Введение к работе
Актуальность темы. Значительное место в оптике резонансных сред занимают методы оптической спектроскопии, основанные на таких когерентных нелинейных явлениях, как фотон - эхо, вынужденная индукция, долгоживущее стимулированное фотон - эхо, бистабиль-ность и т.д.. Общепринятым является тот факт, что основные свойства этих оптических явлений можно объяснить на основе невзаимодействующих друг с другом излучателей ( атомов, молекул, ионов и т. д. ). При этом взаимодействие между излучателями учитывается, как правило, феноменологически путем введения соответствующих времен энергетической и фазовой релаксации. Иными словами, взаимодействие между излучателями является нежелательным, поскольку оно препятствует протеканию когерентного оптического процесса. С другой стороны можно выделить ряд экспериментальных и теоретических работ, в которых когерентные оптические явления рассматриваются в плотных средах и учет межатомного взаимодействия, как показано в этих работах, приводит к новым эффектам, существенно расширяющим возможности когерентной оптической спектроскопии. К числу таких эффектов можно отнести , например, эффект ближнего поля. Теоретический анализ этих эффектов использует представление об одноатомных квантовых переходах под действием результирующего поля внутри оптической среды. При этом внутреннее поле обусловлено поляризующим влиянием окружающих атомов среды в различных точках наблюдения как внутри среды, так и на ее поверхности.
Целью данной диссертации является теоретическое исследование ролиь двухатомных квантовых переходов в резонансных оптических средах при формировании в них различных когерентных нелинейно - оптических процессов, таких как фотон - эхо, свободная индукция, вынужденная индукция, сверхизлучение Дике и т.д.
Научная новизна работы. Можно выделить несколько основных фундаментальных идей, которые были положены в основу данной диссертации.
1. Учет кулоновского взаимодействия доноров и акцепторов в по
лупроводниковых кристаллах приводит к явлениям сенсибилизиро
ванной люминесценции, кооперативному поглощению и излучению
фотонов удвоенной энергии. Эти явления были подробно проанали-
зированны теоретически и экспериментально в работах Декстера [І],
Овсянкина и Феофилова [2,3], а также в других работах.
-
Атомы в системах, линейные размеры которых значительно меньше длины волны излучаемых фотонов, взаимодействуют друг с другом через общее иоле излучения, физическая природа которого обусловлена неразличимостью атомов в поле фотонов. Такое взаимодействие приводит к наведению корреляций между атомами в процессе спонтанного излучения, что приводит, в свою очередь, к явлению сверхизлучения с интенсивностью пропорциональной N2, где N - число атомов в системе. Такое взаимодействие было подробно исследовано теоретически и экспериментально в работах Вайскопфа, Вигнера {4], Дике [5], Файна [6], Фэдда [7], а также в других работах [8].
-
В работах Копвиллема и Нагибарова [9], а также в работах Хартмана, Абеллы и Курнита [Ю] было теоретически предсказано и экспериментально обнаружено явление фотон - эха, возбуждаемое двумя короткими световыми импульсами большой интенсивности, разнесенными в пространстве и во времени. Явление фотон - эха является когерентным откликом системы резонансных атомов и обусловлено сфазированными осцилляциями индуцированных дилоль-иых моментов атомов, сохраняющимися в течение конечного времени фазовой памяти.
В данной диссертации, в развитие этих фундаментальных идей,
проведено теоретическое; исследование различных типов взаимодействия двух атомов, которые могут привести к двухатомным квантовым переходам с излучением или поглощением одного фотона удвоенной энергии. Такое иесдедовадме было проведено на основе эффектов 3- го порядка квантовой электродинамики.
Теоретически исследована система Л' резонансных атомов, в кото-, рой наряду со взаимодействием атомов через общее поде излучения учтено дипольное поле я рассмотрены переходы AM — ±2, где М -полуразность иасеяешюстей резонансных двухуровневых атомов.
Теоретически предсказываются новые оптические явления на двойной частоте в системе резонансных атомов, возбуждаемых мощным излучением на основной частоте.
Научная и Практическая ценность. Полученные результаты имеют пришгаииалыгое значение в когерентной нелинейной оптике резонансных сред. Показано, что при определенных условиях резонансное взаимодействие атомов в поле излучения не только не препятствует протеканию когерентных явлений, но, наоборот, приводит к возникновению новых явленігіі, таких как фотон - эхо на двойной частоте и вынужденная индукция на двойной частоте.
Явление фотон - эха на двойной частоте несет в себе дополли-тельнз'ю информацию о дипольном поле внутри среды, включая дискретное распределение ближайшего окружения с определенным типом симметрии. Это явление может быть положено н основу дальнейшею совершенствования метода оптической эхо - спектроскопии плотных сред с малыми временами релаксашш. еде разделение возбуждающих имігульсов и сигнала эха на основной частоте становится сложным.
Защищаемые иоложеная.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ ТИПОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АТОМОВ В ПОЛЕ ИЗЛУЧЕ-
2. ПРЕДЛОЖЕНО ОБОБЩЕНИЕ МОДЕЛИ ДИКЕ СИ
СТЕМЫ N ДВУХУРОВНЕВЫХ АТОМОВ ДЛЯ ПЕРЕХО
ДОВ AM = ±2
3. ВЫВЕДЕНА ФОРМУЛА ДЛЯ ИНТЕНСИВНОСТИ
КООПЕРАТИВНОГО СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА
ЧАСТОТЕ 2П0 В СИСТЕМЕ N ДВУХУРОВНЕВЫХ АТО
МОВ
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (С.-Петербург, 1995 г.), на семинарах фязико - технического факультета УлГУ. Основные результаты опубликованы в журнале Теоретическая и Математическая Физика.
Личное участие автора. Основные теоретические положения разработаны совместно с профессором О.Н.Г'адомским. Конкретная реализация обобщенной модели Дике к изучению нелинейно - оптических явлений в системе взаимодействующих атомов, численный анализ результатов выполнены автором самостоятельно.
Публикации .Основные результаты диссертации представлены в 3- х печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 98 страницах, содержит 7 рисунков. Список цитированной литературы содержит 122 наименований.