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 10⁵ разів.

СІП у напівпровідниках передбачено у ФІАН СРСР у роботах Ю. М. Попова, 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 $\tau _{p}\ll T_{1},T_{2}$, де $T_{1}$ — час життя збудженого стану атома середовища (час поздовжньої релаксації), $T_{2}$ — час релаксації поляризації (час поперечної релаксації, або час дефазування), який характеризує швидкість загасання дипольного моменту системи. Як правило, $T_{2}\ll T_{1}$. 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:

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

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

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

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

Якщо площа дорівнює $\theta =2\pi n$, 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 $\theta =2\pi$ тому такі імпульси часто називають $2\pi$-імпульсами.

Література

• S. L. McCall, E. L. Hahn. Self-Induced Transparency by Pulsed Coherent Light // Physical Review Letters. — 1967. — Т. 18 (25 грудня). — С. 908—911.
• S. L. McCall, E. L. Hahn. Self-Induced Transparency // Physical Review. — 1969. — Т. 183 (25 грудня). — С. 457—485.
• П. Г. Крюков, В. С. Летохов. Распространение импульса света в резонансно усиливающей (поглощающей) среде // УФН. — 1969. — Т. 99 (25 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 (25 грудня). — С. 99—124.
• И. А. Полуэктов, Ю. М. Попов, В. С. Ройтберг. Эффект самоиндуцированной прозрачности // УФН. — 1974. — Т. 114 (25 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 (25 грудня). — С. 409—410.
• Маймистов А. И. Оптические солитоны // Соросовский образовательный журнал. — 1999. — № 11 (25 грудня). — С. 101.