Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
САМОИНДУЦИРОВАННАЯ ПРОЗРАЧНОСТЬ

САМОИНДУЦИРОВАННАЯ ПРОЗРАЧНОСТЬ

САМОИНДУЦИРОВАННАЯ ПРОЗРАЧНОСТЬ - эффект прохождения короткихмощных импульсов когерентного оптич. излучения без потерь энергии черезсреду, резонансно поглощающую непрерывное излучение или длинные импульсы. <С. п. относится к когерентным резонансным эффектам: её наблюдение возможнотолько 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 соотношениямежду полем и нестационарным резонансным откликом вещества, вследствиечего энергия, поглощённая средой на переднем фронте импульса с достаточновысокой интенсивностью, может быть полностью возвращена импульсу на егозаднем фронте за счёт процессов индуциров. испускания. Тем самым С. п. <принципиально отличается от просветления среды, связанного с некогерентнымэффектом насыщения - выравниванием заселённостей основного и возбуждённогосостояний (см. Просветления эффект). Эффект С. п. был предсказанС. Л. Мак-Коллом (McCall S. L.) и Э. Ханом (Е. Hahn) в 1965 и наблюдалсяими в 1967.

Возможность проявления С. п. обусловлена колебат. характером динамикиквантовых переходов в резонансном поле в отсутствие релаксации (т. е. втечение времени см. Двухуровневая система). Частицы вещества, первоначально находившиесяв ниж. энергетич. состоянии ,под действием импульса когерентного эл.-магн. излучения, частота к-рогоw совпадает с частотой перехода между квантовыми уровнями а и b, переходятв когерентную суперпозицию состояний поглощая при этом часть энергии поля. Т. к. предположительно когерентностьвзаимодействия 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 ранееэнергию. Под действием последующих частей импульса процесс обмена энергиеймежду полем и веществом повторяется. Если амплитуда и длительность импульсатаковы, что по его окончании все резонансные частицы оказываются в исходномневозбуждённом состоянии, то такой импульс проходит через среду без потерисвоей энергии.

В оптически тонких средах влияние вещества на поле невелико: оно сказываетсялишь в небольшом изменении формы импульса. В частности, возможно появлениенеглубокой амплитудной модуляции с частотой Раби, определяемой амплитудойимпульса на входе в среду (см. Оптическая нутация).

Эффект С. п. возникает в оптически плотных средах, когда влияние веществана поле значительно, и представляет собой один из возможных режимов когерентногораспространения коротких импульсов в резонансных средах. Его простейшееописание основано на использовании волнового ур-ния для медленно меняющейсяамплитуды электрич. поля импульса A(t,z) (полное поле + к. с.) и ур-ний для матрицы плотности двухуровневой системы, записанныхв предположении, что длительность импульса намного меньше времён продольной Т ₁ и поперечной Т ₂ релаксации.

Режим прохождения импульса через резонансно поглощающую среду определяетсяего «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 заканчиваетсявозвратом 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 данона рис. 1. В случае, когда частота импульса совпадает с центральной частотой w₀,симметричной неоднородно уширенной линии, «теорема площадей» выражаетсяф-лой

где - значение на входе в среду, К =N- плотность резонансных частиц, g(0) - значение ф-ции 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 С. п. реализуется, если входная площадь импульсов превышаетпороговое значение

Рис. 2. Эволюция формы импульса при распространении в поглощающейрезонансной 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 выражаетсяф-лой

Видно, что стационарные импульсы «бегут» со скоростью, меньшей скоростисвета с. Значение v уменьшается с увеличением коэф. поглощения . п длительности импульса и может отличаться от с на 3-4 порядка. <Это замедление импульсов обусловлено пост. эфф. обменом энергией междуполем и веществом и является характерной особенностью С. п.

Если ,то одиночные входные импульсы разбиваются на соответствующее кол-во субимпульсов, <что можно трактовать как процесс разбегания солитонов, каждый из к-рыхв 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 энергииполя, а вследствие скачкообразных изменений фазы внутри импульса.

Проявление эффекта С. п. возможно и при двухфо-тонном поглощении, когдасумма частот падающего излучения w₁+w₂ совпадаетс частотой двухфотонного перехода в веществе w_ba (см. Многофотонноепоглощение). Напр., в вырожденном по частоте случае при условии формируются импульсы, к-рые при распространении в среде не теряют своейэнергии, однако длительность их всё время сокращается при соответствующемвозрастании интенсивности. [Здесь -матричный элемент двухфотонного перехода, д- константа динамич. <штарковского сдвига частоты перехода, вызываемого электрич. полем импульса(см. Штарка эффект динамический)].

Эксперим. критериями С. п. являются: пороговое возрастание прочностисреды при увеличении интенсивности падающих импульсов, наличие временнойзадержки выходных импульсов и разбиение на субимпульсы при достаточно высокихзначениях интенсивности.

Эффект С. п. наблюдался экспериментально в твёрдых телах и в газах [3].

С. п. представляет большой интерес для нелинейной оптики резонансныхсред, физики солитонов, лазерной спектроскопии (в частности, для определениявеличин матричных элементов квантовых переходов).

Лит.:1) М с С а 1 1 S. L., Н a h п Е. L., Coherent light propagationthrough an inhomogeneously broadened 2-level system, «Bull. Amer. Phys.Soc.», 1965, v. 10, № 9, p. 1189; 2) их же, Self induced transparency bypulsed coherent light, «Phys. Bev, Lett.», 1967, v. 18, p. 908; 3) АлленЛ., Эберли Д ж., Оптический резонанс и двухуровневые атомы, пер. с англ.,М., 1978; 4) П о л у э к т о в И. А., Попов Ю. М., Р о й т б е р г В. С.,Эффект самоиндуцированной прозрачности, «УФН», 1974, т. 114, с. 97. Н. Н. Драбович.