самоиндуцированная прозрачность

САМОИНДУЦИРОВАННАЯ ПРОЗРАЧНОСТЬ - эффект прохождения коротких мощных импульсов когерентного оптич. излучения без потерь энергии через среду, резонансно поглощающую непрерывное излучение или длинные импульсы. С. п. относится к когерентным резонансным эффектам: её наблюдение возможно только при условии, что длительность импульса значительно меньше времён релаксации (для разреженных газов10^-7-10^-8 с, для конденсиров. сред10^-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 С. п. принципиально отличается от просветления среды, связанного с некогерентным эффектом насыщения - выравниванием заселённостей основного и возбуждённого состояний (см. Просветления эффект ).Эффект С. п. был предсказан С. Л. Мак-Коллом (McCall S. L.) и Э. Ханом (Е. Hahn) в 1965 и наблюдался ими в 1967.

Возможность проявления С. п. 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 С. п. 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 ур-ний 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 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 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 С. п.

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 С. п. возможно и при двухфо-тонном поглощении, когда сумма частот падающего излучения w₁+w₂ совпадает с частотой двухфотонного перехода в веществе w_ba (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 С. п. 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 С. п. наблюдался экспериментально в твёрдых телах и в газах [3].

С. п. представляет большой интерес для нелинейной оптики резонансных сред, физики солитонов, лазерной спектроскопии (в частности, для определения величин матричных элементов квантовых переходов).

Лит.: 1) М с С а 1 1 S. L., Н a h п Е. L., Coherent light propagation through an inhomogeneously broadened 2-level system, «Bull. Amer. Phys. Soc.», 1965, v. 10, № 9, p. 1189; 2) их же, Self induced transparency by pulsed coherent light, «Phys. Bev, Lett.», 1967, v. 18, p. 908; 3) Аллен Л., 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.