Самоіндукована прозорість

Самоіндукована прозорість (СІП; англ. self-induced transparency) — явище проходження когерентного (лазерного) імпульсу випромінювання через резонансне середовище без поглинання.

Історія відкриття

СІП передбачили 1965 року С. Мак-Колл та Е. Хан і вперше спостерігали вони ж через два роки під час досліджень проходження ультракоротких імпульсів (УКІ) в рубіновому стрижні за 40 К. Коли потужність імпульсу перевищувала критичне значення, втрати енергії при поширенні зменшувалися в 10^5 разів.

СІП у напівпровідниках передбачено у ФІАН СРСР у роботах Ю. М. Попова^[ru], І. А. Полуектова та В. С. Ройтберга.

Механізм явища

Виникає, коли через резонансне середовище проходить імпульс когерентного (лазерного) електромагнітного випромінювання, тривалість якого набагато менша від часів релаксації ${\displaystyle \tau _{p}\ll T_{1},T_{2}}$, де ${\displaystyle T_{1}}$ — час життя збудженого стану атома середовища (час поздовжньої релаксації), ${\displaystyle T_{2}}$ — час релаксації поляризації (час поперечної релаксації, або час дефазування), який характеризує швидкість загасання дипольного моменту системи. Як правило, ${\displaystyle T_{2}\ll T_{1}}$. Якщо напруженість поля випромінювання досить велика, ансамбль резонансних атомів переходить у когерентний збуджений стан під впливом першої половини імпульсу (на фронті імпульсу), і когерентно релаксує в основний стан під впливом другої половини імпульсу (на спаді імпульсу). Отже, випромінювання не поглинається.

Математичний опис явища самоіндукованої прозорості ґрунтується на розв'язанні самоузгодженої системи рівнянь Максвелла — Блоха: хвильове рівняння Максвелла відповідає за поширення імпульсу світла в резонансному дворівневому середовищі, динаміку якого визначають оптичні рівняння. Використовуючи наближення обертової хвилі та амплітуд, що повільно змінюються, Мак-Колл і Хан отримали аналітичний вираз для стаціонарного імпульсу (солітону), що поширюється в резонансному середовищі без втрат енергії:

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

де ${\displaystyle \mu }$ — дипольний момент переходу, ${\displaystyle \tau =t-z/v}$ — час у рухомій системі координат, ${\displaystyle \tau _{p}}$ — тривалість імпульсу, ${\displaystyle \operatorname {sech} }$ — функція гіперболічного секанса, ${\displaystyle \hbar }$ — стала Планка.

Важливою характеристикою взаємодії імпульсу з середовищем є його «площа», яка за визначенням дорівнює

${\displaystyle \theta (z)={\frac {\mu }{\hbar }}\int _{-\infty }^{\infty }E(z,t)dt}$ . (2)

Якщо площа дорівнює ${\displaystyle \theta =2\pi n}$, це означає, що імпульс повертає після збудження резонансні атоми точно в нижній (основний) стан, так що вся енергія, запасена в середовищі, повертається назад у поле випромінювання. Легко бачити, що стаціонарний імпульс типу (1) має площу ${\displaystyle \theta =2\pi }$ тому такі імпульси часто називають ${\displaystyle 2\pi }$-імпульсами.

Література

• S. L. McCall, E. L. Hahn. Self-Induced Transparency by Pulsed Coherent Light // Physical Review Letters. — 1967. — Т. 18 (28 грудня). — С. 908—911.
• S. L. McCall, E. L. Hahn. Self-Induced Transparency // Physical Review. — 1969. — Т. 183 (28 грудня). — С. 457—485.
• П. Г. Крюков, В. С. Летохов. Распространение импульса света в резонансно усиливающей (поглощающей) среде // УФН. — 1969. — Т. 99 (28 грудня). — 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 (28 грудня). — С. 99—124.
• И. А. Полуэктов, Ю. М. Попов, В. С. Ройтберг. Эффект самоиндуцированной прозрачности // УФН. — 1974. — Т. 114 (28 грудня). — 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 (28 грудня). — С. 409—410.
• Маймистов А. И. Оптические солитоны // Соросовский образовательный журнал. — 1999. — № 11 (28 грудня). — С. 101.