Самоиндуцированная прозрачность - эффект прохождения коротких
мощных импульсов когерентного оптич. излучения без потерь энергии через
среду, резонансно поглощающую непрерывное излучение или длинные импульсы.
Самоиндуцированная прозрачность относится к когерентным резонансным эффектам: её наблюдение возможно
только при условии, что длительность импульса
значительно меньше времён релаксации (для разреженных газов
10-7-10-8
с, для конденсиров. сред
10-11-10-12
с). В этом случае релаксац. процессы не успевают нарушить фазовые соотношения
между полем и нестационарным резонансным откликом вещества, вследствие
чего энергия, поглощённая средой на переднем фронте импульса с достаточно
высокой интенсивностью, может быть полностью возвращена импульсу на его
заднем фронте за счёт процессов индуциров. испускания. Тем самым
самоиндуцированная прозрачность принципиально отличается от просветления среды, связанного с некогерентным
эффектом насыщения - выравниванием заселённостей основного и возбуждённого
состояний (см. Просветления эффект ).
Эффект самоиндуцированной прозрачности был предсказан
С. Л. Мак-Коллом (McCall S. L.) и Э. Ханом (Е. Hahn) в 1965 и наблюдался
ими в 1967.
Возможность проявления самоиндуцированной прозрачности обусловлена колебат. характером динамики
квантовых переходов в резонансном поле в отсутствие релаксации (т. е. в
течение времени
см. Двухуровневая система ).Частицы вещества, первоначально находившиеся
в ниж. энергетич. состоянии
,
под действием импульса когерентного эл--магн. излучения, частота к-рого
w совпадает с частотой перехода между квантовыми уровнями а и b, переходят
в когерентную суперпозицию состояний
поглощая при этом часть энергии поля. Т. к. предположительно когерентность
взаимодействия не нарушается релаксац. процессами (т. к.
),
то в определ. момент частицы оказываются в верх. состоянии
, а затем постепенно переходят в ниж. состояние
, возвращая полю в процессе индуцированного испускания запасённую ранее
энергию. Под действием последующих частей импульса процесс обмена энергией
между полем и веществом повторяется. Если амплитуда и длительность импульса
таковы, что по его окончании все резонансные частицы оказываются в исходном
невозбуждённом состоянии, то такой импульс проходит через среду без потери
своей энергии.
В оптически тонких средах влияние вещества на поле невелико: оно сказывается лишь в небольшом изменении формы импульса. В частности, возможно появление неглубокой амплитудной модуляции с частотой Раби, определяемой амплитудой импульса на входе в среду (см. Оптическая нутация).
Эффект самоиндуцированной прозрачности возникает в оптически плотных средах, когда влияние вещества
на поле значительно, и представляет собой один из возможных режимов когерентного
распространения коротких импульсов в резонансных средах. Его простейшее
описание основано на использовании волнового ур-ния для медленно меняющейся
амплитуды электрич. поля импульса A(t, z) (полное поле
+ к. с.) и уравнений для матрицы плотности двухуровневой системы, записанных
в предположении, что длительность импульса
намного меньше времён продольной Т1 и поперечной Т2релаксации.
Режим прохождения импульса через резонансно поглощающую среду определяется
его «площадью»
где-
матричный элемент электрич. дипольного момента двухуровневой системы. Параметр
отражает состояние среды в данной точке после прохождения импульса. В частности,
при
(n
= 0, 1, 2,...) процесс обмена энергией между полем и веществом заканчивается
возвратом резонансных частиц в исходное невозбуждённое состояние.
Рис. 1. Зависимость «площади» импульса
от
.
Для возбуждённого образца
развивается в направлении - z (z изменяется в единицах
).
Для
справедлива т. н. теорема площадей, графическое представление к-рой дано
на рис. 1. В случае, когда частота импульса совпадает с центральной частотой
w0,
симметричной неоднородно уширенной линии, «теорема площадей» выражается
ф-лой
где
- значение
на входе в среду, К =
N - плотность резонансных частиц, g(0) - значение функции распределения
собств. частот
в максимуме. Параметр К имеет смысл коэф. затухания слабых импульсов с
Пропускание коротких импульсов средой зависит от их площади. При
импульсы затухают на расстоянии в неск. длин поглощения, равных К-1(рис.
1, 2, слева). Режим самоиндуцированной прозрачности реализуется, если входная площадь импульсов превышает
пороговое значение
Рис. 2. Эволюция формы импульса при распространении в поглощающей
резонансной сфере: слева - при
справа - при
Начальная форма импульса - гауссова.
В этом случае по мере распространения импульса «площадь» его
стремится к ближайшему стабильному значению
(n = 1, 2, 3,...), т. е. формируются т. н.
-импульсы,
проходящие через среду без потерь.
При
на расстояниях порядка неск. длин поглощения формируются стационарные
-импульсы,
имеющие симметричную форму, к-рая при дальнейшем распространении не изменяется
(рис. 2, справа). Такие импульсы представляют собой солитоны оптические.
Форма солитона определяется ф-лой
где v - групповая скорость распространения стационарного импульса,
связанная с длительностью импульса
в отсутствие неоднородного уширения линии поглощения эта связь выражается
ф-лой
Видно, что стационарные импульсы «бегут» со скоростью, меньшей скорости света с. Значение v уменьшается с увеличением коэф. поглощения К п длительности импульса и может отличаться от с на 3-4 порядка. Это замедление импульсов обусловлено пост. эфф. обменом энергией между полем и веществом и является характерной особенностью Ссамоиндуцированной прозрачности
Если,
то одиночные входные импульсы разбиваются на соответствующее кол-во субимпульсов,
что можно трактовать как процесс разбегания солитонов, каждый из к-рых
в отдельности является
-импульсом.
Следует отметить, что при
в зависимости от формы входного импульса возможно формирование т. н.
-импульсов,
нулевое значение площади к-рых достигается не за счёт поглощения всей энергии
поля, а вследствие скачкообразных изменений фазы внутри импульса.
Проявление эффекта самоиндуцированной прозрачности возможно и при двухфо-тонном поглощении, когда
сумма частот падающего излучения w1+w2 совпадает
с частотой двухфотонного перехода в веществе wba (см.
Многофотонное
поглощение). Напр., в вырожденном по частоте случае
при условии
формируются импульсы, к-рые при распространении в среде не теряют своей
энергии, однако длительность их всё время сокращается при соответствующем
возрастании интенсивности. [Здесь
-
матричный элемент двухфотонного перехода, д - константа динамич.
штарковского сдвига частоты перехода, вызываемого электрич. полем импульса
(см. Штарка эффект динамический)].
Эксперим. критериями самоиндуцированной прозрачности являются: пороговое возрастание прочности среды при увеличении интенсивности падающих импульсов, наличие временной задержки выходных импульсов и разбиение на субимпульсы при достаточно высоких значениях интенсивности.
Эффект самоиндуцированной прозрачности наблюдался экспериментально в твёрдых телах и в газах [3].
Самоиндуцированная прозрачность представляет большой интерес для нелинейной оптики резонансных сред, физики солитонов, лазерной спектроскопии (в частности, для определения величин матричных элементов квантовых переходов).
Н. Н. Драбович
|
![]() |