Введение к работе
Актуальность проблемы
В нелинейной оптике нестационарные когерентные эффекты относятся к числу наиболее сложных явлений, возникающих при резонансном взаимодействии излучения с веществом. При когерентном взаимодействии поляризация, наведенная в среде не затухает в течение времени взаимодействия. Появление сверхкоротких импульсов, длительность которых может быть меньше времени затухания поляризации не только газообразных, но и твердотельных сред, обусловило необходимость изучения когерентного взаимодействия излучения с резонансными средами и развитие новых методов когерентного усиления сверхкоротких импульсов. В диссертации будут рассмотрены когерентные процессы в двухкомпонентных средах. Мы покажем, что эффективность усиления импульсов в двухкомпонентных средах значительно выше, чем в обычных одпокомпонентных. Исследованный в диссертации режим подпорогового усиления позволяет использовать двухкомпонентные среды для увеличения интенсивности усиливаемых импульсов и одновременного сокращения их длительности.
Среди нестационарных когерентных явлений особое место занимает сверхизлучение. Сверхизлучение постоянно находится в центре иіпенеиііного теоретического и 'жеперименкиыют исследования, начиная с первых работ Дике, в которых было предсказано сверхизлучение. Сверхнзлученне наблюдалось в широком спектральном диапазоне, - от радиочастот до области видимого излучения. Когерентность процесса излучения позволяет рассматривать сверхизлучение как метод получения мощных коротких импульсов. Хотя
импульсы сверхизлучения в видимом диапазоне по длительности уступают сверхкоротким импульсам, получаемым в оптических компрессорах, но в ИК диапазоне именно использование сверхизлучения дало возможность генерировать самые короткие импульсы. В настоящее время сверхизлучение интенсивно исследуется и развивается как метод получения коротких и ультракоротких импульсов в ИК диапазоне, так как в этой области спектра отсутствие электрооптических материалов не позволяет использовать стандартные методы получения ультракоротких импульсов, таких как модуляция добротности и синхронизация мод. Однако, до сих пор сверхизлучение исследовалось в простых однокомпонентных средах. Рассмотренное в диссертации двухкомпонентное сверхизлучение имеет значительные преимущества перед обычным сверхизлучением и позволяет увеличить интенсивность импульсов сверхизлучения, сократить их длительность и существенно ослабить требования, предъявляемые к длительности возбуждающего импульса.
Цели диссертационной работы
Построение теории двухкомпонентного сверхизлучения. Исследование влияния концентраций компонент, времен поперечной релаксации и величины отстройки частот компонент на динамику генерации двухкомпонентных сред и параметры импульсов сверхизлучения.
Исследование особенностей когерентного усиления и распространения коротких импульсов в двухкомпонентных средах.
Анализ возможности самосогласованного распространения импульсов в двухкомпонентных средах.
Научная новизна
Впервые исследованы коллективные когерентные процессы в двухкомпонентных средах.
Показано, что импульс сверхизлучения двухкомпонентной среды характеризуется значительным временем задержки, которое может существенно превосходить время задержки импульсов сверхнзлучения однокомпонентних сред, и тем более его длительность. Это позволяет преобразовывать широкие импульсы накачки низкой интенсивности в мощные короткие импульсы сверхизлучения.
При увеличении концентрации быстрых атомов двухкомпонентной среды осцилляторная структура импульса сверхизлучения сменяется одноимпульсной, при этом происходит значительное увеличение интененвноеш іі сокращение длительности генерируемого импульса.
Демонстрируется возможность безынверсного сверхизлучения.
Определены условия, при которых двухкомпонентная среда генерирует импульсы сверхизлучения максимальной интенсивности и минимальной длительности.
Показано, что в режиме подпорогового усиления эволюция падающего импульса определяется его площадью: если входная площадь больше критической, го импульс усиливается по амплитуде и одновременно сокращается по длительности. В противном случае падающие импульсы поглощаются двухкомпонентной средой.
Научная и практическая ценность работы
ІЧнработан новый метод получения мощных коротких импульсов когерентного излучения, основанный на введении в сверхизлучагощую среду дополнительной компоненты, имеющей более высокую скорость радиационного распада и находящейся изначально в основном состоянии.
Возможность усиления импульса по амплитуде и одновременное уменьшение его длительности в режиме когерентного взаимодействия как с усиливающей, так и с поглощающей компонентой представляет несомненный интерес для усиления импульсов сверхкороткой длительности.
Показано, что двухкомпонентная среда может быть нечувствительна к спонтанному шуму усиливающей компоненты. Это свойство практически важно для оптических усилителей с большим коэффициентом усиления, в которых усиление спонтанного излучения приводит к интенсивной сверхлюминисценщш и насыщению усиления.
Основные положения, выносимые на защиту
В двухкомпонентной среде возможна генерация импульса сверхизлучения более мощного и более короткого, чем в каждой из компонент в отдельности, что обусловлено отличием пространственно-временной динамики генерации двухкомпонентной среды от динамики генерации однокомпонентной среды.
Время задержки импульса сверхизлучения двухкомпонентной среды может на несколько порядков превосходить длительность генерируемого импульса, что позволяет преобразовать широкий импульса накачки низкой интенсивности в мощный короткий импульс сверхизлучения.
Оптимальной для получения мощных коротких импульсов является двухкомпонентная среда, в которой скорость релаксации поляризации быстрых атомов выше скорости релаксации поляризации медленных атомов. В этом случае концентрации медленных и быстрых атомов близки, что приводит к более эффективному взаимодействию.
Вариацией отстройки частоты быстрых атомов двухкомпонентной среды от точного резонанса с частотой медленных атомов можно
увеличить интенсивность импульсов сверхизлучения и сократить их длительность.
В режиме подпорогового усиления из импульса с площадью больше критической, формируется тг-импульс, который, распространяясь в двухкомпонентнои среде, постоянно усиливается по интенсивности и сокращается по длительности. Если площадь падающего импульса меньше критической, то импульс поглощается двухкомпонентнои средой в режиме подпорогового усиления.
Апробация работы
Результаты диссертации докладывались на Международном семинаре по квантовым нелинейным явлениям (Дубна, 1993), Международной школе по физике "Квантовая оптика" (Санкт-Петербург. 1993), семинаре отдела волновых явлений ИОФ РАН, Европейской конференции по квантовой электронике EQEC-94 (Нидерланды, 1994) [6,7], XX Международной конференции по квантовой электропике QELS-95 (США, 1995) [9,10], XV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 1995) [11,12], XII Национальной конференции по квантовой электронике (Веліікоориіаїшя, 1()95) [13].
1_1\б.1111.Ч1ПИИ
По теме диссертации опубликовано 9 статей [1-5,8.14-16] в научных журналах. 7 тезисов докладов [6,7.9-13]. Список рибої приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа содержит 153 страницы текста, включая 41 рисунок и список литературы из 102 наименования. Структура работы следующая: введение, 4 главы, основные выводы и список литературы.
