Актуальность работы. В настоящее время широко изучается проблема природа когерентных эффектов /1,2/. Она затрагивает вопросы экспериментального исследования ряда положений квантовой механики на основе когерентных состояний. Эти исследования ведутся в самых различных областях физики.
В оптических методах исследования атомных систем когерентные состояния проявляются, например, в таких нелинейных эффектах, как самоиняуцированная прозрачность, фотонное эхо, нутационный эффект и т. д., а также в эффектах интерференции квантовых состояний. Изучение ансамбля атомов, возбужденных в когерентную суперпозицию состояний импульсом длительности много меньшей характерного времени релаксационных процессов, несет важную информацию о комплексе параметров, характеризующих такую систему:
— об, а ни з о тр ошшиз лузателя, определяемой поляризационными характеристиками/интенсивности излучения- ^.
V с,.
— об энергетичесйнгинтервалах между интерферирующими квантовыми уровнями, определяющих частоты осцилляции интенсивности излучения;
— о времени жизни возбужденного состояния;
— о времени когерентности ансамбля и т. д.
При обработке этой информации можно определить ряд атомных констант, таких как: ^ -факторы состояний, постоянные тонкого и сверхтонкого расщепления, времена жизни возбужденных состояний, сечения разрушения заселенности, ориентации и выстраивания при столкновениях и др.
Как показывает анализ литературы, исследования в области квантовых биений (КБ) до последних лет ориентировались в основном на изучение отдельных параметров. В работе /3/ положено начало комплексному исследованию сигналов КБ, позволяющему одновременно определять набор атомных констант в единых условиях эксперимента. Данная работа является продолжением таких экспериментов и расширением исследований в область проявления интерференционных эффектов при наличии мультиплетной структуры уровней.
Цель работы. В рамках экспериментальных и теоретических методов спектроскопии квантовых биений развить аппарат количественного анализа модуляции сигналов КБ с применением ЭВМ. На созданной установке высокого временного разрешения исследовать пространственную анизотропию излучения, обусловленную когерентностью атомных состояний, определить комплекс констант, характеризующих возбужденные состояния гелия при импульсном электронном возбуждении.
Методика и объект исследований. Для проведения исследований в работе использован метод квантовых биений. Газ возбуждался импульсным электронным пучком. Излучение при спонтанном распаде возбужденных состояний детектировалось фотоумножителем в режиме однофотонного счета с накоплением сигнала на многоканальном амплитудном анализаторе. Для извлечения информации измеренные сигналы обрабатывались на ЭВМ.
Объектом изучения выбран четный изотоп гелия Ув!. Это связано со следующими обстоятельствами.
I. Наличие двух систем термов — синглетной и триплетнойпозволяет исследовать качественно различные типы интерференции невырожденных атомных состояний.
2. Это наиболее простая многоэлектронная система, для которой имеются приближенные квантовомеханические расчеты констант, которые могут быть экспериментально определены по сигналам КБ.
3. Отсутствие сверхтонкой структуры упрощает задачу анализа сигналов КБ для мультиплетных структур, не влияя на качественные выводы.
4. Большой опыт работы с гелием в группе, где делалась диссертационная работа, позволял наиболее полно анализировать сигналы КБ при их обработке на ЭВМ.
Основные научные результаты и защищаемые положения.
1. Экспериментально и теоретически изучена зависимость глубины модуляции интенсивности спонтанного излучения синглет-ных и триплетных состояний гелия от угла между поляризацией наблюдаемого света и осью пучка возбуждающих электронов.
Это позволило обоснованно выбрать оптимальные оптико-геометрические условия для экспериментов по измерению атомных констант методом КБ.
2. Для количественного анализа поляризационных характеристик излучения при нерезонансном возбуждении атомов электронным ударом в аппарат неприводимых тензорных операторов введены экспериментально определяемые коэффициенты, зависящие от энергии возбуждающих электронов? ?л и индекса.
ЪС, характеризующего макроскопический мультипольный момент порядка /С.
3. Для еинглетных состояний гелия доказана тождественность величины степени поляризации и глубины модуляции интен-. сивности света, наблюдаемого в направлении, перпендикулярном, оси пучка возбуждающих электронов и вектору напряженности магнитного поля при установке оси поляризатора перпендикулярно вектору напряженности магнитного поля.
4. По сигналам КБ исследована зависимость степени поляризации излучения на переходе Pi от энергии возбуждающих электронов.
Обнаружено изменение на 7 Г фазы биений при энергии воз-. буждающих электронов > 300 эВ, что соответствует изменению знака степени поляризации.
5. Измерены частотные интервалы D3), 3 -6. Полученные величины хорошо согласуются с измерениями другими методами и теоретическими расчетами.
Достигнута более высокая точность определения частот в диапазоне порядка десятков МГц в сравнении с наиболее развитым методом спектроскопии КБ ieOLTn — foi6 ,.
6. По сигналам КБ, обусловленным интерференцией состояний и Ц D3 измерена зависимость глубины модуляции интенсивности излучения на переходе от энергии возбуждающих электронов.
7. Определены сечения разрушения заселенности и выстраивания состояний при столкновениях с невозбужденными атомами и времена жизни этих состояний.
8. Проведены экспериментальные исследования сложных сигналов КБ, возникающих при воздействии внешнего магнитного поля, расщепляющего магнитные подуровни на величину, сравнимую с шириной тонкого расщепления, для триплетных состояний гелия.
Проанализирована многочастотная структура таких сигналов. Выявлены фазовые и угловые соотношения усиления и исчезновения групп или отдельных частот, что позволило выбрать условия эксперимента по определению положений пересечений магнитных подуровней.
3 3.
9. Впервые для состояний h и И D3 (Л = 3−5) экспериментально определены величины напряженности магнитного поля, в которых пересекаются магнитные подуровни с разностью магнитных квантовых чисел / = ^ •.
10. По зависимости (Н) впервые экспериментально определеныфакторы состояний ЛД-2,?> (Я = 3−5) •.
Предложения по использованию результатов работы.
Методы спектроскопии квантовых биений наиболее эффективны при определении атомных констант и исследовании процессов анизотропного возбуждения и распада возбужденных состояний. Результаты данной работы позволяют сделать следующие основные рекомендации для таких исследований, выполнение которых повышает достоверность и точность измерений.
1. При изучении распада населенности анизотропно возбужденного ансамбля атомов необходимо учитывать присутствие компоненты распада выстраивания. Возможность избавиться от последней состоит в установке в канале наблюдения поляризатора, ось которого составляет угол @-aRccoосью анизотропии возбуждающего процесса.
2. При исследовании распада синглетного состояния необходимо компенсировать электрические и магнитные поля в объеме исследования, так как в противном случае экспонента распада будет искажена сигналами интерференции магнитных подуровней.
3. При исследовании распада уровня со спектроскопически неразрешаемой мультиплетной структурой биения присутствуют и при полной компенсации полей. Тем не менее установка в канале наблюдения поляризатора с осью, ориентированной под углом Q-OMsCdbQR/z) к направлению оси анизотропии возбуждающего процесса, позволяет измерять сигнал распада возбужденного состояния, не искаженный сигналом интерференции уровней тонкой или сверхтонкой структуры и сигналом распада выстраивания.
4. Сигналы КБ, обусловленные интерференцией уровней тонкой структуры, при наложении на систему магнитного поля, перпендикулярного направлению наблюдения, содержат большое количество частот. Установкой оси поляризатора под углом 6 — itfl— о^сс^б/з/зУ можно избавиться в сигналах КБ от частот, обусловленных интерференцией магнитных подуровней сДШ^ =0, $ 4 ^ * а под Углом ® ~ 90° ~ от частот, обусловленных интерференцией магнитных подуровней с = 2, •.
Для определенных интервалов величин магнитных полей можно установкой оси поляризатора под определенным углом для каждого случая убирать из сигнала КБ одну из частот.
5. При нескомпенсированных внешних полях для исследования мультиплетных расщеплений или для определения сечений столкновений, ведущих к распаду когерентности, необходимо установить ось поляризатора под углом вff/Z к оси анизотропии возбуждения.
6.
Введение
коэффициентов с (Е^^ж) позволяет по интегральному измерению отношения интенсивностей света Гц/Ix с поляризациями, параллельной и перпендикулярной оси пучка возбуждающих электронов, рассчитать глубину модуляции сигнала распада возбужденного состояния.
Достоверность результатов работы подтверждается хорошим совпадением величин расщепления тонкой структуры и времен жизни возбужденных состояний с результатами измерений этих величин другими методами и теоретическими расчетам!, совпадением в пределах ошибки эксперимента измеренных зависимостей глубин модуляции от угла между осью пучка возбуждающих электронов и вектором поляризации наблюдаемого света с их расчетом с использованием формализма неприводимых тензорных операторов.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы изложены в двух докладах на Всесоюзном совещании «Квантовая метрология и фундаментальные физические константы» (Ленинград, 1982), в докладе на Всесоюзном съезде по спектроскопии (Томск, 1983) и двух статьях, опубликованных в журнале «Оптика и спектроскопия.» .
Личный вклад автора выразился в участии по созданию основных узлов экспериментальной установки и ее калибровки. Автор провел измерения, осуществил обработку и анализ результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и библиографии. Объем диссертации 168 стр. машинописного текста, включая 55 рисунков и 7 таблиц.
Результаты исследования сигналов КБ в магнитном поле для триплетных состояний описаны в следующей главе. Частоты биений для сигналов КБ, измеренных при в = 90°, слабо зависят от величины магнитного поля, в то время как для сигналов, измеренных при & =0°, эта зависимость весьма существенна.
Рис. 31. Сигналы КБ, измеренные для трех положений поляризатора в нулевом внешнем поле.
Рис. 32. Сигналы КБ, измеренные для трех положений поляризатора в нулевом магнитном поле.
На рис. 33 показано расщепление уровней тонкой структуры для ^ = 3 и = 2 и зависимость энергии зеемановских подуровней от магнитного поля для /? = 3 по результатам расчета работы /43/. Анализ этих данных показывает, что расстояния между подуровнями с одинаковыми значениями магнитного квантового числа т и различными квантовыми числами суммарного углового момента ^ = 3 и ^ = 2 слабо зависят от поля. На рисунке эти расстояния выделены отрезками, например, Jfi! для.
7)^ = tn^ - I и т. д. На рис. 35 приведены сигналы КБ, измеренные на переходе 53D — 2ЪР при в = 90° и разных напря-женностях магнитного поля //. При обработке этих сигналов по одночастотной модели (2.1) получается, что частоты биений в пределах 2 $ равны.
В табл.2 приведены частотные расстояния между магнитными подуровнями в МГц с 171^ = 0 по расчетам работы /43/ и по обработке сигналов КБ, измеренных в полях 1,5- 3 и 4,5 Э на переходе 33jD — 1ЪР • В поле 4,5 Э частоты отличаются от частоты нулевого поля не более чем на 3,5 $, еще меньшее отклонение, менее 2 $, дает обработка сигнала КБ по одночастотной модели.
На кривых рис. 34 при постоянстве частоты наблюдается уменьшение амплитуды биений, что подтверждается обработкой на ЭВМ. Это объясняется тем, что при сложении сигналов с небольшим отличием частоты на ограниченном временном интервале суммарная амплитуда в начальный момент меньше той, которая была бы в случае равенства частот.
Сигналы КБ, измеренные при 0=0, приведены на рис. 35. Наблюдается существенное изменение частот и амплитуд биений er i-11—'.
1 Г.
I-1 m.
— 2.
1 -i b 1.
— i.
— 3.
— 2 2.
— 2 ii a).
Рис. 33. Расщепление уровней тонкой структуры а) и зависимость энергии магнитных подуровней от напряженности магнитного поля б).
А ПО^бнм j — ДОмтор
50 dOO 150 200.
Рис. 34. Сигналы КБ, измеренные при разных напряженностях магнитного поля при установке оси поляризатора перпендикулярно оси пучка возбуждающих электронов.
100.
Wm"x Wm^^fSOO J, = щ m.
Рис. 35. Сигнаж КБ, измеренные для разных напряженностей магнитного поля при установке оси поляризатора параллельно оси пучка возбуждающих электронов.
Заключение
.
Излучение ансамбля атомов, возбужденного в когерентную суперпозицию состояний, обладает большой информативностью. Методы спектроскопии квантовых биений весьма эффективны при определении атомных констант и процессов анизотропного возбуждения и распада возбужденных состояний. Конкретные результаты данной работы позволяют сделать следующие основные выводы.
1. Для реализации экспериментов по наблюдению сигналов КБ создана установка высокого временного разрешения с использованием возбуждения атомов гелия импульсным электронным пучком и регистрации кинетики флуоресценции в однофотонном режиме счета с помощью многоканального временного анализатора.
Разработанные схемы время-амплитудного преобразователя и временной привязки со следящим порогом позволили получить временное разрешение <200 пс. Обработка на ЭВМ результатов измерений проводилась с учетом поляризующих свойств установки и поправкой на конечную длительность возбуждающего импульса. Магнитное поле непосредственно в объеме исследований прокалибровано по сигналам КБ. Достоверность и точность калибровки определялась в специальных экспериментах.
2. Экспериментально и теоретически изучена зависимость глубины модуляции спонтанного излучения синглетных и триплет-ных состояний гелия от угла между вектором поляризации наблюдаемого света и осью пучка возбуждающих электронов.
Это позволило выбрать оптимальные оптико-геометрические условия для экспериментов по измерению атомных констант методом КБ.
3. Показано, что при прецизионных измерениях констант распада населенности анизотропно возбужденного ансамбля атомов необходимо учитывать присутствие компоненты распада выстраивания. Возможность избавиться от последней состоит в установке в канале наблюдения поляризатора, ось которого составляет угол 0-(ХЛСс>№('&/Ъ~) с осью анизотропии возбуждающего процесса.
4. При исследовании времен жизни синглетных состояний необходимо компенсировать электрические и магнитные поля в объеме исследования, так как в противном случае экспонента распада будет искажена сигналами интерференции магнитных подуровней.
5. При исследовании распада состояний со спектроскопически неразрешаемой мультиплетной структурой биения присутствуют и при полной компенсации полей. Тем не менее установка в канале наблюдения поляризатора с осью, ориентированной под углом к направлению оси анизотропии возбуждающего процесса, позволяет измерять сигнал распада возбужденного состояния, не искаженный сигналом интерференции уровней тонкой е" или сверхтонкой структуры и сигналом распада выстраивания.
6. Сигналы КБ, обусловленные интерференцией уровней тонкой структуры, при наложении на систему магнитного поля, перпендикулярного направлению наблюдения, содержат большое количество частот. Установкой оси поляризатора под углом можно избавиться в сигналах КБ от частот, обусловленных интерференцией магнитных подуровней с = О,, а под утлом в = 90° - от частот, обусловленных интерференцией магнитных подуровней с /aW^I = 2, жш ^ // •.
Для определенных интервалов величин магнитных полей можно установкой оси поляризатора под определенным для каждого случая углом убирать из сигнала КБ одну из частот. Это упрощает последующий анализ данных.
7. При нескомпенсированных внешних полях для исследования мультиплетных расщеплений или для определения сечений столкновений, ведущих к распаду когерентности, необходимо установить ось поляризатора под углом 6 = 90° к оси анизотропии возбуждения.
8. .Для количественного анализа поляризационных характеристик излучения при нерезонансном возбуждении атомов электронным ударом в аппарат неприводимых тензорных операторов введены экспериментально определяемые коэффициенты, зависящие от энергии возбуждающих электронов Е? л и индекса, характеризующего макроскопический мультипольный момент порядка Z..
Введение
коэффициентов с (Еэл}М) позволяет по интегральному измерению отношения интенсивностей света 1ц/1±с поляризациями, параллельной и перпендикулярной оси пучка возбуждающих электронов, рассчитать глубину модуляции сигнала распада возбужденного состояния.
9. Для синглетных состояний гелия доказана тождественность величины степени поляризации и глубины модуляции интенсивности света, наблюдаемого в направлении, перпендикулярном оси пучка возбуждающих электронов и вектору напряженности магнитного поля, при установке оси поляризатора перпендикулярно вектору напряженности магнитного поля. Это позволяет измерять степень поляризации непосредственно при временных исследованиях методом МВА.
10. По сигналам КБ исследована зависимость степени поляризации излучения на переходеjDg ~ ^ ^ от энеРгии возбуждающих электронов.
Обнаружено изменение на if фазы биений при энергии электронов > 300 эВ, что соответствует изменению знака степени поляризации. В области 50 эВ обнаружены резонансы, отмеченные в работах других авторов по интегральному измерению степени поляризации с использованием высокомонокинетичных электронных пучков.
11. Измерены частотные интервалы д (п п Da,), П -3−6. Полученные величины хорошо согласуются с измерениями другими методами и теоретическими расчетами.
Достигнута более высокая точность определения частот в диапазоне порядка десятков МГц в сравнении с наиболее развитым методом спектроскопии КБ — методом — .
12. По сигналам КБ, обусловленным интерференцией состояний и ^^Da,, измерена зависимость глубины модуляции интенсивности излучения на переходе —? 3Р от энергии возбуждающих электронов.
13. По сигналам КБ определены сечения разрушения заселенности и выстраивания состояний Ч 1)2 и Ц 3/) при столкновениях с невозбужденными атомами и времена жизни этих состояний.
14. Проведены экспериментальные исследования сложных сигналов КБ, возникающих при воздействии внешнего магнитного поля, сравнимого по величине с энергией тонкого взаимодействия для триплетных состояний гелия. Проанализирована многочастотная структура таких сигналов. Выявлены условия увеличения и уменьшения (вплоть до исчезновения) амплитуд групп частот или отдельных частот, что позволило выбрать условия эксперимента по определению положений пересечений магнитных подуровней.
15. По зависимости частот биений от величины магнитного поля определены 0 -факторы уровней триплетных состояний За.
Н Ui}z ъ (^ = s>4,5) гелия и проанализировано отклонение связи угловых моментов для этих состояний от ASсвязи.
16. Определены значения магнитных полей, в которых пересекаются магнитные подуровни с = 2 уровней h bDz и n3D3 (П = 3,4,5) гелия.
Четыре положения пересечения магнитных подуровней для этих уровней не разделяются в традиционно используемом в таких случаях методе пересечений, так как суммарные полуширины лорен-цовых контуров превышают интервалы между значениями магнитных полей пересечений.
Я искренне благодарен моему научному руководителю В. Б. Смирнову за предоставленную мне возможность заниматься интересными физическими исследованиями, за постоянную помощь и внимание при проведении работы.
Я признателен профессору М. П. Чайке, взявшей на себя труд прочитать рукопись диссертации и сделавшей ряд ценных замечаний по физическому содержанию работы.
Я благодарен доктору физ.-мат. наук В. Н. Ребане, интересные дискуссии с которой способствовали углублению понимания теории когерентных явлений.
Выражаю искреннюю благодарность С. А. Багаеву за оказанную помощь при обработке экспериментального материала на ЭВМ, М. А. Зальнову и Н. Д. Нечаеву за большую помощь в создании экспериментальной установки.
