Теоретическое исследование влияния рассеивающей среды, состоящей из атомов калия, на время затухания люминесцентного сигнала с использованием метода Монте-Карло

Аннотация

Решена задача о распространении люминесцентных фотонов в резонансно-поглощающей среде, состоящей из атомов исследуемого вещества и буферного инертного газа. С использованием метода Монте-Карло проведены численные эксперименты, моделирующие реальные процессы, которые происходят в камере, предназначенной для определения времени жизни индивидуального атома в возбужденном состоянии с помощью метода измерения времени затухания интенсивности люминесценции. Показано, что когда люминесцентные фотоны многократно рассеиваются (под рассеянием подразумевается процесс поглощения и переизлучения фотона атомом) в среде, время затухания люминесценции заметно увеличивается, достигая значения большего, чем среднее время жизни индивидуального атома в возбужденном состоянии. Отражение фотонов от стенок, из которых состоит камера, может приводить к возникновению погрешностей измерения времени жизни. Теоретически исследован процесс затухания люминесценции при различных отстройках частоты лазера от частоты резонансного перехода. Использованы трехуровневая модель атома и модель полного перераспределения по частотам. Описан алгоритм, основанный на методе Монте-Карло, с использованием которого моделируются трехуровневая кинетика населенностей, перенос лазерного излучения, пленение излучения и перераспределение по частотам

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Ямщиков В.М. Теоретическое исследование влияния рассеивающей среды, состоящей из атомов калия, на время затухания люминесцентного сигнала с использованием метода Монте-Карло. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2022, № 3 (102), с. 69--85. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2022-3-69-85

Литература

[1] Фриш С.Э. Оптические спектры атомов. М., ФИЗМАТГИЗ, 1963.

[2] Саутенков В.А., Аршинова И.Д., Бобров А.А. и др. Перенос излучения в атомных парах высокой плотности при различной отстройке пробного лазера от резонансного перехода. Международный научно-исследовательский журнал, 2020, № 4-1, с. 6--10. DOI: https://doi.org/10.23670/irj.2020.94.4.pre-print

[3] Huennekens J., Park H.J., Colbert T., et al. Radiation trapping in sodium-noble-gas mixtures. Phys. Rev. A, 1987, vol. 35, iss. 7, pp. 2829--2901. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.35.2892

[4] Huennekens J., Gallagher A. Radiation diffusion and saturation in optical thick Na vapor. Phys. Rev. A, 1983, vol. 28, iss. 1, pp. 238--247. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.28.238

[5] Косарев Н.И. Распад возбужденного состояния 32P3/2 атомов натрия с учетом пленения излучения. Оптика и спектроскопия, 2008, т. 104, № 1, с. 5--8.

[6] Ямщиков В.М., Рогачев В.Г., Кудряшов Е.А. и др. Перенос и пленение резонансного излучения в двухуровневой системе. Оптика и спектроскопия, 2020, т. 128, № 8, с. 1160--1164. DOI: https://doi.org/10.21883/OS.2020.08.49714.318-19

[7] Булышев А.Е., Преображенский Н.Г., Сувовров А.Е. Перенос излучения в спектральных линиях. УФН, 1988, т. 156, № 1, с. 153--176. DOI: https://doi.org/10.3367/UFNr.0156.198809g.0153

[8] Holstein T. Imprisonment of resonance radiation in gases. Phys. Rev., 1947, vol. 72, iss. 12, pp. 1212--1232. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.72.1212

[9] Биберман Л.М. К теории диффузии резонансного излучения. ЖЭТФ, 1947, т. 17, № 4, с. 416--426.

[10] Косарев Н.И. Радиационные резонансные процессы в оптически плотных средах. Дис. ... д-ра физ.-мат. наук. Красноярск, ИФ СО РАН, 2010.

[11] Арасланова М.Н., Косарев Н.И., Эльберг М.С. Допплеровское перераспределение по частотам при когерентном излучении фотонов атомами в оптически плотной среде. Оптика и спектроскопия, 2018, т. 125, № 5, с. 579--586. DOI: https://doi.org/10.21883/OS.2018.11.46813.68-18

[12] Labeyrie G., Kaiser R., Delande D. Radiation trapping in a cold atomic gas. Appl. Phys. B, 2005, vol. 81, no. 7, pp. 1001--1008. DOI: https://doi.org/10.1007/s00340-005-2015-y

[13] Baeva M., Reiter D. Monte Carlo simulation of radiation trapping in Hg--Ar fluorescent discharge lamps. Plasma Chem. Plasma Process., 2003, vol. 23, no. 2, pp. 371--387. DOI: https://doi.org/10.1023/A:1022928320970

[14] Jacques S.L., Wang L. Monte Carlo modeling of light transport in tissues. In: Welch A.J., van Gemert M.J.C. (eds). Optical-Thermal Response of Laser-Irradiated Tissue. Lasers, Photonics, and Electro-Optics. Springer, Boston, MA, Springer, 1995, pp. 73--100. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4757-6092-7_4

[15] Bogachev A.V., Garanin S.G., Dudov A.M., et al. Diode-pumped cesium vapor laser with closed-cycle laser-active medium circulation. Quantum Electron., 2012, vol. 42, no. 2, pp. 95--98. DOI: https://doi.org/10.1070/QE2012v042n02ABEH014734

[16] Wallerstein A.J. Kinetics of higher lying potassium states after excitation of the D2 transition in the presence of helium. PhD Thesis. AFIT, 2018.

[17] Крайнов В.П., Смирнов Б.М. Квантовая теория излучения атомных частиц. Долгопрудный, Интеллект, 2015.

[18] Gao F., Chen F., Xie J., et al. Comparative study of diode-pumped hydrocarbon free Rb and K vapor lasers. Opt. Laser Technol., 2014, vol. 58, pp. 166--171. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2013.11.016

[19] Daniel A. Steck Potassium D Line Data. URL: https://steck.us/alkalidata (дата обращения: 01.05.2022).

[20] Нагирнер Д.И. Лекции по теории переноса излучения. СПб., Изд-во СПбУ, 2001.

[21] Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. Элементы прикладной математики. М., Ленанд, 2018.