Самоиндуцированная прозрачность

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

История открытия

СИП (англ. self-induced transparency) была предсказана С. Мак-Коллом и Э. Ханом в 1965 году и впервые наблюдалась ими же два года спустя при исследовании прохождения ультракоротких импульсов (УКИ) в рубиновом стержне при 40 К. Когда мощность импульса превышала критическое значение, потери энергии при распространении уменьшались в 10⁵ раз.

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:

$E(z,t)={\frac {2\hbar }{\mu \tau _{p}}}\operatorname {sech} {\frac {\tau }{\tau _{p}}}$, (1)

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

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

$\theta (z)={\frac {\mu }{\hbar }}\int _{-\infty }^{\infty }E(z,t)dt$. (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 типа (1) имеет площадь ровно $\theta =2\pi$, поэтому такие импульсы часто называют $2\pi$-импульсами.

Литература

• S. L. McCall, E. L. Hahn. Self-Induced Transparency by Pulsed Coherent Light // Physical Review Letters. — 1967. — Т. 18. — С. 908—911.
• S. L. McCall, E. L. Hahn. Self-Induced Transparency // Physical Review. — 1969. — Т. 183. — С. 457—485.
• П. Г. Крюков, В. С. Летохов. Распространение импульса света в резонансно усиливающей (поглощающей) среде // УФН. — 1969. — Т. 99. — С. 169—223.
• G. L. Lamb, Jr. Analytical Descriptions of Ultrashort Optical Pulse Propagation in a Resonant Medium // Reviews of Modern Physics. — 1971. — Т. 43. — С. 99—124.
• И. А. Полуэктов, Ю. М. Попов, В. С. Ройтберг. Эффект самоиндуцированной прозрачности // УФН. — 1974. — Т. 114. — С. 97—131.
• Л. Аллен, Дж. Эберли. Оптический резонанс и двухуровневые атомы. — М.: Мир, 1978.
• Драбович Н. Н. Самоиндуцированная прозрачность // Физическая энциклопедия. — М.: БРЭ, 1994. — Т. 4. — С. 409—410.
• Маймистов А. И. Оптические солитоны // Соросовский образовательный журнал. — 1999. — № 11. — С. 101.