Do kolimacji światła pochodzącego z rozciągłych źródeł stosuje się np.: soczewkę skupiającą, w której ognisku ustawia się pinholę. Taki układ generuje duże straty. Są to straty, których nie da się wyeliminować korzystając z tradycyjnych metod optyki liniowej: soczewek, zwierciadeł, przesłon, itp.

Jeżeli jednak światło propagując się przez ośrodek, modyfikuje jego optyczne właściwości, to również sama wiązka może ulec deformacji. Mamy wtedy do czynienia z optyką nieliniową w ramach, której możliwe jest samoogniskowanie się wiązek światła. Proces ten ma miejsce wtedy, gdy wiązka światła ma niejednorodny poprzeczny rozkład natężenia i przechodzi przez ośrodek, którego współczynnik załamania światła drugiego rzędu jest większy od zera [1]. Taką nieliniową propagację światła bada się w wielu różnych materiałach takich jak ciała stałe, półprzewodniki, fotoodbijające kryształy jak również…zimne gazy atomowe.

Gazy atomowe schłodzone do temperatur bliskich zera bezwględnego, choć są przydatnym narzędziem do testowania teoretycznych hipotez, środowiskiem do badania świata kwantowego, przypominającym raczej świat fantastyki naukowej, to z perspektywy zastosowań wydają się być bezużyteczne. Okazuje się jednak,że tak być nie musi i może w narzędziach z przyszłości schłodzona chmura atomowa posłuży jako alternatywa dla tradycyjnych metod skupiania światła ze źródeł rozciągłych przestrzennie.

Aby dostrzec tę możliwość warto przyjrzeć się bliżej wynikom eksperymentu przeprowadzonego w Institut Non Linéaire de Nice we Francji[2]. W doświadczeniu wykonanym przez francuskich naukowców zastosowano chmurę atomów złożoną z około 109 atomów rubidu Rb85. Rozważano rezonansowe przejście między poziomami F=3 i F=4 struktury nadsubtelnej. Schemat układu eksperymentalnego przedstawiono poniżej

Rys. 1. przedstawia komórkę z gazem, wiązki laserowe potrzebne do pułapkowania atomów (dwie dodatkowe wiązki niepokazane na rysunku pułapkują atomy w kierunku prostopadłym do powierzchni kartki). Cewki wytwarzające pole magnetyczne pozwalające na lokalizację chmury atomów w centrum pułapki oraz wiązkę światła przechodzącą przez komórkę.

Wyniki doświadczenia pokazały (Rys.2), że pojedyncze przejście przez chmurę atomową zwiększa intensywność wiązki w kierunku propagacji dla wystarczająco wysokiej wartości współczynnika nasycenia zdefiniowanego jako s(x,y)=I(x,y)/I_sat,gdzie I(x,y) jest początkowym natężeniem wiązki I_sat. W eksperymencie dla atomów Rubidu wynosi ono I_sat=1.6 mW/cm2.

Rys. 2 Porównanie rozkładu natężenia wiązki (obraz z CCD kamery) po przejściu przez komórkę (odjęto obraz rozkładu atomów) dla różnych wartości parametru nasycenia . Skala szarości odnosi się do wartości natężenia wiązki, kolor biały odpowiada dużej wartości natężenia. Obserwuje się 25% zwiększenie natężenia wiązki dla parametru s=1340 (rys.B). Rys A odpowiada s=50.

Dla kolimacji wiązki najważniejsza jest redukcja modów,które nie są równoległe do kierunku propagacji wiązki światła. Na rysunku 3. obserwuje się widoczną redukcję tych modów.

Rys. 3 Porównanie rozkładu natężenia wiązki po przejściu przez komórkę próżniową (A) i obecności atomów (B). W górnej części rysunku przedstawia się rozkład natężenia zarejstrowany przez kamerę CCD. Dolna część pokazuje przekrój czynny przechadzacy przez oś wzdłuż centrum wiązki pokazujący rozbieżność od profilu gaussowskiego. Wartość rms tych fluktuacji ulega zredukowaniu o czynnik 3.5 w obecności atomów w komórce.

Wyniki eksperymentu wykazują,że jest możliwe, aby przy stosunkowo niedużych natężeniach wiązka początkowo rozbieżna mogła ulec kolimacji przechodząc przez układ gazów atomowych. Zalety zastosowania próbek atomowych do badania odpowiedzi ośrodka na propagującą się wiązkę światła wiążą się z faktem, że model struktury atomowej sprawdza się dla stosunkowo prostego opisu teoretycznego. Ważkim argumentem jest również brak fluktuacji w ośrodku związany z zastosowaniem wiązek o wysokiej mocy (fluktuacje dla kryształów i nadprzewodników mogą być powodem zniszczenia próbki). Warto dodać, że inne typy nieliniowości mogą pozwolić na otrzymanie kolimacji wiązki przy zastosowaniu mniejszych wartości początkowych natężenia światła. Ośrodkiem nielinowym mogą być również gazy nie koniecznie chłodzone do ekstremalnie niskich temperatur. Technologicznie są łatwiejsze do zastosowania, a fizyka związana z teoretycznym opisem jest również stosunkowo łatwa. Komplikacje związane są z poszerzeniem Dopplerowskim oraz oddziaływaniem światła z różnymi klasami prędkości. Tą trudność można ominąć tracąc na wysokiej wartości współczynnika nieliniowości będącym kluczowym atutem gazów atomowych.

Na niekorzyść używania gazów atomowych wpływa fakt, że zapewnienie odpowiednich warunków do stworzenia pułapki magnetooptycznej wygama zastosowania odpowiedniej aparatury i zapewnieniu kontroli, jaką na razie uzyskuję się przy udziale całej grupy badawczej.

I choć miniaturyzacja układu jest na razie wyzwaniem technologicznym nie do pokonania, to jednak może i tym razem sprawdzi się powiedzenie, że potrzeba jest matką wynalazku.

Referencje:
1. R. Boyd, Nonlinear optics, Academic Press, 1992.
2. G. Labeyrie, T. Ackemann, B. Klappauf, M. Pesch, G-L Lippi, R. Kaiser Eur. Phys.J. D 22, 473 (2003)

Katarzyna Targońska, 1 grudnia 2010