Введение к работе
Введение, актуальность темы диссертации
Явление коллективного спонтанного излучения (сверхизлуче-ння) было теоретически предсказано Дике в 1954 году [* I] и с самого начала стояло обособленно не только среди излучательных явлений физики вообще, но и внутри самой квантовой электроники. Это было связано, с одной стороны, с предельной абстрактностью и специальностью исходной квантовой модели Дике - малой по сравнению с длиной полны крупинки двухуровневых атомов, а с другой стороны, с трудностью ее реализации в эксперименте. В крупинке газа неупорядоченных атомов сверхизлучение Дике невозможно, так как подавляется вайскопфовскими столкновениями. Оптическое сверхизлучение удалось наблюдать лишь после появления мощных лазеров, генерирующих импульсы с длительностью, меньшей времени релаксации возбуждений среды. Впервые это было сделано в 1973 году на переходах в инфракрасном диапазоне в газах [*2], а затем в 80-х годах на оптических переходах в активных центрах в кристаллах: дефиниле с пи ревом [*3], КСЛ : 0.7 [*4], а также NchYAG и рубине [*5]. В последние годы эксперименты в этом направлении продолжаются [*6].
Во всех случаях сверхизлучение возникало в образцах с размерами больше длины волны Л при достаточно большой концентрации N предварительно инвертированных атомов. Запасенная в образце энергия спонтанно излучается в виде короткого узконаправленного электромагнитного импульса, мощность которого на несколько порядков превосходит мощность некогерентного спонтанного излучения такого же числа изолированных атомов. Формирование сфазированного сверхизлучательного состояния системы происходит в течение времени задержки i(i, примерно на порядок превышающего длительность импульса т. На самом начальном зтапе (t « tj) процесс фазировки атомов является квантовым. С появлением большого числа фотонов поле и поляризация среды приобретают классический характер и сверхизлучение можно рассматривать в полуклассическом приближении. В 70-х - 80-х годах теория эффекта сверхизлучения была су-
шсствеїшо продвинута вперед (см. обзоры [*7 —+ 10, *2о] и (1 —5]), однако в основном лишь в рамках моделей, близких к двухуровневой, и соответствующих им методов анализа.
Вместе с тем, сама идея использования коллективных эффектов спонтанного излучения представляется очень интересной как в квантовой электронике и физике лазеров, так и в значительно более широкой области физики - для сверхизлучательной генерации импульсного излучения без резонаторов или в низкодобротных резонаторах (в том числе в рентгеновском и гамма-диапазонах), проектов создания плотной электрон-позитронной плазмы на ускорителях [*11], регистрации слабых излучений на уровне квантовых шумов, создания микролазеров, лазеров с большим превышением над порогом генерации (плазменных, ионизационных и эксимсрных) [*12,*13], проблемы существования сверхизлучательных фазовых переходов и когерентных кристаллов [*14, *15, *26, *27], развития когерентной спектроскопии, управления химическими реакциям» и поле ультракоротких лазерных импульсов, модификации спонтанного излучения атомов на адсорбирующих поверхностях, методов охлаждения атомов и бозе-зйнштейновской конденсации атомов, генерации и распространения когерентных импульсов в активированных волокнах, создания широкополосных полупроводниковых лазеров и др.
Анализ подобных проблем потребовал развития электродинамики сплошных сред для случая нестационарных когерентных коллективных процессов в активных средах, как в ее классическом, так и в квантовом вариантах. Для перехода от двухуровневой модели сверхизлучения Дике в крупинке к широкому классу физических систем необходимо было выяснить общие физические принципы, лежащие в основе коллективного спонтанного излучения. Оказалось, что оно связано с волнами отрицательной энергии и их неустойчивостью при взаимодействии с волнами положительной энергии, в частности, диссип&тпвной неустойчивостью [6]. Эти понятия в квантовой оптике и в квантовой теории поля до наших работ не встречались. Кроме того, выяснилось, что квантовая теория гравитации также с необходимостью содержит
в себе поле отрицательной энергии, а его взаимодействие с материальными полями положительной энергии лежит в основе процесса космологической инфляции [7]. Таким образом, квантовая теория нолей с разными знаками энергий важна не только на феноменологическом уровне электродинамики сплошных активных сред, но и на фундаментальном уровне теории гравитации и ее объединения с электрослабым и сильным взаимодействиями [К].
С целью решения очерченных проблем автором был выполнен большой цикл исследований, основные результаты которого изложены в работах [1 — 54] и суммируются в диссертации. Она фактически подытоживает становление нового научного направления - физики сверхизлучательных явлений, далеко выходящего за тесные рамки стандартной двухуровневой модели квантовой оптики. Это обстоятельство, а также ряд новых явлений, предсказанных в диссертации, обуславливают ее актуальность.
Цели диссертационной работы: установление общефизических закономерностей явления коллективного спонтанного излучения и поиск новых коллективных когерентных явлений подобного типа в широком классе физических систем, отличных от двухуровневой модели Дике, предсказание их свойств и построение теории указанных явлений.
Научная новизна работы
Впервые проведен систематический поиск и исследование коллективных эффектов спонтанного излучения в широком классе физических систем. В частности, предсказаны новый равновесный фазовый переход в состояние антисегнетоэлектрического газового кристалла, явление спонтанного излучения и сверхизлучения из основного состояния атомов вблизи поверхности активной среды, возможность бозе-эйнштейновской конденсации атомов, находящихся в возбужденном состоянии, генерация когерентных импульсов сверхизлучения в распределенной системе молекул с. квазиэквидистантным спектром колебательных уровней, коллективная 7-аннигиляция электрон-позитронного сгустка в сильном магнитном поле, коллективная оптическая рекомбинация за-магниченных электрон-дырочных пар в полупроводнике, новые
эффекты неадиабатического пересечения затухающих состояний нестационарной квантовой системы. Сформулирована квантовая теория диссипативной неустойчивости. Предложена локальная квантовая теория полей с разными знаками энергий, которая может служить основой квантовой теории гравитации, и предсказано явление одновременного существования инфракрасной и ультрафиолетовой асимптотической свободы.
Научное и практическое значение работы Важное научное значение имеет развитый в работе макроскопический подход к описанию коллективных когерентных явлений, основанный на обобщении метода электродинамики сплошных сред на активные среды и включающий квантовую теорию диссипативной неустойчивости. В совокупности с целым рядом рассмотренных в диссертации примеров, он дает эффективное практическое средство теоретического анализа коллективных эффектов спонтанного излучения для самых разных физических ситуаций. Его применение уже позволило найти и исследовать экстремальные режимы генерации полей различными ансамблями осцилляторов, представляющие интерес для практической реализации. Сюда относятся одномодовое и многомодовое. сверхизлучение в низкодобротных резонаторах, абсолютная неустойчивость в условиях плазменно-диполыюго резонанса, сверхизлу-чательная генерация разночастотных импульсов в условиях аномального эффекта Допплера, циклотронное сверхизлучение электронного пучка в магнитной ловушке, модовое сверхизлучение на межзонных переходах в полупроводнике, помещенном в квантующее магнитное поле, сверхпзлучепие при постоянной накачке и генерация фемтосекуидных импульсов в полупроводниковых лазерах с квантовыми ямами. (Обзор этих результатов и ссылки см. в [*16].) Осуществление сверхизлучения на колебательных переходах в молекулярных газах (раздел 6) может привести к созданию новых импульсных источников И К излучения.
Использование ограниченного сверхизлучения в световоде, участок сердцевины которого содержит активные примесные центры, (раздел 3) при реализации поперечной схемы накачки может
позволить возбуждать когерентные импульсы без разрыва свето-проводящего контура. Квантовая теория диссипативной неустойчивости (раздел 9) может служить фундаментом поеледова.тель-ного анализа квантовых флуктуации сверхлзлучательиых лазеров. Теория макроскопических квантовых флуктуации эллипса поляризации позволила правильно описать наблюдавшуюся [*17] статистику поляризации импульсов сверхизлучения.
Проведенное в разделах 3 н 4 изучение (с учетом эффектов пространственной дисперсии) спектров нормальных поперечных и продольных волн в относительно плотном газе вблизи электроди-польной линии дает теоретическую основу для разработки методов когерентной спектроскопии таких газов. Аналогия между бес-столкновительным затуханием волн в газе атомов и в электронной плазме (раздел 3) указывает на возможность эффективного использования хорошо развитых представлений физики плазмы для описания коллективных эффектов спонтанного излучения в среде нейтральных частиц с внутренними степенями свободы.
Предложенный в разделе 5 нераднационный механизм управления спонтанным излучением атомов представляет прикладной интерес для химии и физики адсорбирующих поверхностей и для квантовой оптики микролазеров и полупроводниковых гетерола-зеров. Он может быть использован также в схемах лазерного охлаждения атомов, в частности, для ускорения охлаждения.
Предсказанные в"\разделе 8 новые эффекты неадиабатического пересечения затухающих состояний могут быть использованы в лазерной химии для управления скоростью реакций путем изменения темпа опустошения одного квазиэнергетического уровня за счет его неадиабатического взаимодействия в переменном внешнем поле с другим уровнем, а также для разделения изотопов и спектроскопии расщепленных состояний многоатомных молекул.
Анализ коллективной аннигиляции е~с+-сгустка устанавливает фундаментальный верхний предел на скорость аннигиляции, зависящий лишь от фундаментальных констант (постоянной тонкой структуры и массы электрона) и величины внешнего магнитного поля, и необходим при расчете предельных плотностей аи-
шігилируюшей плазми как в астрофизических объектах, так и в ускорителях. В частности, он показывает несостоятельность предлагавшегося в [*11] проекта достижения ядерной плотности плазмы в пинте на ускорителе со встречными пучками.
Для большинства рассмотренных в диссертация явлений и эффектов оценки условий их реализации и ожидаемых характеристик доведены до числа, что позволяет выяснить возможности постановки соответствующих экспериментов или создания соответствующих приборов и установок в тех или иных лабораториях.
Особую научную ценность имеет предложенная в разделе 10 квантовая теория полей с разными знаками энергий квантов, так как она может стать ключевым звеном в решении фундаментальной проблемы теоретической физики - построении квантовой теории гравитации и ее объединении с существующей квантовой теорией материальных полей. Конкретная кпантопо-полевая модель взаимодействующих конформно-плоского гравитационного поля и массивного скалярного поля, рассмотренная в разделе 10, имеет прикладное значение для космологии ранней Вселенной как локальная квантовая модель инфляционного расширения.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на семинарах в ИПФ РАН, Нижегородском государственном университете, в ФИАНе. на Общемосковском семинаре по теоретической физике академика, В. Л. Гинзбурга, на научных сессиях РАН, в Ленинградском государственном педагогическом институте, Казанском физико-техническом институте Казанского филиала. РАН, Свободном Брюссельском университете, Фонде Луп де Бройля (Париж), Брин-Мор колледже (США), Техасском университете в Остине,
а также были представлены в 30 докладах на всесоюзных и международных конференциях: всесоюзном симпозиуме по световому эхо и когерентной спектроскопии (Харьков, 1985), International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Москва, 1985; Минск, 19ІЇ8; Санкт-Петербург, 1995), расширенном заседании секции "Лазерные люминофоры" Научного совета АН по люминесценции (Звенигород, 1987), всесоюзном симпозиуме "Световое.
эхо и пути его практических применений" (Куйбышев, 1989), всесоюзной школе по нелинейным волнам (Н.Новгород, 1989, 1991), Indian-Soviet Symposium on Phase Transitions (Bangalore-Delhi-Madias, 1990), IAU Colloquium N 128 (Zielona Gora, Poland, 1990), International Conference on Lasers and Electro-Optics (Baltimore, 1991), European Quantum Electronics Conference and the Tenth U.K. Quantum Electronics Conference (Edinburg, 1991), International Quantum Electronics Conference (Vienna, 1992), European Quantum Electronics Conference (Amsterdam, 1994; Hamburg, 1996), International Conference on Infrared Physics: Topical Conf. on Infrared Lasers (Ascona, Switzerland. 1994), International Symposium on Spectral Effects in Collective Phenomena (Rochester, 1995), Joint Symposium of ICONO'95 and Laser Optics'95 on Atomic-Coherence (Санкт-Петербург, 199.5), International Conference on Laser Physics (Moscow-Yaroslavl-Moscow, 1995), International Conference on Nonlinear Dynamics, Chaotic and Complex Systems (Zakopane, 1995), International School on Nonlinear Science (Nizhny Novgorod, 1995), International Conference on Atomic Physics (Amsterdam, 1996), General Conference of the European Physical Society (Sevilla, Spain, 1996), International Conference on Quantum Optics and Laser Physics (Hong Kong, 1997), International Conference on Photon Echo and Coherent Spectroscopy (Йошкар-Ола, 1997).
Публикации
По теме диссертации автором опубликованы 54 работы. Из них 27 статей и 5 обзоров в ведущих отечественных и зарубежных журналах, 18 тезисов докладов на международных и всесоюзных конференциях, а также 4 препринта ИПФ РАН.
![Системные эффекты неионизирующих излучений [Электронный ресурс]](/i/i/4498/168330.png "Системные эффекты неионизирующих излучений [Электронный ресурс] Яшин Михаил Алексеевич")
