, включающей электромагнит, СВЧ-источник и спектрограф, были измерены гиромагнитные отношения уровней различных конфигураций неона и однозарядных ионов щелочных металлов (Ю.Н.Демков, Т.К.Ребане. Оптика и спектроскопия, 1991, т.71, вып.5, с.714).

К оглавлению

Спектроскопия без допплеровского уширения
Э.И.Иванов, И.Р.Крылов

    В 1977 г. в лаборатории когерентной оптики была создана научная группа в составе Иванова Эдуарда Ивановича и -- тогда еще студента, а ныне доцента -- Крылова Игоря Ратмировича. Группа занялась разработкой методов нелинейной лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения. Основная идея этих методов состоит в получении спектров, свободных от допплеровского уширения спектральных линий. Так, если через кювету с газом низкого давления проходят две встречные бегущие световые волны одинаковой частоты, то из-за эффекта Допплера эти две волны в общем случае поглощаются разными наборами молекул газа. Если же частота света точно совпадает с частотой поглощающего перехода, то две волны поглощаются одними и теми же молекулами. При этом встречные волны просветляют среду друг для друга, что проявляется в резонансном увеличении интенсивности прошедшего кювету света, как функции частоты света.
    С 1978 г. научная группа Э.И.Иванова -- И.Р.Крылова разрабатывала методы нелинейной лазерной спектроскопии на примере насыщения поглощения излучения CO2-лазера (длина волны  ~9.4 мкм) в газообразном четырехфтористом кремнии -- SiF4.
    При очень низком давлении газа спектральная ширина наблюдаемых резонансов ограничена шириной линии поглощения одиночной молекулы и, как правило, на несколько порядков меньше допплеровской ширины спектральных линий. Реально ширина (и форма) резонансов насыщения поглощения определяется частотой столкновений молекул. Группа исследовала столкновительные уширения и сдвиги резонансов насыщения поглощения в зависимости от давления собственного и буферного газов в зависимости от температуры газа и в зависимости от проекции скорости молекул, образующих резонанс, на направление светового луча. Для получения таких резонансов с отличной от нуля проекцией скорости на оптическую ось применен вариант спектроскопии насыщения поглощения с фиксированной отличной от нуля разностью частот встречных световых волн. При этом встречная, смещенная по частоте световая волна формировалась в результате сложения частоты световой волны и частоты акустической ультразвуковой волны (35 МГц) на акустооптическом модуляторе.
    Каждой спектральной линии поглощения соответствует свой резонанс, поэтому наблюдаемые сигналы образуют спектр сверхвысокого разрешения. Изучение таких спектров крайне важно для развития методов квантового описания вещества. Спектры сверхвысокого разрешения имеют очень богатую и сложную структуру. С целью получения дополнительной информации для интерпретации этих спектров мы применили модифицированный метод спектроскопии насыщения поглощения однонаправленных световых волн, при котором наблюдаются сигналы двойного оптического резонанса без допплеровского уширения.

Спектр насыщенного поглощения четырехфтористого кремния (вторая производная)
    В качестве примера экспериментальных результатов на этом рисунке представлена экспериментальная кривая спектра сверхвысокого разрешения молекулы SiF4 . Этот фрагмент спектра смещен по частоте на 30...40 МГц в красную сторону относительно центра линии P(32) полосы 9.4 мкм генерации CO2 лазера. Спектральная ширина наблюдаемых резонансов составляет 200 кГц, что примерно в 500 раз меньше допплеровской ширины линии поглощения. Вертикальная координата графика пропорциональна второй производной зависимости коэффициента поглощения от частоты. Отношение сигнала к шуму достигает 5000.
    На молекулах с высокой симметрией наблюдается расщепление спектральных линий, связанное с туннельными переходами между состояниями вращения вокруг эквивалентных осей симметрии молекулы. Молекула SiF4 представляет собой правильный тетраэдр. При вращении молекулы вокруг оси симметрии, проходящей через вершину и центр тетраэдра, в молекуле происходят туннельные переходы между состояниями вращения вокруг эквивалентных осей. Эти туннельные переходы проявляются в расщеплении спектральной линии на мультиплет типа AFFA (см. рисунок).
    Слабые сателлиты мультиплета, обозначенные на рисунке цифрами 1...7, впервые были обнаружены и интерпретированы в работах Э.И.Иванова и И.Р.Крылова. Часть этих резонансов оказалась сигналами двойного оптического резонанса между переходами, связанными молекулярными столкновениями (резонансы 3...5), другая часть -- трехфотонными столкновительными резонансами.
    Более подробную информацию об этих результатах можно получить в статье: Иванов Э.И., Крылов И.Р. "Сателлиты мультиплетов супертонкой структуры спектра насыщенного поглощения молекулы SiF4" // Оптика и спектроскопия, 2000, т.88, вып.4, с.568-580.

К оглавлению

Магнитомеханический эффект
М.П.Чайка, В.Ю.Карасев, Е.С.Дзлиева, А.И.Эйхвальд, Р.И.Семенов, Цзинь Шего.

   Магнитомеханический эффект заключается в том, что при наложении на газовый разряд продольного магнитного поля порядка нескольких сот эрстед  газ в положительном столбе разряда приходит во вращение. Эффект был наблюден несколько десятилетий назад, но причины его не были найдены. Более того, из гидродинамической теории газового разряда следует, что его не должно быть, и ряд научных сотрудников сомневались в его существовании. В результате предпринятых в отделе квантовой электроники исследований выяснилось, что две серии работ (работы шестидесятых годов московской и ленинградской групп) во многом противоречат друг другу, а внутри опубликованных этими группами статей существуют собственные внутренние несоответствия. Эксперименты, выполненные нашей группой по двум методикам, позволили выяснить почти все ошибки в старых работах, определить истинное направление крутящего момента, измерить его величину и зависимость последней от приложенного магнитного поля и условий разряда.
    В самое последнее время изучение макроскопического движения плазмы в магнитном поле продолжено с использованием так называемой пылевой плазмы (в реальных условиях режим пылевой плазмы как раз намного распространеннее "чистой" плазмы, поскольку устранение частиц твердой фазы требует, как правило,  дополнительных усилий :) ). Прилагаемый видеоклип движения "пылевого кристалла" в положительном столбе разряда позволяет судить о величине и характере эффекта.

Все-таки она вертится !