Кинетика сверхизлучательных процессов в двух- и трех- уровневых системах в кристалле

• Автор: Башкиров, Евгений Константинович
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1984
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 109 c. : ил

ГЛАВА1 СВЕРХИ31УЧЕНЙЕ В ДВУХУРОВНЕВЫХ МАКРОСКОПИЧЕСКИХ
СИСТЕМАХ
§1. Оценка времен конверсии для двухуровневых макроскопических систем, взаимодействующих с электромагнитными полями
§2. Метод исключения бозонных переменных из кинетических уравнений
§3. Сверхизлучение в полярных средах
§4. Сверхизлучение с учетом рассеяния МанделыптамаБриллюэна
ГЛАВАП ОСОБЕННОСТИ СВЕРХИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ГЕТЕРОФАЗНЫХ ПОЛЯРНЫХ СРЕДАХ
§5. Модель сегнетоэлектрика с гетерофазными флуктуациями
§6. Термодинамика гетерофазного сегнетоэлектрика
§7. Условие конденсации фотонной моды в гетерофазном
сегнетоэлектрике
§8. Оценка мощности излучения гетерофазного сегнетоэлектрика
ГЛАВАШ СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ В ТРЕХУРОВНЕВЫХ МАКРОСКОПИЧЕСКИХ
СИСТЕМАХ
§9. Сверхизлучение в протяженной трехуровневой системе с двумя и тремя разрешенными переходами
§10. Учет трехчастичных корреляторов в кинетических
уравнениях для процесса сверхизлучения в трехуровневой системе
§11. Свврхизлучение с учетом когерентной накачки
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

В последнее десятилетие заметно возрос интерес к теоретическому исследованию коллективного спонтанного излучения в макроскопических двухуровневых и многоуровневых системах. Это связано с целым рядом причин, главные из которых сводятся к следующему. Во-первых, в настоящее время благодаря использованию мощных источников когерентного излучения происходит стремительное развитие эксперимента в области квантовой радиофизики и нелинейной оптики. Во-вторых, в теории коллективного спонтанного излучения или сверхизлучения ( СИ) удалось развить подход, позволяющий получать точную иерархию кинетических уравнений для подсистемы излучателей и таким образом исследовать проблему из первых принципов /I/.
Исследование СИ в макроскопических двухуровневых системах началось с 1954 г., когда была опубликована основополагающая работа Дикке /2/. В этой работе Дикке впервые показал, что макроскопическая система из N инвертированных двухуровневых атомов с размерами, меньшими длины волны излучения, может спонтанно перейти в основное состояние за время Т^в N раз меньшее времени спонтанного излучения Т0 независимых атомов: = Х0/д/ . Этот эффект
коллективного спонтанного излучения возникает за счет корреляций между дипольными моментами перехода различных излучателей, взаимодействующих друг с другом через поле излучения, В результате все атомы, принадлежащие макроскопической системе, излучают когерентно. При этом интенсивность излучения оказывается пропорциональной квадрату числа излучателей. Явление спонтанного СИ, предсказанное Дикке в 1954 г. /2/ было обнаружено экспериментально лишь в 1973 году,в газообразном НР /3/. Кроме того,, удалось наблюдать ряд близких по характеру явлений - фотонное эхо /4,5/, самоиндуцирован-ная прозрачность /6/, затухание свободной поляризации /7/ и т.п., в которых, однако, зависимость интенсивности типа М вызвана внеш-

ними причинами /когерентная накачка/ и, соответственно, когерентность излучения носит пассивный /индуцированный/ характер. В процессе СИ единственным механизмом, приводящим к корреляции диполей, является влияние собственного излучения диполей на сами эти диполи. Основным отличием СИ от других известных коллективных эффектов является самопроизвольный переход макроскопической системы диполей из начального некогерентного состояния в когерентное в процессе излучения в безрезонаторных системах. В 1964 г. Дикке понял /8/, что идею о прямой корреляции диполей за счет обмена фотонами можно использовать для создания генераторов когерентного электромагнитного излучения на основе однопроходных безрезонаторных систем.
Возможность создания безрезонаторных квантовых генераторов электромагнитного излучения привлекла большое внимание, особенно в связи с проблемой получения монохроматического когерентного излучения рентгеновского и гамма- диапазонов. Данный аспект проблемы активно исследовался в работах Р.В.Хохлова и его сотрудников /9-13/.
Простейшая модельная задача теории СИ может быть сформулирована следующим образом. Пусть с полем излучения взаимодействует электронов, каждый из которых принадлежит определенному атому. Будем считать ЭМП квазимонохроматическим с частотой , близкой к частоте между двумя уровнями атома (+) и (-) :1іО,=Е+-Е. • Тогда гамильтониан рассматриваемой системы в дипольном приближении и без учета резонансных членов взаимодействия поля со средой можно представить в виде /14
Здесь индекс 5 нумерует излучатели

з*1 4 ' ге/'З1/ 1
я.4 ©<р з2} 1
(2.11)
Ь - М: $$к 1 : М: 4 4^-§М^4о-|М
/ явшй вид коэффициентов Цд, и ^>2. не приведен из-за их громоздкого вида/.
Легко заметить, что особенности критического поведения ге-терофазной системы вблизи ©с определяются знаками коэффициентов 01 и . На рисЛ представлены области значений переменных и , для которых коэффициенты СХЛ и меняют знаки. Рассмотрим детально все возможные ситуации.
I. О /области I и III /. В этом случае система претерпевает фазовый переход второго рода и разложения (2.10) имеют смысл.
В области I / О / фазовая концентрация хУ > • Ниже будет
показано, что эта область соответствует устойчивым состояниям двухфазной системы. В области III /в1< О / х/< Уо. вблизи ©с. Данная область соответствует метастабильным состояниям двухфазной смеси. Идя (^>0 из (2.10) мы можем получить, ЧТО вблизи © . Соответственно, удельная поляризация Р = ведет
р. г 1/о
себя как г'4' (у £) . Тогда критический индекс
О-