Лазерное охлаждение

Принцип действия магнито-оптической ловушки (МОЛ) основан на комбинации лазерного охлаждения в конфигурации трех пар встречных лазерных пучков и линейного неоднородного магнитного поля, создаваемого парой катушек Гельмгольца в конфигурации с обратными токами (рисунок 1). Лазерное поле обеспечивает силу трения, зависящую от скорости атомов и приводящую к охлаждению, а магнитное поле создает возвращающую силу, зависящую от положения атомов.

mot 2

 

Рисунок 1 - комбинация лазерного охлаждения в конфигурации трех пар встречных лазерных пучков и линейного неоднородного магнитного поля, создаваемого парой катушек Гельмгольца в конфигурации с обратными токами

Лазерное охлаждение основано на действии силы радиационного давления, возникающей в результате передачи импульса ħk от световой волны к атому в цикле поглощения и последующего спонтанного излучения. При этом очевидно, что торможение атома будет происходить в результате взаимодействия со встречной волной. Кроме того, нужно учесть, что поглощение лазерного излучения атомом зависит от отстройки частоты атомного перехода и лазера, а в силу эффекта Доплера и от скорости атома. Таким образом, охлаждение атомов в одном пространственном направлении достигается в поле двух встречных лазерных волн, отстроенных ниже частоты атомного перехода (красная отстройка).

Отметим, что охлаждение достигается за счет большого числа циклов «поглощения-спонтанного излучения». Это означает, что для реализации лазерного охлаждения атом должен обладать особой схемой уровней, такой чтобы после цикла «поглощение-излучение» атом всегда возвращался в начальное состояние. Атомы 85Rb, например, имеют подходящий замкнутый переход между состояниями 5S1/2 F=3 и 5P3/2 F=4 (рисунок 2 (a) и (b)). Переходы из возбужденного состояния в состояния 5P1/2 запрещены по четности, а распад в состояние 5S1/2 F=2 требует изменения углового момента на −2, а для этого необходим более чем один фотон (рисунок 3 (c) и (d)). Однако поскольку для охлаждения требуется отстройка лазерного излучения от частоты атомного перехода, существует некоторая вероятность возбуждения атома в состояние 5P3/2 F=3 (раз в 1000 циклов). Если атом возбуждается в это состояние, он может распасться в состояние 5S1/2 F=3 или в «темное» состояние 5S1/2 F=2. В последнем случае атом перестает совершать циклические переходы и охлаждение заканчивается. Для продолжения охлаждения необходимо использовать дополнительный лазер перенакачки резонансный переходу 5S1/2 F=2 → 5P3/2 F=3.

mot 3

 

Рисунок 2 – схема поглощения атомов 85Rb

Учитывая многоуровневость атомов сила радиационного давления может быть пространственно промодулирована за счет использования света круговой поляризации и градиента магнитного поля, создаваемого двумя катушками. Рассмотрим это на примере одномерной ловушки (рисунок 3). Она состоит из двух встречных лазерных пучков с противоположными круговыми поляризациями, взаимодействующих с переходом между уровнями с Jg = 0 и Je = 1. Кроме того, на атомы действует статическое магнитное поле, величина которого пропорциональна расстоянию x от центра ловушки x=0: B = bx.

mot 4

 

Рисунок 3 – пример одномерной ловушки

 

Пусть при нулевом магнитном поле лазерные поля отстроены на величину δ ниже атомного перехода между уровнями Jg = 0 и Je = 1. В магнитном поле происходит расщепление и сдвиг уровней атома (эффект Зеемана). В результате, уровень Je=1 расщепляется на три подуровня с Me = 0 и Me = ±1. В области x >0, где B >0, уровень Me = +1 сдвигается вверх, в то время как уровень Me = -1 сдвигается вниз. Слева от центра ловушки наблюдается противоположная картина. Таким образом, в точке x+ справа от центра ловушки магнитное поле подстраивает ближе к резонансу переход с ΔM = -1, а переход с ΔM = +1 оказывается отстроенным дальше от резонанса.

Для того чтобы захватить атомы в центре ловушки, где магнитное поле равно нулю, необходимо организовать взаимодействие атомов с лазерным полем таким образом, чтобы оно толкало их в направлении x=0.

Известно, что эффективность взаимодействия с полем атомов в состояниях Me= ±1 зависит от направления их движения и поляризации поля. Так, атомы в состоянии Me= -1 наиболее эффективно взаимодействуют с поляризацией σ+, если они движутся в направлении лазерного пучка, и с σ-, если движутся навстречу пучку. Для состояния Me= +1 все происходит наоборот. Тогда, для того чтобы на атомы действовала сила, толкающая их к центру ловушки, необходимо выбрать поляризацию лазерного пучка, падающего справа, σ-, а слева σ+. В этом случае атомы, двигающиеся в положительном направлении оси x, будут эффективно взаимодействовать с волной σ-, рассеивая из нее свет и получая импульс в направлении противоположном их движению. Атомы, двигающиеся в противоположном направлении, будут слабо взаимодействовать с обеими волнами, до тех пор, пока не попадут в область слева от начала координат, где уровни Me= ±1 меняются ролями. Теперь больше света рассеивается из волны σ+, приводя опять к возникновению силы, толкающей атомы к центру.

Эксперименты с МОЛ

МОЛ обеспечивает предварительное охлаждение ансамбля атомов для получения конденсатов Бозе-Эйнштейна и вырожденных Ферми газов, для прецизионной спектроскопии и стандартов частоты на основе атомного фонтана. Несмотря на значительный прогресс в охлаждении атомарных газов проблема охлаждения ансамблей сложных частиц остается актуальной. В связи с этим ведется поиск универсальных методов охлаждения, не зависящих от внутренней структуры частиц. В частности, перспективным считается применение метода обратной связи, основанного на измерении сигнала обратного брэгговского рассеяния [J. Phys. B 47, 135303 (2014); JETP Lett. 100, 536 (2014); JETP (2015)]. На этапе разработки метода целесообразно использование в качестве тестовых частиц атомы, предварительно охлажденные в МОЛ. Такое применение, имеющейся в РЦ ОЛМИВ МОЛ, предполагается, например, в проекте 11.38.640.2013 в рамках Мероприятия 2.

Дополнительная информация:

Курс «Лазерное охлаждение и бозе-эйнштейновский конденсат» доц. Голубева Татьяна Юрьевна 1-й год магистратуры (5 курс) Физический факультет, СПбГУ

Курс «Нелинейная оптика» доц. Крылов Игорь Ратмирович Лазерное охлаждение для студентов 5-го курса кафедры общей физики 1 физического факультета СПбГУ

Laser Cooling and Trapping for Advanced Teaching Laboratories (miniMOT_Supplement.pdf)

D.A. Ivanov, T.Yu. Ivanova Bragg-reflection-based feedback cooling of optically trapped particles J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 47, 135303 (2014)

D. A. Ivanov, T. Yu. Ivanova Feedback-enhanced self-organization of atoms in an optical cavity Письма в ЖЭТФ, 2014, том 100, выпуск 7, 536–541

Фемтосекундный лазерный комплекс на основе двух синхронизированных лазеров Mira Optima 900-D (Coherent).

femto

 

В тех случаях, когда исследования требуют временного разрешения в пико- и фемтосекундном диапазоне, обычные электронные средства регистрации не могут обеспечить столь быстрого отклика. Для этих задач была развита техника (pump-probe), использующая быструю накачку (или опустошение) исследуемого состояния импульсами фемто- пикосекундных лазеров с синхронизацией мод и зондирование этого состояния синхронизованным во времени лазерным импульсом с контролируемой задержкой. Задержка с фемто- пикосекундной точностью производится изменением путей распространения накачивающего и зондирующего импульсов. Существуют различные варианты этой техники - абсорбционнные, флюоресцентные, фотоионизационные, их комбинации.

Для исследовательских работ по: фемтосекундной спектроскопии методами накачки-зондирования, фотохимии и биохимии быстропротекающих процессов, нелинейно-оптическим процессам в конденсированных средах и на поверхностях, двухквантовой фотофизики и фоотохимии, синтезу и структурированию новых материалов, генерации суперконтнуума в фотоннокристаллических материалах и применении его в метрологии и спектроскопии, нелинейным процессам в комбинационном рассеянии и в других исследованиях, методики которых требуют применения перестраиваемых в широком спектральном диапазоне ультракоротких световых импульсов, предназначен лазерный комплекс, состоящий из двух идентичных линий, способных работать в как в фемто-, так и в пикосекундном режиме независимо друг от друга и в режиме взаимной или внешней синхронизации. Комплекс размещен на виброизолированной платформе в ламинарной зоне в помещении 102.

 

В состав каждой линии входят:

Фемтосекундный/ пикосекундный лазер на титан-сапфире Mira Optima 900-D фирмы “Coherent”, работающий по принципу пассивной синхронизации мод в системе с наведенной Керровской линзой в активной среде и щелью, вносящей потери для постоянной генерации. Разработчики фирмы “Coherent” рассматривают такую систему как разновидность насыщающегося поглотителя. Схема резонатора изображена на рис.1.

femto0

Рисунок 1 Схема резонатора лазера Mira Optima 900-D

Перестройка из фемто- в пикосекундный режим производится при выведении из резонатора призмы компенсатора групповой скорости P1 и замене двулучепремляющего фильтра Лио BRF.

Перестройка длины волны производится поворотом фильтра Лио. Перестроечные кривые для фемто- и пикосекундного режимов показаны на рис.2.

femto1

Рисунок 2 – Перестроечные кривые лазера Mira Optima 900-D

Для накачки Mira Optima 900-D используются 10-и Ваттные одночастотные кольцевые лазеры Verdi V10 фирмы“Coherent” с диодной накачкой допированного неодимом ванадата иттрия и внутрирезонаторным удвоением на термостатированном кристалле трибората лития.

Основные характеристики лазеров Verdi V10:

Длина волны 532 нм

Выходная мощность – не менее 10 Вт

Ширина линии кратковременная (50 мс) не более 5 МГц.

Диаметр пучка –2.25 мм ±10% (по уровню 1/е на расстоянии 0,5м от выхода.

Расходимость пучка, полный угол – не более 0.5 мрад.

Параметр качества пучка М² не более 1.1.

Угловая температурная стабильность пучка от 25°С до 35°С – не более 2 мкрад/°С.

Флуктуации мощности пучка – не более ±1% от уровня излучаемой мощности (за 2 часа).

Шум в диапазоне 10 Гц – 1 ГГц (rms) – не более 0.03% от уровня излучаемой мощности.

Поляризация излучения – вертикальная >100:1.

Информация на сайте производителя

При накачке высокостабильными лазерами Verdi титан-сапфировые лазеры Mira Optima 900-D обеспечивают одномодовую (ТЕМ00) генерацию фемтосекундных импульсов с длительностью не более 200 фс или пикосекундных импульсов с длительностью не более 3 пс при частоте повторения 76 МГц и следующие параметры излучения:

Флуктуации мощности пучка – не более ±3% от уровня излучаемой мощности.

Шум в диапазоне 10 Гц – 20 МГц (rms) не более 0,1% от уровня излучаемой мощности.

Диаметр пучка –0.8±0.2 мм (по уровню 1/е на выходе).

Расходимость пучка, полный угол – 1.7±0.3 мрад.

Параметр качества пучка М² не более 1.1.

Поляризация излучения горизонтальная.

Информация на сайте производителя

Для разреживания частоты следования импульсов фемтосекундных лазеров Mira Optima 900-D применяется Брегговский акусто-оптический модулятор, разработанный фирмой A P E Angewandte Physik & Elektronik GmbH для лазеров с синхронизацией мод по внутрирезонаторной технологии pulseSwitch, что, в отличие от обычных внерезонаторных разреживателей, повышает мощность импульса в несколько раз, существенно повышая эффективность генерации гармоник.

Информация на сайте производителя

Информация на сайте производителя

Перестроечная кривая разреживателя pulseSwitch приведена на рисунке 3. При необходимости модулятор может использоваться и как внерезонаторный (режим pulse picker).

femto2

Рисунок 3 – Перестроечная кривая генерации Mira Optima 900-D в фемтосекундном режиме с акустооптическим разреживателем pulseSwitch

Эффективность накопления мощности импульса на высоких частотах снижается. Эта зависимость показана на рисунке 4. Диапазон частот повторения импульсов для фемтосекундной конфигурации 200 Гц - 9 МГц, для пикосекундной конфигурации 200 Гц - 4 МГц. Имеется возможность генерации единичного импульса по внешнему триггеру.

femto3

Рисунок 4 – Частотные зависимости эффективности разреживателя импульсов по технологии pulseSwitch в фемто- и пикосекундом режимах

Дисперсионное сжатие импульсов фемтосекундных лазеров по длительности производится призменными компрессорами Mira SPO-I фирмы “Coherent”, которые обеспечивают длительность импульса излучения на выходе – не более 70 фс в рабочем диапазоне длин волн (рис.5).

femto4

Рисунок 5 – Автокорреляционная функция импульса Mira Optima 900-D в фемтосекундном режиме после дополнительного сжатия компрессором Mira SPO-I

Два лазера Mira Optima 900-D можно синхронизовать с помощью устройства Synchrolock-AP фирмы “Coherent” в режиме «Master-Slave», причем как «Master» может работать внешний генератор на частоте близкой к частоте лазерных резонаторов. Синхронизованные последовательности импульсов в двух каналах можно смещать по времени в пределах периода их следования - 13 нс с точностью 22 фс. Картина, отражающая дрожание временной привязки синхронизованных лазеров приведена на рисунке 6.

femto5

Рисунок 6 – Кратковременный джиттер импульсов в двух синхронизованных каналах

Информация на сайте производителя

Преобразователи излучения лазеров Mira Optima 900-D на нелинейных оптических кристаллах обеспечивают удвоение частоты входного излучения в диапазоне длин волн 680 - 1080 нм с эффективностью преобразования во вторую гармонику для фемтосекундной конфигурации не менее 40% от мощности входного импульса, а для пикосекундной конфигурации – не менее 15% мощности.

Информация на сайте производителя

В целях расширения диапазона перестраиваемого по спектру лазерного излучения для осцилляторов Mira Optima 900-D фирмой A P E Angewandte Physik & Elektronik GmbH разработан параметрический генератор Mira-OPO Model VIS S1 (PP-Automatic), который позволяет продлить спектральный диапазон генерации в ИК область до 1600 нм и перекрыть участок в видимом диапазоне спектра 540-680 нм.

Параметрический генератор является синхронно накачиваемым резонатором с нелинейным кристаллом, на котором импульс волны накачки (титан-сапфирового лазера) преобразуется в две волны меньших частот – сигнальную (signal) и холостую (idler). При этом для сигнальной волны должно обеспечиваться время обхода резонатора, равное периоду следования импульсов накачки. Преобразование происходит на периодически поляризованном кристалле, обеспечивающем фазовый квазисинхронизм в широком спектральном диапазоне. В этом же устройстве происходит преобразование сигнальной волны в ее вторую гармонику. Для эффективной генерации излучения второй гармоники сигнальной волны резонатор закольцовывается. Перестроечная кривая показана на рис.7. Модификации Mira-OPO Model VIS S1 с накачкой от титан-сапфирового лазера Mira Optima 900-D, накачиваемого лазером Verdi V10, соответствует сплошная синяя кривая. В данной конфигурации выход холостой (idler) волны (длина волны около 3 мкм) не предусмотрен, но опционально возможен.

femto6

Рисунок 7 – Перестроечные кривые для сигнальной волны (справа) и ее второй гармоники (слева) параметрического генератора Mira-OPO Model VIS S1

Информация на сайте производителя

Информация на сайте производителя

Для исследования кинетики фотохимических процессов, для кинетической люминесценцентной спектроскопии, предназначен импульсный твердотельный лазер ближнего УФ диапазона (355нм) с диодной накачкой и модулированной добротностью Matrix 355-1-60 фирмы "Coherent", работающий на частоте до 80 кГц, со средней мощностью более 1 Вт (2 Вт при оптимальной частоте около 20 кГц) и длительностью импульса менее 25 нс. Узкий пучок с одной поперечной модой TEM00 – 0,23 мм на выходе при расходимости менее 3 мрад, высокая стабильность мощности 2% за 8 ч делают это устройство привлекательным для задач лазерного структурирования, модификации и обработки материалов с микрометрической точностью.

Информация на сайте производителя

Информация на сайте производителя

Для применений, требующих мощного импульсного излучения Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), Laser Induced Plasma Spectroscopy (LIPS), лазерная абляция, очистка поверхностей, исследования лучевой прочности материалов, лазерный химический синтез, предназначен твердотельный импульсный Nd:YAG лазер на 1064 нм. с ламповой накачкой и модуляцией добротности SpitLight 2000-50 фирмы “InnoLas”. Лазер построен по схеме осциллятор-предусилитель-усилитель. Стержни осциллятора и предусилителя накачиваются одной Xe лампой, стержень основного усилителя двумя лампами. Это обеспечивает высокое качество пучка лазерного излучения и его стабильные энергетические параметры. Частота повторения импульсов оптимизирована на 50 Гц, но лазер может работать от 1 до 100 Гц и в режиме сдвоенных импульсов.

Энергия в импульсе – не менее 2 Дж.

Длительность импульса – не более 6-8 нс.

Стабильность энергии импульса на уровне 1%

Диаметр пучка 8 мм

Расходимость пучка – менее 0,5 мрад

Поперечный уход пучка ± 50 мкрад

Информация на сайте производителя

Для лазерных спектроскопических исследований, требующих предельно узкой ширины линии возбуждения, например для спектроскопии комбинационного рассеяния света, предназначен непрерывный одночастотный перестраиваемый лазер на кристалле титан-сапфира MBR 110 фирмы "Coherent". Это моноблочный кольцевой лазер с высокой стабильностью. Диапазон перестройки при накачке излучением 532 нм лазера Verdi G5 фирмы "Coherent" 720 - 940 нм. Перестроечные кривые лазера показаны на рис.8.

Диапазон автоматического сканирования не менее 30 ГГц со скоростью 8ГГц/сек.

Ширина линии генерации - не более 75 кГц.

Расходимость пучка излучения - не более 4 мрад.

Поперечные моды пучка излучения - одна мода TEM00.

Поляризация - горизонтальная.

Шумы (rms) - не более 2% от уровня излучаемой мощности.

femto7

Рисунок 8 – Перестроечные кривые для узкополосного лазера MBR 110

Информация на сайте производителя

Спектроскопия люминесценции

Отличие люминесцентной спектроскопии от других спектроскопических методик состоит в том, что регистрируемая спектральная зависимость является функцией двух переменных - длины волны возбуждения λex и длины волны испускания λem. Если λex поддерживается постоянной, а λem сканируется, то измеряется спектр люминесценции (спектральная зависимость интенсивности люминесцентного испускания от длины волны). Если сканируется λex при постоянной λem, то получается спектр возбуждения люминесценции (спектральная зависимость эффективности возбуждения люминесценции от длины волны).

Люминесцентные методы включают в себя исследования с использованием флуоресценции (флуориметрия) и фосфоресценции (фосфориметрия). Наиболее широко люминесцентные измерения используются как методы анализа и контроля за протеканием химических и биохимических реакций, а также для кинетических исследований быстрых реакций электронно-возбужденных молекул.

Применение люминесценции для аналитических целей включает широкую область использования ее для идентификации веществ, для обнаружения малых концентраций веществ, для контроля изменений, претерпеваемых веществом, для определения степени чистоты веществ. Широко применяются измерения люминесценции при изучении кинетики обычных химических реакций. Высокая чувствительность метода позволяет фиксировать малую степень превращения веществ, а иногда по люминесценции промежуточных соединений становится возможным установить механизм химической реакции.

Люминесцентные методы используются в биологии, в частности для исследования структуры белков методом флуоресцентных зондов и меток. Успешно применяются лю-минесцентные измерения при изучении быстрых реакций электронно-возбужденных молекул. В результате протекания таких реакций интенсивность флуоресценции исходного соединения уменьшается, происходит «тушение» флуоресценции. Реакции тушения конкурируют с дезактивацией возбужденных молекул по другим механизмам. Так как время затухания флуоресценции порядка 10-8 с, флуоресцентные методы обычно применяют для изучения кинетики быстрых реакций возбужденных молекул, протекающих за время 10-7–10-10 с.

lum1

Спектр люминесценции нанопорошка YVO4:Eu 8 ат.% (λex = 300 нм)

Обзоры и методики


В разработке


Оборудование

Спектрофлуориметр Fluorolog-3

Флуоресцентный спектрометр Lumina


Контакты

Ведущий специалист по оптическому оборудованию Шимко Александр Анатольевич

Специалист по спектрофлуориметрии Колесников Илья Евгеньевич

Специалист по оптическому оборудованию Михайлова Александра Александровна

Специалист по спектроскопии и гранулометрии Поволоцкая Анастасия Валерьевна


Измерение потенциала диффузного слоя (Дзета потенциала)

Мельчайшие частицы или коллоиды диспергированные в растворе несут каждый положительный или отрицательный заряд. Они окружены ионами с противоположными знаками и подвержены тепловому движению. Когда к раствору приложено электрическое поле частицы передвигаются по направлению к потенциалу противоположного их заряду. Скорость передвижения частиц пропорциональна величине электрического заряда. При облучении раствора светом лазера во время движения частиц, можно наблюдать рассеянный свет, который создает Доплеровский сдвиг соответствующий скорости перемещения. Другими словами, потенциал диффузного слоя (Дзета потенциал) изменяется путем детектирования величины сдвига частоты в рассеянном свете.

dzeta1

Не смотря на то, что было разработано несколько методов измерения Дзета потенциала, анализатор SZ100 использует электрофорез. В данном методе, частицы образца находятся во взвешенном состоянии в растворе (индекс преломления раствора n) подвергаются воздействию лазерного света (длина волны λ) и приложенного электрического поля (напряженность E). После измерения частотного сдвига на угол θ, прикладывается электрическое поле, и формируется следующее уравнение между скоростью движения частиц (V) и мобильностью (U=V/E):

dzeta3

Данное уравнение используется для взаимосвязи подсчитанной электрической мобильности и Дзета потенциала.

dzeta2


dzeta4

где ζ – Дзета потенциал, U – Электрическая мобильность, E – напряжение, η – вязкость раствора, f(ka) – коэффициент Генри


Обзоры и методики


В разработке


Оборудование

Лазерный анализатор размера частиц SZ100


Контакты

Ведущий специалист по оптическому оборудованию Шимко Александр Анатольевич

Специалист по спектроскопии и гранулометрии Поволоцкая Анастасия Валерьевна

Специалист по оптическому оборудованию Михайлова Александра Александровна


Динамическое рассеяние света

     Динамическое рассеяние света – метод измерения размеров мельчайших частиц. Диспергированные частицы, взвешенные в растворе, перемещаясь благодаря Броуновскому движению, взаимодействуют с лазерным лучом, рассеяние лазерного света детектируется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ).

clr1

     Большие частицы при Броуновском движении имеют меньшую скорость по сравнению с более мелкими. Рассеянный свет от частиц детектируется как сигнал с флуктуациями соответствующими скоростям Броуновского движения частиц. Полученный сигнал анализируется с помощью корреляционной спектроскопии, рассчитывается автокорреляционная функция и на этом основании строится распределение частиц по размерам. Связь между автокорреляционной функцией и диаметром наночастиц:

crl2

     Расчет автокорреляционной функции строится на сравнении между интенсивностью рассеянного света в данное время (t) и интенсивностью после (t + Dt). Для больших частиц, чья скорость меньше и перемещение во времени (t) меньше. Для маленьких частиц, чья скорость больше, перемещение в пространстве тоже большое. Изменение диаграммы, следующее из скорости движения частицы, определено количественно, как коэффициент диффузии, а диаметр частиц (d) рассчитывается из коэффициента дисперсии используя уравнение Эйнштейна-Стокса.

 

Обзоры и методики

 

В разработке

 

Оборудование

Лазерный анализатор размера частиц SZ100

 

Контакты

Ведущий специалист по оптическому оборудованию Шимко Александр Анатольевич

Специалист по спектроскопии и гранулометрии Поволоцкая Анастасия Валерьевна