Influence of Free Motion of Atoms on Atomic Density-Dependent Effects in Nonlinear Laser Spectroscopy of Resonant Gas Media

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

We develop a nonlinear theory of propagation of a monochromatic light wave in a gas of two-level atoms under the condition of inhomogeneous Doppler lineshape broadening, while considering a self-consistent solution of the Maxwell–Bloch equations in the mean-field approximation using a single atom density matrix formalism. Our approach shows a significant deformation of the Doppler resonant lineshape (shift, asymmetry), which depends on the atomic density. These effects are a consequence of only the free motion of atoms in a gas and is not associated with interatomic interaction. In particular, the frequency shift of the field-linear contribution to the transmission signal is more than an order of magnitude greater than the shift due to the interatomic dipole–dipole interaction, and the first nonlinear correction has an even stronger deformation, which exceeds the effect of the interatomic interaction by three orders of magnitude. The found effects caused by the free motion of atoms require a significant revision of the existing picture of spectroscopic effects, which depend on the atomic density in a gas.

About the authors

V. I Yudin

Novosibirsk State University; Institute of Laser Physics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State Technical University

Email: viyudin@mail.ru
630090, Novosibirsk, Russia; 630090, Novosibirsk, Russia; 630073, Novosibirsk, Russia

A. V Taychenachev

Novosibirsk State University; Institute of Laser Physics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: viyudin@mail.ru
630090, Novosibirsk, Russia; 630090, Novosibirsk, Russia

M. Yu Basalaev

Novosibirsk State University; Institute of Laser Physics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State Technical University

Email: viyudin@mail.ru
630090, Novosibirsk, Russia; 630090, Novosibirsk, Russia; 630073, Novosibirsk, Russia

O. N Prudnikov

Novosibirsk State University; Institute of Laser Physics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: viyudin@mail.ru
630090, Novosibirsk, Russia; 630090, Novosibirsk, Russia

V. G Pal'chikov

All-Russian Research Institute of Physical and Radio Engineering Measurements; National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)

Email: viyudin@mail.ru
141570, Mendeleevo, Moscow region, Russia; 115409, Moscow, Russia

T. Zanon-villett

Sorbonne Université, Observatoire de Paris, Université PSL

Email: viyudin@mail.ru
CNRS, LERMA, F-75005, Paris, France

S. N Bagaev

Novosibirsk State University; Institute of Laser Physics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: viyudin@mail.ru
630090, Novosibirsk, Russia; 630090, Novosibirsk, Russia

References

  1. В. С. Летохов, В. П. Чеботаев, Принципы нелинейной лазерной спектроскопии, Наука, М. (1975)
  2. V. S. Letokhov and V. P. Chebotayev, Nonlinear Laser Spectroscopy, Springer Ser. Opt. Sci., Springer, Berlin, Heidelberg (1977), v. 4.
  3. С. Г. Раутиан, Г. И. Смирнов, А. М. Шалагин, Нелинейные резонансы в спектрах атомов и молекул, Наука, М. (1979).
  4. В. Демтредер, Современная лазерная спектроскопия, ИД Интеллект, Долгопрудный (2014)
  5. W. Demtr¨oder, Laser Spectroscopy, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2014).
  6. С. Стенхольм, Основы лазерной спектроскопии, Мир, М. (1987)
  7. S. Stenholm, Foundations of laser spectroscopy, Wiley & Sons, N.Y. (1984).
  8. В. С. Летохов, В. П. Чеботаев, Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения, Наука, М. (1990).
  9. F. Riehle, Frequency Standards: Basics and Applications, Wiley-VCH, Weinheim (2005).
  10. J. Vanier and C. Tomescu, The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards, CRC Press, Boca Raton, FL (2015).
  11. R. Friedberg, S. Hartmann, and J. Manassah, Phys. Rep. 7, 101 (1973).
  12. E. Lewis, Phys. Rep. 58, 1 (1980).
  13. H. A. Lorentz, The Theory of Electrons and Its Applications to the Phenomena of Light and Radiant Heat, Dover, N.Y. (2011).
  14. A. P. Kazantsev, Sov. Phys. JETP 24, 1183 (1967).
  15. Yu. A. Vdovin and V. M. Galitskii, Sov. Phys. JETP 25, 894 (1967).
  16. Yu. A. Vdovin and N. A. Dobrodeev, Sov. Phys. JETP 28, 544 (1969).
  17. R. P. Srivastava and H. R. Zaidi, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 16, 301 (1976).
  18. M. Fleischhauer and S. F. Yelin, Phys. Rev. A 59, 2427 (1999).
  19. S. Giovanazzi, A. G¨orlitz, and T. Pfau, Phys. Rev. Lett. 89, 130401 (2002).
  20. R. L¨ow, R. Gati, J. Stuhler, and T. Pfau, Europhys. Lett. 71, 214 (2005).
  21. T. Lahaye, C. Menotti, L. Santos, M. Lewenstein, and T. Pfau, Rep. Prog. Phys. 72, 126401 (2009).
  22. Ya. A. Fofanov, A. S. Kuraptsev, I. M. Sokolov, and M. D. Havey, Phys. Rev. A 84, 053811 (2011).
  23. R. Friedberg and J. T. Manassah, Phys. Rev. A 84, 023839 (2011).
  24. L. Weller, R. J. Bettles, P. Siddons, C. S. Adams, and I. G. Hughes, J. Phys. B 44, 195006 (2011).
  25. I. M. Sokolov, D. V. Kupriyanov, and M. D. Havey, JETP 112, 246 (2011).
  26. J. Keaveney, A. Sargsyan, U. Krohn, I. G. Hughes, D. Sarkisyan, and C. S. Adams, Phys. Rev. Lett. 108, 173601 (2012).
  27. J. Javanainen, J.Ruostekoski, Y. Li, and S.-M. Yoo, Phys. Rev. Lett. 112, 113603 (2014).
  28. J. Pellegrino, R. Bourgain, S. Jennewein, Y. R. P. Sortais, A. Browaeys, S. D. Jenkins, and J.Ruostekoski, Phys. Rev. Lett. 113, 133602 (2014).
  29. S. E. Skipetrov and I. M. Sokolov, Phys. Rev. Lett. 112, 023905 (2014).
  30. R. J. Bettles, S. A. Gardiner, and C. S. Adams, Phys. Rev. A 92, 063822 (2015).
  31. M. O. Scully, Phys. Rev. Lett. 115, 243602 (2015).
  32. A. A. Svidzinsky, F. Li, H. Li, X. Zhang, C. H. Raymond Ooi, and M. O. Scully, Phys. Rev. A 93, 043830 (2016).
  33. R. J. Bettles, S. A. Gardiner, and C. S. Adams, Phys. Rev. Lett. 116, 103602 (2016).
  34. S. D. Jenkins, J.Ruostekoski, J. Javanainen, R. Bourgain, S. Jennewein, Y. R. P. Sortais, and A. Browaeys, Phys. Rev. Lett. 116, 183601 (2016).
  35. S. D. Jenkins, J.Ruostekoski, J. Javanainen, S. Jennewein, R. Bourgain, J. Pellegrino, Y. R. P. Sortais, and A. Browaeys, Phys. Rev. A 94, 023842 (2016).
  36. A. S. Kuraptsev and I. M. Sokolov, Phys. Rev. A 94, 022511 (2016).
  37. M. Wenzel, F. B¨ottcher, T. Langen, I. Ferrier-Barbut, and T. Pfau, Phys. Rev. A 96, 053630 (2017).
  38. T. Peyrot, Y. R. P. Sortais, A. Browaeys, A. Sargsyan, D. Sarkisyan, J. Keaveney, I. G. Hughes, and C. S. Adams, Phys. Rev. Lett. 120, 243401 (2018).
  39. A. S. Kuraptsev and I. M. Sokolov, Phys. Rev. A 101, 033602 (2020).
  40. D. E. Chang, J. Ye, and M. D. Lukin, Phys. Rev. A 69, 023810 (2004).
  41. L. Ostermann, H. Zoubi, and H. Ritsch, Opt. Express 20, 29634 (2012).
  42. L. Ostermann, H. Ritsch, and C. Genes, Phys. Rev. Lett. 111, 123601 (2013).
  43. S. Kr¨amer, L. Ostermann, and H. Ritsch, Europhys. Lett. 114, 14003 (2016).
  44. L. Henriet, J. S. Douglas, D. E. Chang, and A. Albrecht, Phys. Rev. A 99, 023802 (2019).
  45. А. А. Заболотский, ЖЭТФ 158, 594 (2020).
  46. А. И. Трубилко, А. М. Башаров, Письма в ЖЭТФ 111, 798 (2020).
  47. А. А. Бобров, С. А. Саакян, В. А. Саутенков, Б. Б. Зеленер, Письма в ЖЭТФ 114, 604 (2021).
  48. A. S. Kuraptsev and I. M. Sokolov, Phys. Rev. A 105, 063513 (2022).
  49. V. I. Yudin, A. V. Taichenachev, M. Yu. Basalaev, O. N. Prudnikov, and S. N. Bagayev, J. Opt. Soc. Am. B 39, 1979 (2022).
  50. R. H. Dicke, Phys. Rev. 89, 472 (1953).
  51. V. V. Batygin and I. M. Sokolov, Phys. Lett. A 108, 29 (1985).
  52. H. Dinesan, S. Gravina, C. Clivati, A. Castrillo, F. Levi, and L. Gianfrani, Metrologia 57, 065001 (2020).
  53. S. Gravina, C. Clivati, N. A. Chishti, A. Castrillo, E. Fasci, F. Bertiglia, G. Lopardo, A. Sorgi, N. Coluccelli, G. Galzerano, P. Cancio Pastor, F. Levi, and L. Gianfrani, J. Phys.: Conf. Ser. 2439, 012015 (2023).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Российская академия наук

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».