ЖЭТФ, 2019, том 156, вып. 5 (11), стр. 875-879

КИНЕТИКА ФОТОННОГО ЭХА,

ИНДУЦИРОВАННОГО СТОЛКНОВЕНИЯМИ

Н. Н. Рубцоваa*, С. А. Кочубей^a, Е. Б. Хворостов^a, В. А. Решетов^b

^a Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова

Сибирского отделения Российской академии наук

630090, Новосибирск, Россия

^b Тольяттинский государственный университет

445667, Тольятти, Россия

Поступила в редакцию 18 апреля 2019 г.,

после переработки 13 июня 2019 г.

Принята к публикации 19 июня 2019 г.

Исследована немонотонная кинетика фотонного эха, индуцированного столкновениями, для ряда буфер-

ных атомов. Индуцированное столкновениями фотонное эхо формировалось на переходе¹⁷⁴Yb (6s²)

¹S0 ↔ (6s6p) 3P1 (тип 0 ↔ 1) парой импульсов резонансного излучения, поляризованных линейно и

взаимно ортогонально, в парах иттербия и в его смесях с He, Ne, Ar, Kr, Xe. В этих же смесях реги-

стрировалась кинетика обычного фотонного эха, сформированного импульсами с одинаковой линейной

поляризацией. Полученные константы скорости затухания для обоих видов эха одинаковы с точностью

до ошибок измерений. Для столкновений атомов¹⁷⁴Yb между собой и с другими изотопами иттербия в

естественной смеси изотопов получена оценка сверху для параметра анизотропии, равная 0.22 ± 0.07 от

скорости затухания сигнала фотонного эха.

DOI: 10.1134/S004445101911004X

затухание. Наконец, столкновительное фотонное

эхо поляризовано вдоль первого возбуждающего

импульса; обычное эхо поляризовано вдоль второ-

1. ВВЕДЕНИЕ

го импульса. Подробные исследования кинетики

фотонного эха, индуцированного столкновениями,

Фотонное эхо, индуцированное анизотропией

ранее не проводились.

столкновительной релаксации деполяризующих

Цель данной работы — исследовать немонотон-

столкновений, т. е. зависимостью скорости релакса-

ную кинетику затухания фотонного эха, индуциро-

ции от направления скорости движения активных

ванного столкновениями атомов благородных газов

атомов, исследовалось нами ранее в экспериментах

с атомами иттербия ¹⁷⁴Yb, в сравнении с кинетикой

с изменением давления буферного газа на переходе

обычного фотонного эха, а также по возможности

0-1

[1-4]. Свойства этого когерентного откли-

оценить параметр анизотропии.

ка отличаются от свойств обычного фотонного

эха. Фотонное эхо, индуцированное анизотропией

столкновительной релаксации, возникает только

2. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

в присутствии буферного газа; при оптимальных

условиях возбуждения столкновительного эха,

В качестве источников двух импульсов возбуж-

т. е. для ортогональных линейных поляризаций

дающего резонансного излучения использовались

возбуждающих импульсов, обычное эхо на переходе

лазеры оригинальной конструкции на красителе

0-1 отсутствует. Столкновительное фотонное эхо

кумарин-153 с оптической накачкой третьей гар-

проявляет немонотонную зависимость от давле-

моникой излучения импульсного лазера Nd³⁺:YAG

ния буфера; для обычного эха это монотонное

(модель LS-2145D-C3/2, длительность импульсов

около 10 нс, производство фирмы ЛОТИС, Бела-

^* E-mail: rubtsova@isp.nsc.ru

русь). Лазер LS-2145D-C3/2 обеспечивал пару им-

875

Н. Н. Рубцова, С. А. Кочубей, Е. Б. Хворостов, В. А. Решетов

ЖЭТФ, том 156, вып. 5 (11), 2019

пульсов инфракрасного излучения с регулируемой

Длительности возбуждающих импульсов состав-

задержкой времени между ними с последующей

ляли 10 нс, а ширина линии генерации лазеров

генерацией третьей гармоники в двух кристаллах

на красителе в среднем была порядка 1 ГГц, что

KDP. Для увеличения мощности излучения накачки

сравнимо с доплеровской шириной линии поглоще-

использована модуляция добротности электроопти-

ния¹⁷⁴Yb при температуре экспериментов. Предпо-

ческими модуляторами. Установка позволяла с ша-

ложительно, условия эксперимента соответствовали

гом 10 нс регулировать время задержки между им-

промежуточному типу между случаем формирова-

пульсами излучения, резонансного переходу атомов

ния фотонного эха на узкой спектральной линии и

иттербия¹⁷⁴Yb (6s²)¹S₀ ↔ (6s6p)³P₁ (тип 0 ↔ 1).

случаем формирования эха на широкой спектраль-

Оптическая схема лазеров на красителе включала в

ной линии.

себя задающий генератор и два усилительных кас-

Температура рабочей ячейки в экспериментах с

када. Грубая настройка частоты излучения каждого

чистым иттербием (природная смесь изотопов) из-

лазера на красителе на исследуемый переход иттер-

менялась в пределах 810-860 К; при этом давле-

бия осуществлялась поворотом дифракционной ре-

ние паров иттербия изменялось от 5 до 21.5 мТорр.

шетки задающего генератора, плавная — изменени-

Температура ячейки была 860-890 К в экспери-

ем давления азота в камере, в которой расположе-

ментах с разбавлением иттербия инертными газа-

на дифракционная решетка. Внешняя схема форми-

ми. Давление буферных газов изменялось от ну-

рования сигналов фотонного эха направляла пучки

ля до 200-300 мТорр в смесях с иттербием. При

в ячейку с парами иттербия под малым углом (не

максимальном давлении буфера разбавление атомов

более 2 мрад) с помощью нескольких плоских зер-

¹⁷⁴Yb доходило до 1:30. Ряд благородных газов He,

кал; это позволяло пространственно отделить сла-

Ne, Ar, Kr, Xe с естественным содержанием изото-

бый эхо-отклик от мощных формирующих импуль-

пов использован в качестве буферных атомов; ис-

сов излучения. Поляризация каждого из импульсов

следованы также столкновения атомов¹⁷⁴Yb между

задавалась поляризатором. Перед регистрирующим

собой и с атомами других изотопов иттербия.

прибором (ФЭУ) был расположен анализатор, поз-

воляющий дополнительно защитить ФЭУ от засвет-

ки излучением второго возбуждающего импульса.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

Поляризация импульсов была линейной с точностью

не хуже 10-3 по мощности излучения. При иссле-

В данной работе мы будем использовать обо-

довании обычного фотонного эха (ФЭ) поляриза-

значения измеряемых величин, принятые в [4]. Бу-

ции возбуждающих импульсов были одинаковыми

дем считать, что однородное уширение линии γ =

и совпадали с ориентацией анализатора перед ФЭУ.

= γ⁽¹⁾ + Γ складывается из двух величин: γ⁽¹⁾, учи-

Для экспериментов по исследованию ФЭ, индуциро-

тывающей вклады излучательного распада (радиа-

ванного столкновениями, поляризация второго им-

ционное время жизни равно примерно 820 нс) верх-

пульса возбуждающего излучения была ортогональ-

него рабочего уровня³P₁₁₇₄Yb, неупругих столкно-

на поляризации первого, а ориентация анализатора

вений и столкновений, сбивающих фазу дипольного

совпадала с ориентацией поляризации первого воз-

момента перехода, а также Γ = (Γ₀ +Γ₁)/2, характе-

буждающего импульса.

ризующей деполяризующие столкновения. При на-

личии упругих деполяризующих столкновений ре-

В данном эксперименте обращалось особое вни-

лаксация атомных дипольных моментов в случае пе-

мание на компенсацию магнитного поля Земли и

реходов J_a = 0 → J_b = 1 характеризуется двумя раз-

лабораторного магнитного поля, поскольку присут-

личными комплексными константами релаксации:

ствие магнитного поля разрушает фотонное эхо, ин-

одна Γ₀ + iΔ₀ для компоненты дипольного момента,

дуцированное столкновениями [5].

коллинеарной скорости атома, другая Γ₁ + iΔ₁ для

Задержка времени между возбуждающими им-

компоненты дипольного момента, перпендикуляр-

пульсами излучения задавалась внешним многока-

ной скорости атома [6]. Генерация фотонного эха,

нальным генератором шагами по 10 нс, однако точ-

индуцированного столкновениями, обусловлена раз-

ное значение задержки между оптическими импуль-

ностью этих двух констант — параметром анизотро-

сами измерялось по ослабленным световым импуль-

пии столкновений λ = Γ₀ + iΔ₀ - Γ₁ - iΔ₁.

сам, регистрируемым ФЭУ. Минимально доступные

Для всех смесей иттербия с буферными газами

в эксперименте задержки (≈ 50-60 нс) определялись

зарегистрирована экспоненциальная кинетика за-

особенностями системы регистрации.

тухания обыкновенного ФЭ для задержек между

876

ЖЭТФ, том 156, вып. 5 (11), 2019

Кинетика фотонного эха...

Таблица. Константы скорости затухания двухим-

пульсного фотонного эха

0.4

Партнеры по

Константа скорости

0.3

столкновениям

затухания ФЭ

атомов¹⁷⁴Yb

dγ/dp, 10⁷ c-1 · Торр-1

0.2

2.57 ± 0.33

2.63 ± 0.26

0.1

2.62 ± 0.27

3.09 ± 0.35

100

200

300

3.31 ± 0.41

Задержка времени, нс

5.77 ± 1.41

Рис. 1. Кинетика фотонного эха, индуцированного столк-

новениями, в чистом иттербии (1) и его смесях с аргоном

(2) и ксеноном (3)

возбуждающими импульсами 60-300 нс. Для дав-

лений буферного газа p в диапазоне 0-300 мТорр

0.2

при фиксированном давлении паров иттербия опре-

делены скорости затухания обыкновенного фотон-

ного эха, соответствующие однородному уширению

спектральной линии γ. По сериям этих значений

для каждого буферного газа определены константы

0.1

dγ/dp, представленные в таблице. Все измеренные

значения γ существенно выше радиационной шири-

ны, так что влияние различного типа столкновений

велико. В ряду буферных газов константы скорости

затухания ФЭ, т. е. константы однородного ушире-

100

200

ния dγ/dp, возрастают по мере роста массы буфер-

Задержка времени,нс

ного атома. Самое большое однородное уширение

соответствует столкновениям атомов¹⁷⁴Yb между

Рис. 2. Кинетика фотонного эха, индуцированного столк-

собой и с другими изотопами атомов иттербия.

новениями, в смесях иттербия с гелием (1), неоном (2) и

криптоном (3)

В случае фотонного эха, индуцированного столк-

новениями, кинетика немонотонна как для паров ит-

тербия без посторонних газов, так и для смесей с

Для индуцированного столкновениями ФЭ в сме-

благородными газами.

сях иттербия с благородными газами кинетиче-

На рис. 1 показаны экспериментальные кинети-

ские кривые при малых задержках имеют, как

ческие кривые для фотонного эха, индуцированно-

правило, пологий участок, а вся кривая никак

го столкновениями, в чистом иттербии при давле-

не может быть описана экспоненциальной зави-

нии 21.5 мТорр (кривая 1, квадраты), для смеси

симостью. По виду рис. 1 можно предположить,

21.5 мТорр Yb+90 мТорр Ar (кривая 2, треуголь-

что ксенон обеспечивает более высокий, чем ар-

ники) и для смеси 21.5 мТорр Yb+101 мТорр Xe

гон, сигнал фотонного эха, индуцированного столк-

(кривая 3, кружки). Сплошные кривые на рис. 1 —

новениями. Кинетические кривые для фотонного

интерполяция по формуле (21) из работы [4] в пред-

эха, индуцированного столкновениями, в смесях ит-

положении |λ|τ

≪ 1. В чистом иттербии виден

тербия с гелием, неоном и криптоном приведе-

участок возрастания сигнала эхо для задержек ме-

ны на рис. 2. Это кривые затухания для смесей

нее 80 нс, отчетливо регистрируется максимум; при

46.4 мТорр Yb+201 мТорр He (кривая 1, пятиуголь-

дальнейшем увеличении задержек эхо, индуциро-

ники); 46.4 мТорр Yb+195 мТорр Ne (кривая 2, звез-

ванное столкновениями, затухает.

дочки); 46.4 мТорр Yb+203 мТорр Kr (кривая 3, тре-

877

Н. Н. Рубцова, С. А. Кочубей, Е. Б. Хворостов, В. А. Решетов

ЖЭТФ, том 156, вып. 5 (11), 2019

–1

| |, 10

для давлений меньше 13.9 мТорр столкновитель-

0.30

ное эхо слишком слабое, а при давлениях свыше

21.5 мТорр нельзя работать без буферного газа —

есть риск запыления окон кюветы пленкой. Гра-

фик зависимости |λ|(p) представлен на рис. 3. В

этом диапазоне давлений иттербия параметр ани-

зотропии |λ|, нормированный на давление газа, ра-

0.15

вен d|λ|/dp = (1.27 ± 0.14) с-1 · Торр-1. Учитывая

сказанное выше, эту величину следует рассматри-

вать как оценку сверху для параметра анизотропии

столкновительной релаксации в иттербии. С учетом

уширения оптического перехода в парах иттербия

получаем оценку |λ|/γ = 0.22 ± 0.07.

Давление иттербия, мТорр

4. ОБСУЖДЕНИЕ

Рис. 3. Параметр анизотропии λ растет с ростом давления

паров иттербия

Проявления анизотропии столкновений в фор-

ме линии поглощения давно привлекали внимание

исследователей [7-9]. Однако регистрация анизот-

угольники); сплошные кривые — результат интер-

ропии столкновений в форме линии поглощения

поляции согласно [4]. Для смесей с благородными

затруднительна. Еще для экспериментов по флуо-

газами условия регистрации не позволили опреде-

ресценции атомов, выполняемых без использова-

лить отчетливые максимумы кривых. Можно лишь

ния лазерного излучения, было предсказано [10],

уверенно говорить об отличии кинетических кривых

что «при возбуждении плоскополяризованным све-

от экспоненциальных зависимостей от времени за-

том возможно появление флуоресценции, поляри-

держки τ. Значения давления буферных газов ге-

зованной по кругу. В изотропном случае, когда

лия, неона и криптона на рис. 2 примерно одина-

все направления столкновений равновероятны, та-

ковы. Тем не менее, амплитуды сигналов невозмож-

кое изменение невозможно». Наконец, в работе [6]

но использовать для определения параметров ани-

был предложен способ зарегистрировать проявле-

зотропии для буферных газов. Причина заключает-

ние анизотропии столкновений на нулевом фоне на

ся в чувствительности амплитуды слабых сигналов

переходе 0-1 в виде фотонного эха, индуцированно-

столкновительного ФЭ к юстировке оптической схе-

го столкновениями. В данной работе проведено бо-

мы, которая была необходима для каждой серии из-

лее подробное исследование кинетики такого фотон-

мерений с новым буферным газом.

ного эха. Надежные результаты получены для ско-

Константы скоростей затухания фотонного эха,

ростей затухания фотонного эха. Что касается на-

индуцированного столкновениями, совпали с со-

хождения параметров анизотропии, в данной рабо-

ответствующими константами скоростей затухания

те удалось лишь получить оценку для столкнове-

обычного фотонного эха в пределах точности изме-

ний атомов¹⁷⁴Yb между собой и с другими изото-

рений для каждого из буферных газов и для чистого

пами иттербия. Не исключено, что количественные

иттербия.

данные можно будет получить при использовании

Для паров чистого иттербия эксперименты по

слабого магнитного поля, как предлагалось в рабо-

регистрации кинетики обычного ФЭ и столкнови-

те [11].

тельного ФЭ (одна кинетическая кривая показана

на рис. 1) были выполнены в одинаковых услови-

ях. Из отношения максимальных амплитуд сигна-

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

лов для обычного и столкновительного ФЭ для каж-

дого из давлений иттербия можно определить зна-

В рамках данного исследования получены ре-

чение |λ|/γ, а сам параметр анизотропии |λ| нахо-

зультаты, качественно совпадающие с представле-

дится по измеренным скоростям затухания фотон-

ниями работ [6, 11] и не противоречащие преж-

ного эха γ [4]. Оценка параметра |λ| выполнялась

ним экспериментальным результатам [1-4]. Кинети-

для диапазона давлений паров иттербия p от 13.9

ческие зависимости, в частности, для паров иттер-

до 21.5 мТорр. Этот диапазон определялся тем, что

бия, также подтверждают представления о приро-

878