Rezonans wielofotonowy w układach trójpoziomowych - Berent, Michał (My University, 2012)
Dwupoziomowy model układu kwantowego stanowi fundament współczesnej optyki kwantowej. Choć z powodzeniem stosowany w przypadku rezonansu jednofotonowego załamuje się jednak, gdy w grę wchodzą wzbudzenia wielofotonowe. Silne pola, potrzebne by w procesie wielofotonowym efektywnie obsadzać poziom wzbudzony, nieuchronnie prowadzą do znaczących przesunięć starkowskich poziomów, jak również do wypływania obsadzenia do dodatkowych stanów związanych i kontinuum. Wolna od tych niedogodności jest pewna klasa układów trójpoziomowych, w których para poziomów wzbudzonych jest całkowicie lub częściowo zdegenerowana. W układach tego typu obserwujemy znaczące wzmocnienie siły wielofotonowego sprzężenia oraz zredukowanie przesunięć starkowskich poziomów. Ponadto, efekty pochodzące od innych stanów związanych i kontinuum są nieistotne dla rozsądnie wybranych natężeń pól. Co ważne, pola te zapewniają osiągnięcie pełnej inwersji obsadzeń w procesie wielofotonowym. Do tej klasy układów trójpoziomowych należą np. parzystoładunkowe homojądrowe jony molekularne postaci A2 4+, gdzie w miejsce A należy podstawić tlen, azot lub jod. W pracy doktorskiej zbadano wielofotonowe wzbudzenia w trójpoziomowych układach molekularnych z poziomami w konfiguracji Λ lub Γ. Dla takich układów opracowano analityczne formalizmy matematyczne, które następnie z powodzeniem zastosowano do opisu ewolucji obsadzeń poziomów wzbudzonych oraz widm promieniowania rozproszonego. Stwierdzono dobrą jakość opracowanych formalizmów na drodze porównania wyników jakie one dają z wynikami czysto numerycznych rozwiązań. Dla układów trójpoziomowych w konfiguracji Λ obliczono koherentne i pełne widma rozpraszania. W szczególności, wskazano na istotne różnice między tymi widmami oraz wytłumaczono dramatyczne zmiany w widmie obserwowane w warunkach dwufotonowego rezonansu między najniższymi stanami. Dla układów w konfiguracji Γ otrzymano analityczne wyrażenia na wielofotonową częstość Rabiego, przesunięcia Starka poziomów wzbudzonych jak również częstość rezonansową lasera. Zbadano możliwość uzyskiwania pełnej inwersji obsadzeń w tych układach przez pola o umiarkowanym natężeniu. Pokazano, że widmo rozpraszania światła przez układy trójpoziomowe z parą całkowicie lub częściowo zdegenerowanych poziomów wzbudzonych nie ma czysto harmonicznej struktury, lecz każda harmonika składa się z pary linii spektralnych odległych od siebie o dwukrotność wielofotonowej częstości Rabiego.

The multiphoton excitation in three-level atomic and molecular systems has been studied. For these systems with levels in either the Λ or Γ configurations an analytic formalism has been developed. This formalism was succesfully applied to describe the evolution of probabilities of excitation and the structure of the spectrum of scattered light for a broad range of frequency-intensity parameters. For the three-level system in the Λ configuration the coherent and full spectra of scattered light were calculated. The significant difference between the two were observed. Furthermore, a dramatic change in the spectrum under the two-photon resonance was explained. For the three-level systems in the Γ configuration the analytic formulas for the multiphoton Rabi frequencies and Stark shifts of the excited states were calculated as well as the condition for resonance frequency was derived. The possibility of complete population inversion in the laser field of moderate intensity was studied. It was also shown that, contrary to the common belief, the spectrum from the three-level system with nearly or completely degenerate excited states does not have pure harmonic structure but rather each harmonic consists of a pair of spectral lines separated by double the multiphoton Rabi frequency. The analytic formalism was numerically tested for various physically accesible laser intensities. The satisfactory qualitative and quantitative agreements between the analytic and numerical results were found.ΓΛ
Multiphoton resonance in three-level systems
Wydział Fizyki
Keywords: Rezonans wielofotonowy; Multiphoton resonance; Układy trójpoziomowe; Three-level systems; Przetwarzanie światła; Frequency conversion