Самоиндуцированная прозрачность

Самоиндуцированная прозрачность (СИП) — явление прохождения когерентного (лазерного) импульса излучения через резонансную среду без поглощения.

История открытия

СИП (Шаблон:Lang-en) была предсказана С.Шаблон:NbspМак-Коллом и Э.Шаблон:NbspХаном в 1965 году и впервые наблюдалась ими же два года спустя при исследовании прохождения ультракоротких импульсов (УКИ) в рубиновом стержне при Шаблон:Num. Когда мощность импульса превышала критическое значение, потери энергии при распространении уменьшались в Шаблон:Val.

СИП в полупроводниках предсказана в ФИАН СССР в работах Ю. М. Попова, И. А. Полуэктова и В. С. Ройтберга.

Механизм явления

Возникает, когда через резонансную среду проходит импульс когерентного (лазерного) электромагнитного излучения, длительность которого много меньше времён релаксации ${\tau }_p\ll T_1,T_2$, где $T_1$ — время жизни возбуждённого состояния атома среды (время продольной релаксации), $T_2$ — время релаксации поляризации (время поперечной релаксации, или время дефазировки), которое характеризует скорость затухания дипольного момента системы. Как правило, $T_2\ll T_1$. Если напряжённость поля излучения достаточно велика, ансамбль резонансных атомов переходит в когерентное возбуждённое состояние под действием первой половины импульса (на фронте импульса), и когерентно релаксирует в основное состояние под действием второй половины импульса (на спаде импульса). Таким образом, излучение не поглощается.

Математическое описание явления самоиндуцированной прозрачности основано на решении самосогласованной системы уравнений Максвелла — Блоха: волновое уравнение Максвелла отвечает за распространение импульса света в резонансной двухуровневой среде, динамика которой определяется оптическими уравнениями Блоха (фактически они играют роль материальных уравнений). Используя приближения вращающейся волны и медленно меняющихся амплитуд, Мак-Колл и Хан получили аналитическое выражение для стационарного импульса (солитона), распространяющегося в резонансной среде без потерь энергии:

$E(z,t)=\frac{2\hslash }{\mu {\tau }_p}\mathrm{sech}\frac{\tau }{{\tau }_p}$, (1)

где $\mu$ — дипольный момент перехода, $\tau =t-z/v$ — время в движущейся системе координат, ${\tau }_p$ — длительность импульса, $\mathrm{sech}$ — функция гиперболического секанса, $\hslash$ — постоянная Планка.

Важной характеристикой взаимодействия импульса со средой является его «площадь», равная по определению

$\theta (z)=\frac{\mu }{\hslash }\underset{-\mathrm{\infty }}{\overset{\mathrm{\infty }}{\int }}E(z,t)dt$. (2)

Если площадь равна $\theta =2\pi n$, это означает, что импульс возвращает после возбуждения резонансные атомы точно в нижнее (основное) состояние, так что вся энергия, запасённая в среде, возвращается обратно в поле излучения. Легко видеть, что стационарный импульс типаШаблон:Nbsp(1) имеет площадь ровно $\theta =2\pi$, поэтому такие импульсы часто называют $2\pi$-импульсами.

Литература

• Шаблон:Статья
• Шаблон:Статья
• Шаблон:Статья
• Шаблон:Статья
• Шаблон:Статья
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Статья
• Шаблон:Статья