Коллективные эффекты спонтанного излучения и квантовая теория диссипативной неустойчивости

• Автор: Кочаровский, Виталий Владиленович
• Шифр специальности: 05.27.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1997
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 60 с.; 20х15 см

Содержание
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Подход электродинамики сплошных активных сред к проблемам квантовой радиофизики и оптики
2. Диссипативная неустойчивость волн поляризации в случае однородно уширенной линии и эффекты распространения
4. Бесстол к нови тельное затухание и пучковые неустойчивости волн поляризации в газе двухуровневых атомов при учете допплеровского уширения линии
4. Антисегнетоэлектрический газовый кристалл и нелинейная теория неустойчивости типа мягкой моды
5. Неустойчивость основного состояния и коллективное спонтанное излучение неинвертированных атомов, сосредоточенных вблизи поверхности активной среды
6. Неоклассическое коллективное спонтанное излучение в системе молекул с квазиэквидистантным спектром колебательных уровней
7. Коллективное спонтанное излучение при аннигиляции электрон-позитронного сгустка и при рекомбинации электрон-дырочных пар в полупроводнике в сильных магнитных полях
8. Неунитарная динамика квантовых систем, взаимодействующих с резервуаром, и анализ нестационарного спонтанного излучения на основе комплексного спектрального разложения оператора Гамильтона
9. Феноменологическая квантовая электродинамика активных
вного спонтан
КНИГА ИМЕЕТ
са £ о г

С 3 В переплет- Л о.
СП ной ед. н о
X соедкн. X г Е
X Ч с X номера вып. О с* Н сх 05 ч Д х

X & и г

я 2 ал * о х
5 и
с с ~ о х

знаками энер-42

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Введение, актуальность темы диссертации
Явление коллективного спонтанного излучения (сверхизлучения) было теоретически предсказано Дике в 1954 году [*1] и с самого начала стояло обособленно не только среди излучательных явлений физики вообще, но и внутри самой квантовой электроники. Это было связано, с одной стороны, с предельной абстрактностью и специальностью исходной квантовой модели Дике - малой по сравнению с длиной волны крупинки двухуровневых атомов, а с другой стороны, с трудностью ее реализации в эксперименте. В крупинке газа неупорядоченных атомов сверхизлучение Дике невозможно, так как подавляется вайскопфовскими столкновениями. Оптическое сверхизлучение удалось наблюдать лишь после появления мощных лазеров, генерирующих импульсы с длительностью, меньшей времени релаксации возбуждений среды. Впервые это было сделано в 1973 году на переходах в инфракрасном диапазоне в газах [*2], а затем в 80-х годах на оптических переходах в активных центрах в кристаллах: дефиниле с пиреном [*3], KCl : O.J [*4], а также Nd:YAG и рубине [*5]. В последние годы эксперименты в этом направлении продолжаются [*6].
Во всех случаях сверхизлучение возникало в образцах с размерами больше длины волны А при достаточно большой концентрации N предварительно инвертированных атомов. Запасенная в образце энергия спонтанно излучается в виде короткого узконаправленного электромагнитного импульса, мощность которого на несколько порядков превосходит мощность некогерентного спонтанного излучения такого же числа изолированных атомов. Формирование (-.фазированного сверхизл у нательного состояния системы происходит В течение времени задержки tr(, примерно на порядок превышающего длительность импульса г. На самом начальном зтапе (t << G) процесс фазировки атомов является квантовым. С появлением большого числа фотонов поле и поляризация среды приобретают классический характер и сверхизлучение можно рассматривать в полуклассическом приближении. В 70-х - 80-х годах теория эффекта сверхизлучения была су-

сгустка. Автомодельный анализ абсолютной неустойчивости коллективных возбуждений электрон-дырочных пар на нулевом уровне Ландау
Аналогично е~е+-аннигиляции, в замагниченном прямозонном полупроводнике возможен процесс коллективной спонтанной рекомбинации вырожденных электронов и дырок, находящихся, скажем, на нулевом уровне Ландау. Его детальное исследование представлено в [2,5,39,41], где. в частности, получено автомодельное решение для однонаправленного рекомбинационного сверхизлучения, подобное описанному в п. 7.3. При суб-мегагауссных магнитных полях в вытянутых образцах длиной ~ 50мкм следует ожидать генерации субпикосекундных импульсов с интенсивностью 0, 1ГВт/см2 на длине волны До ~ 0, Змкм (оценки даны для СаАз). Это соответствует рекомбинации около 108 электрон-дырочных пар в образце объема ~ ЮОмкм3. Подробно изучались также подобие и различия процессов электрон-дырочной рекомбинации и е_е+-аннигиляции.
8. НЕУНИТАРНАЯ ДИНАМИКА КВАНТОВЫХ СИСТЕМ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С РЕЗЕРВУАРОМ, И АНАЛИЗ НЕСТАЦИОНАРНОГО СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ОПЕРАТОРА ГАМИЛЬТОНА
Выше использовалось полуклассическое приближение, в котором резервуар (здесь - континуум степеней свободы электромагнитного поля), обуславливающий диссипацию энергии динамической подсистемы (т.е. атомов) посредством спонтанного излучения, не подвергался квантовому описанию. При полностью квантовом анализе изучение спонтанного излучения усложняется. (Обзор эффектов спонтанного излучения изолированной квантовой системы в стационарных условиях см., например, в [*40].) Нетривиальной становится даже задача о взаимодействии одного атома с резервуаром, особенно если оно является нестационарным, например, в присутствие внешнего или самосогласованного переменного поля. Ниже изложено общее решение указанной за-