Введение к работе
Актуальность проблемы. Действие традиционных лазерных источников когерентного излучения, как известно, основано на индуцированном испускании и требует создания инверсии населенностей на рабочем переходе в активной среде. Однако распространение этого принципа на некоторые активные среды и частотные интервалы наталкивается на серьезные, порой непреодолимые, препятствия. В частности, принципиальные трудности возникают на пути создании инверсии в достаточно высокочастотных диапазонах (далеком ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах) в связи с тем, что с ростом частоты рабочего перехода резко (как куб частоты) возрастает скорость спонтанной релаксации возбужденного состояния. Для достижения инверсной заселенности такого состояния требуется слишком большая мощность накачки, что нарушает требуемый режим функционирования лазерной системы или даже приводит к разрушению активной среды. Отчасти по этой причине в гамма-диапазоне когерентные источники вообще до сих пор отсутствуют. Аналогичные трудности с достижением инверсии населенностей стоят также на пути создания когерентных источников на основе полупроводниковых квантовых ям в инфракрасном диапазоне, где быстрая релаксация возбужденного состояния вызвана эффективным взаимодействием с оптическими фононами.
В 1988 г. автором в совместной с Я. И. Ханиным работе [6] была предложена и теоретически обоснована возможность создания лазеров без инверсии населенностей. Идея состояла в подавлении резонансного поглощения за счет интерференции разных поглощающих каналов. Такая интерференция появляется при расщеплении одного из рабочих уровней и возбуждении когерентного суперпозиционного состояния соответствующих подуровней. Вскоре, в 1989 г., аналогичные идеи были независимо предложены в работах: Harris S.E. Lasers without Inversion: Interference of Lifetime-Broadened Resonances // Phys. Rev. Lett. 1989. V.62. N 9. P.1033-1036; Scully M.O., Zhu S.-Y., and Gavridiles A.
Degenerate Quantum-Beat Laser: Lasing without Inversion and Inversion without Lasing // Phys. Rev. Lett. 1989. V.62. N 24. P.2813-2816. Три указанные пионерские работы стимулировали непрерывный поток теоретических и экспериментальных исследований по лазерам без инверсии населенностей.
Было предложено множество различных конкретных схем безынверсного усиления и генерации. Исследовались физические механизмы безынверсного усиления, линейная и нелинейная стадии усиления, стационарный и нестационарный режимы генерации, особенности динамики, а также статистические свойства таких лазеров.
Последние три года охарактеризовались существенными экспериментальными достижениями: экспериментальной демонстрацией предсказанного нами явления безынверсного усиления (Nottelman A., Peters С. and Lange W. Inversionless Amplification of Picosecond Pulses due to Zeeman Coherence // Phys. Rev. Lett. 1993. V.70. N 12. P.1783-1786; van der Veer W.E., van Diest R.J.J., Donzelmann A. and van Linden van den Heuvell H.B. Experimental Demonstration of Light Amplification without Population Inversion II Phys. Rev. Lett. 1993. V.70. N 21. P.3243-3246; Fry E.S., Li X.', Nikonov D., Padmabandu G.G., Scully M.O., Smith A.V., Tittel F.K., Wang C, Wilkinson S.R., Zhu S.-Y. Atomic Coherence Effects within the Sodium Dl Line: Lasing without Inversion via Population Trapping I/ Phys. Rev. Lett. 1993. V.70. N 21. P.3235-3238), a также созданием в прошедшем году первых действующих лазеров без инверсии населенностей (Zibrov A.S., Lukin M.D., Nikonov D.E., Hollberg L., Scully M.O., Velichansky V.L., and Robinson H.G. Experimental Demonstration of Laser Oscillation without Population Inversion via Quantum Interference in Rb // Phys. Rev. Lett. 1995. V.75. N 8. P.1499-1502; Padmabandu G.G., Welch G.R., Shubin I.N., Fry E.S., Nikonov D.E., Lukin M.D., Scully M.O. Laser oscila-tion without population inversion in a sodium atomic beam // Phys. Rev. Lett. 1996. V.76. N 12. P.2053-2056).
Актуальность данного направления исследований, прежде всего, связана с многообещающими применениями лазеров без
инверсии населенностей. Наиболее очевидной и привлекательной перспективой несомненно является освоение новых частотных диапазонов (см. [41], а также Coussement R., Van den Bergh M., S'heeren G., Neyencs G., Nouwen R., Boolchand P. Nonreciproc-ity of gamma emission and absorption due to quantum coherence at nuclear-level crossings // Phys. Rev. Lett. 1993. V.71. N 12. P.1824-1827; Imamoglu A., Ram R.J. Semiconductor lasers without population inversion // Optics Letters. 1994. V.19. N21. P.1744-1746). Наряду с этим, как показали результаты недавних исследований, лазеры без инверсии населенностей обладают некоторыми уникальными квантово-статистическими и динамическими свойствами (Zhu Y., Xiao М. Amplitude squeezing and a transition from lasing with inversion to lasing without inversion in a four-level laser I/ Phys. Rev. A. 1993. V.48. N 5. P.3895-3899; Agarwal G., Vemury G., Mossberg T.W. Lasing without inversion: gain enhancement through spectrally colored population trapping // Phys. Rev. A. 1993. V.48. N 6 . P.R4055-R4057; Sanchez-Morcillo V.J, Roldan E., de Valcarcel G.J. Lasing without inversion via self-pulsing instability I/ Quant. Semiclass. Opt. 1995. V.7. N 5. P.889-900; Zhu Y., Rubiera A.I., Xiao M. Inversionless lasing and photon statistics in a V-type atomic system // Phys. Rev. A. 1996. V.53. N 2. P.1065-1071). В частности, уровень квантовых флуктуации в таких лазерах может быть существенно снижен по сравнению с традиционными лазерами при сопоставимом коэффициенте усиления (Agarwal G.S. Inhibition of spontaneaus emission noise in lasing without inversion'//Phys. Rev. Lett. 1991. V.67. N8. P.980-982; Gheri K.M. and Walls D.F. Squeesed lasing without inversion or light amplification by coherence // Phys. Rev. A. 1992. V.45. N 9. P.6675-6686).
Вместе с тем, актуальность указанного направления обусловлена не только возможными практическими применениями этих новых источников когерентного излучения. Она тесно связана также с решением ряда фундаментальных проблем взаимодействия когерентного электромагнитного излучения с многоуровневыми активными средами. Само сочетание слов - лазер без ин-
версии населенностей, на первый взгляд, кажется парадоксальным и немедленно порождает вопросы о скрытой инверсии в таких системах и о присущих им принципиальных термодинамических ограничениях. Одной из фундаментальных проблем, непосредственно связанных с анализом безынверсных систем, является вывод обобщенных кинетических уравнений и исследование на их основе взаимодействия многоуровневой системы с достаточно сильными когерентными полями в условиях, когда релаксационные процессы сами существенно модифицируются под действием этих полей [33,34,40]. Атомная когерентность и интерференция, лежащие в основе действия лазеров без инверсии насе-ленностей, имеют многообразные проявления. В частности, они обуславливают также новый эффективный механизм электромагнитно индуцированной прозрачности (см. [2,11], а также Boiler K.-J., Imamoglu A., Harris S.E. Observation of Electromagnetically Induced Transparency // Phys. Rev. Lett. 1991. V.66. N 20. P.2593-2596), приводят к уникальной возможности сочетания высокого показателя преломления с исчезающе малым поглощением в той области параметров, где поглощение сменяется безынверсным усилением (Scully М.О. Enhancement of the index of refraction via quantum coherence // Phys. Rev. Lett. 1991. V.67. N 14. P.1855-1859).
За последние восемь лет по указанной тематике было опубликовано более двухсот работ в ведущих международных физических журналах. Несколько экспериментальных групп активно работают над созданием различных лазеров без инверсии насе-ленностей в США, Канаде, Германии, Италии, Великобритании, Голландии, России, Польше и Китае.
Лазеры без инверсии населенностей вошли в основную проблематику ряда ведущих международных конференций по квантовой электронике, таких как EQEC (European Quantum Electronics Conference), QELS (Quantum Electronics and Laser Science Conference) , NDOS (Nonlinear Dynamics of Quantum Systems), Optical Society of America Annual Meeting, Когерентная и нелинейная оптика, Оптика лазеров и др.. Начиная с 1991 г. в США
(Крестид Бьют, Колорадо) проводится ежегодная международная конференция по лазерам без инверсии и атомной интерференции. В 1992 г. лазеры без инверсии населенности! были одной из четырех тем, обсуждавшихся на XX Солвеевском конгрессе по физике. В 1993 г. лазерам без инверсии населенностей была посвящена III Европейская конференция по лазерным взаимодействиям, проходившая на о. Крит в Греции. В 1995 г. в России был проведен международный симпозиум "Атомная когерентность и усиление без инверсии" (совместный симпозіїум двух международных конференций: Когерентная и нелинейная оптика и Оптика лазеров). В том же году международный симпозиум по аналогичной тематике "Атомная когерентность и лазеры без инверсии" был проведен в Китае.
По этой проблематике опубликовано уже несколько научных обзоров (см. [25,41], а также Scully М.О. From lasers and masers to phaseonium and phasers // Phys.Rep. 1992. V.219. N 3-6. P.191-203; Mandel P. basing without inversion: a useful concept? // Contemp. Phys. 1993. V.34. N 5. P.235-246), специальный выпуск журнала Европейского оптического общества "Квантовая оптика" (Quant. Opt. 1994. V.6, N 4), а также ряд статей в журналах, предназначенных для широкой научной общественности (см., например, Singer N. Coupled States Clear the Darkness and Quiet the Light // Science. Oct.1992. V.258. P.32-33; Keitel C, "Knight P. basing without inversion: more gain for less pain // Opto к laser Europe. 1993. Issue 7. P.39-43; Scully M.O., Fleischhauer M. Lasers without Inversion // Science. 1994. V.2G3. P.337-338; Moseley R., Dunn M. Lasing turned upside-down // Physics World. Jan.1995. P.30-34; Marangos J. Focusing Light with Light // Nature. Apr.1995. V.374. P.679-680; Levi B.G. Researchers Report Evidence for Lasing Without Inversion // Physics Today. Sept.1995. P.19-20; Taubes G. Researchers Build Novel Laser By Putting a Lock on Atoms I/ Science. Nov.1995. V.270. P.737-738). В результате, к настоящему времени сформировалось новое общепризнанное в мире направление исследований в квантовой оптике и электронике: физика безынверспых лазеров.
Цель и задачи работы. Цель диссертация состоит в обосновании возможности и в выяснении условий, при которых усиление и генерация электромагнитного излучения в многоуровневых атомах осуществима без инверсии населенностей. Работа посвящена разработке и анализу базисных схем лазеров без инверсии населенностей, а также определению механизмов безынверсного усиления.
Методы исследования. Большая часть результатов получена на основе полуклассического описания взаимодействия света с веществом и базируется на анализе традиционных в квантовой оптике уравнений Максвелла-Блоха применительно к трех- четырехуровневым системам, взаимодействующим с двух- четырех-компонентными квазимонохроматическими полями. Большинство результатов получены аналитическими методами. Результаты последней главы основываются на решении обобщенных кинетических уравнений для многоуровневой системы в сильном многочастотном поле. Эти уравнения, выведенные в той же главе, принимают во внимание модификацию релаксационных процессов под действием когерентного поля. Полученные результаты сопоставлены с экспериментами, выполненными в ряде лабораторий США, Германии, Голландии и Китая специально для верификации данных результатов.
Научная новизна работы.
1. Предсказано явление когерентного просветления резонансно
поглощающей трехуровневой среды под действием излучения, со
держащего частотные компоненты, взаимодействующие со смеж
ными оптическими переходами.
-
Предсказана возможность создания лазеров без инверсии населенностей на основе трехуровневых активных сред при возбуждении в них низкочастотной атомной когерентности.
-
Предложены два типа схем безынверсного усиления и генерации с когерентной накачкой: двойная Л схема с бигармони-ческой накачкой и трехуровневые схемы с резонансной низкочастотной накачкой.
-
Выведены новые обобщенные кинетические уравнения для
многоуровневого атома, взаимодействующего с когерентным многочастотным полем. Установлена связь между релаксационными суперматрицами в отсутствие поля и при его наличии.
-
Установлено, что влияние сильного поля на релаксацию многоуровневого атома обусловлено зависимостью скоростей релаксационных процессов от частот "одетых" квантовых переходов.
-
Предсказано явление когерентного захвата населенно-стей трехуровневого атома на динамическом штарковском уровне при условии пересечения этим уровнем близкого невозмущенного атомного состояния. Предсказано язление спонтанного излучения из основного невозмущенного атомного состояния в случае, когда динамический штарковский уровень опускается ниже основного.
Научное и практическое значение работы. В работе предсказаны три новых физических явления, каждое из которых может найти важные практические применения.
- Явление когерентного просветления трехуровневой среды мо
жет быть использовано для устранения резонансного поглощения
при распространении излучения в потенциально поглощающих
средах, а также для повышения эффективности процессов нели
нейного преобразования частоты.
- Явление безынверсного усиления и генерации в средах с
расщепленным рабочим уровнем при возбуждении атомной коге
рентности между подуровнями под воздействием внешних низ
кочастотных полей служит основой для создания принципиально
новых источников когерентного излучения, обладающих некото
рыми уникальными квантово-статистическими и динамическими
свойствами и особенно перспективных для освоения новых ча
стотных диапазонов.
- Явление спонтанного излучения из основного состояния трех
уровневого атома, управляемого сильным когерентным полем, и
пленения населенностей на штарковском уровне в условиях пере
сечения этим уровнем основного состояния атома может найти
применения для возбуждения максимально возможной когерент
ности (требующейся, в частности, в схемах безынверсного уси-
ления), для достижения максимального отношения действительной и мнимой частей восприимчивости (важного, например, для лазерного ускорения частиц), а также для опустошения основного состояния среды и получения большой инверсии населенностей как на управляемом, так и па смежном с ним более высокочастотном переходе.
В последние годы явление когерентного просветления было экспериментально реализовано (Field J.E., Halm К.Н., Boiler К.-J., Imamoglu A., Harris S.E. Observation of Electromagnetically Induced Transparency // Phys. Rev. Lett. 1991. V.66. N 20. P.2593-2596) и в настоящее время широко исследуется (Harris S.E. Normal Modes for Electromagnetically Induced Transparency //Phys. Rev. Lett. 1994. V.72. N 1. P.52-55; Li Y., Xiao M. Transient properties of electromagnetically induced transparency in three-level atoms // Optics Letters. 1995. V.20. N 13. P.1489-1491; Moseley R.R., Shepherd S.,Fulton D.J., Sinclair B.D., Dunn M.H. Spatial consequences of electromagnetically induced transparency: Observation of electromagnetically induced focusing // Phys. Rev. Lett. 1995. V.74. N 5. P.670-673). Наши результаты послужили непосредственной теоретической основой для экспериметальной реализации явления безынверсного усиления, а также для создания первых действующих лазеров без инверсии населенностей (см. ссылки, приведенные выше). К настоящему времени безынверсное усиление реализовано как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Все четыре базовых схемы безынверсного усиления и генерации (так называемые Л схема, двойная Л схема , Р и h схемы), предложенные в наших работах [6,11,15,24], осуществлены экспериментально.
Основные защищаемые научные положения.
.1. Резонансно поглощающая среда с расщепленным нижним уровнем может становиться прозрачной под действием оптического излучения, содержащего частотные компоненты, резонансные смежным оптическим переходам. В результате резонансное излучение может распространяться в ней практически без по-гл щения. Указанное явление электромагнитно индуцированной
прозрачности базируется на когерентном захвате населенностей и существовании в трехуровневой среде незатухающей бигармо-нической нормальной волны. Оно проявляется при интенсивности, существенно меньшей насыщающей интенсивности в условиях совпадения разностной частоты двух компонент излучения с частотой расщепления уровня.
2. Усиление и генерация света в среде с расщепленным рабо
чим уровнем осуществимы в отсутствие инверсии населенно
стей. Безынверсное усиление и генерация основаны на интерфе
ренции различных поглощательных каналов, появляющейся при
возбуждении когерентной суперпозиции близких энергетических
уровней и приводящей к подавлению резонансного поглощения.
При начальном возбуждении низкочастотной когерентности осу
ществим нестационарный режим безынверсного усиления с дли
тельностью импульса меньшей периода низкочастотных осцил
ляции. Бихроматическая накачка в двойной Л схеме и микровол
новая накачка в трехуровневых схемах при определенных усло
виях обеспечивают безынверсное усиление и генерацию в стаци
онарном режиме.
3. В атомных системах, управляемых достаточно мощной
когерентной накачкой, релаксационные процессы даже в рам
ках борновского и марковского приближений оказываются зави
сящими от амплитуды этой когерентной накачки. Влияние силь
ного поля на релаксацию многоуровневого атома обусловлено
зависимостью скоростей релаксационных процессов от частот
одетых квантовых переходов.
В трехуровневом атоме зависимость релаксации от амплитуды когерентной накачки проявляется особенно ярко в условиях, когда динамический штарковскии уровень пересекает некоторое нижележащее атомное состояние. При этом осуществимо пленение населенностей на данном штарковском уровне. Механизм указанного явления основан на возникновении спонтанного излучения с невозмущенного атомного состояния на смещенный ниже него под действием поля штарковскии уровень. В результате величина резонансной атомной когерентности с ростом
поля в стационарном режиме стремится к максимально возможному значению вместо обращения в нуль, отношение действительной п мнимой частей восприимчивости в пределе сильного поля оказывается прямо противоположным традиционному значению этого отношения для аналогичной двухуровневой системы, качественно модифицируются спектры резонансной флуоресценции и поглощения пробного поля. В определенной области частотных отстроек возникает инверсия населенностей как на резонансном, так и на смежных с ним атомных переходах.
Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на семинарах в ИПФ РАН, Общемосковском семинаре по теоретической физике академика В. Л. Гинзбурга, в Ленинградском государственном университете, Институте атомной энергии им. К.В. Курчатова, Государственном оптическом институте, Стэнфордском университете, университете Пьера и Марии Кюри (Париж), Имперском колледже наук (Лондон), Пизанском университете, Свободном Брюссельском университете, Фонде Луи де Бройля (Париж), Дрексельском университете (Филадельфия), Брин-Мор колледже, университете Ныо-Мексика, Институте физики (Пиза), в Техасском Далласском университете, Техасском А & М университете, Северо-западном Эванстонском университете, Алабамском университете, Прайри-выо университете (Техас), Орегонском университете, Ягеллон-ском университете (Краков), а также в 35 докладах (14 из которых были приглашенными) на 5 Всесоюзных и 24 Международных конференциях: International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Moscow, 1985; Minsk, 1988; St.-Petersburg, 1991; 1993), Всесоюзной конференции "Оптика Лазеров" (Ленинград, 1987; 1990); Joint Symposium of ICONO'95 and Laser Op-tics'95 on Atomic Coherence and Amplification without Inversion (St.-Petersburg, 1995); Всесоюзном симпозиуме "Световое эхо и пути его практических применений" (Куйбышев, 1989); International School on Laser Application in Atomic, Molecular and Nuclear Physics (Vilnius, 1987); International Conference on Nonlinear Dynamics of Optical Systems (Afton, 1990; Alpbach, 1992;
Rochester, 1995); Всесоюзной конференции Московского физического общества (Сочи, 1990); Всесоюзном совещание "Нелинейные и когерентные эффекты в спектроскопии" (Ленинград, 1991); QELS-Quantum Electronics and Laser Science Conference (Baltimore, 1991); XX-th Solvay conference on Quantum Optics (Brussels, 1991); International Winter colloquium on Quantum Optics (Snowbird, 1992); International Conference on Qiiantum Electronics (Vienna, 1992); International workshop on Atomic Coherence and Inversionless Amplification (Crested Butte, 1992; 1993); European Laser Interactions Conference ( Crete, 1993); International Workshop on Nonlinear- Laser Dynamics (Moscow- Nizhny Novgorod-Moscow, 1993); European Quantum Electronics Conference (Amsterdam, 1994); International Conference on Nonlinear Dynamics and Optics (Pisa, 1994); International Conference on Quantum Optics (Rochester, 1995); International Conference on Laser Physics (Moscow-Yaroslavl-Moscow, 1995); NATO Workshop on Gamma-Ray Lasers (Predeal, 1995); International Symposium on Atomic Coherence and Inversionless Amplification (Chung Chan, 1995); International Conference on Nonlinear Dynamics, Chaotic and Complex Systems (Zakopane, 1995); International School on Nonlinear Science (Nizhny Novgorod, 1995).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 50 работ. Из них 27 статей в научных журналах, 12 статей в международных научных сборниках и 11 тезисов докладов на Всесоюзных и международных конференциях.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из 7 глав, Введения и Заключения. Общий объем диссертации составляет ЪЗ (= страниц, включая 35 рисунков. Список литературы СОДерЖИТ "2j5TO источников.
B.l. Физика безынверсных лазеров как новое научное направление
-
Актуальность проблемы безынверсного усиления
-
История вопроса
-
Современные схемы лазеров без инверсии. Краткий обзор
-
От лазеров без инверсии к гамма-лазерам ?
-
Перспективы развития
-
Основные положения, выносимые на защиту
-
Структура диссертации
