Введение к работе
Актуальность. Взаимодейотвие импульсных попей различной природа с различными квантовыми оистемами приводит к возникновению, так называемых, переходных процессов, если длительность воздействия значительно меньпе характерных временных масштабов необратимых релаксационных процесоов. При этом переходные процессы являются когерентным откликов квантовой системы на импульсное воздействие переменного поля. Эта идея явпяетоя фундаментальной и подтверждением тому служит открытие таких физических явлений как опиновое эхо в системе электронных и ядерных спинов, световое эхо.оамоиндуцированная прозрачность в системе двухуровневых атомов. Теоретическое и экспериментальное исследование переходных процесоов в квантовых системах различной природы явпяетоя безусловно актуальной задачей, учитывая тот вклад в фундаментальную и прикладную науку, который-вносит, например, явление оветового эха. Данная диссертация посвящена теоретическому исследованию переходных процессов-в новых квантовых системах (поверхность резонансной оптической среды, эксито-ны в кристаллах малой толщины, оистема атомов позитрония). При этом развивіатоя, фактически, два перспективных направления.
I. Когерентная нелинейная оптика олоисгых сред при взаимодействии их с интенсивными световыми полями в области половы поглощения с учетом переходных процеосов на поверхностях резонансных оред. Преимущественно раоонатриваетоя взаимодействие этих сред со сверхкороткими лазерными импульсами, длительность которых значительно меныае всех времен релаксации. Рассматриваются доотаточно общие случаи облучения поверхноотей резонансных сред о помоцьп лазерных импульсов, разнесенних как в пространстве, так и во времени. Так, при воздействии на поверхность резонансной полубесконзчной среды сканируемых лазерных пучков и поверхностных электромагнитных волн, как показано в диссертации, может быть достигнуто обращение сканируемого луча за счет учета фазовой памяти отражающей поверхности. Рассмотрены новые закономерности нелинейной оптики1слоистых сред при определенных условиях облучения поверхностей резоканоных оред. Предлагается новый метод исследования быстропротекающих процеосов на поверхности - оптическая эхо-спектроскопия поверхности. 2.-Гемма-еп-тика оистемы атомов позитрония при учете резонансного взаимо-
действия атомов в поле аннигипяциршюго изучения. Гіспучоїіи
уравнения движения для атомных и полевых переменных, позволяв
шие самосогласованно рассматривать различные нелинейные коге
рентные- процессы, в тем числе, аннигиляционно* сверхизлучение.
Обсуждается возможность создания анннгиляционного гамма-лазера
в системе атомов позитрония. В диссертации получены также и
другие результаты, которые могут представлять значительный инте
рес при рассмотрении различных оптичеоких и оптико-магиитішх яв
лений.
-''Значительное внимание в диссертации уделено теоретическому изучению проблемы влияния межатомных взаимодействий на формирование когерентных переходных явлений в резонансных средах.. . Основное внимание уделено резонансному взаимодействию атомов в поле когерентного излучения, которое следует отличать от радиационного взаимодействия. Под радиационном взаимодействием атомов будем понимать такое взаимодействие, которое связано с неразличимость!) атомов фотонами в процессах излучения и которое детально было изучено в работах ВаПскопфа,Вигнера/1,2/для сосредоточенных оред, и Эрнстом, Штеппе/3/дпя протяженных сред. Резонансное взаимодействие атомов имеет другую природу и обусловлено виртуальным обменом между атомами фотонами всех поляризаций. В соответствии с типом их поляризации различают куло-новокое (мгновенное) и запаздывающее взаимодействие. В попе когерентного излучения, как будет показано в диссертации, резонансное взаимодействие атомов приводит к возникновению поляризующего поля окружавших атомов в месте расположения произвольного атсма оптической среды._ Поляризующее попе не является полем реальных фотонов, излучаемых одними атомами среды и поглощаемых другими, а является полем виртуальных фотонов. Оно определяет фазу колебаний атомов среды, а также оуществеино изменяет амплитуду внесшего поля в месте расположения отих атомов и поэтому роль его может быть веоьма значительной в различных когерентных процессах, особенно при высоких концентрациях резонансных атомов, т.е. в конденсированных оптических средах в области полосы поглощения.
Взаимодеяотвие атомов учитывалось в двух предельных случаях. I. Резонансное взаимодействие не изменяет энергетический
спектр отдельных атомов срады. Теп самым учитиваетоя только зависящая от внешюго поля часть взаимодействия, которая способна вызывать KBQitTOBue переходи между выделенными резонансними уровнями атомов, но нг изменяет положение! отих уровней. Такое приближение булат использовано для описания явлений светового эха, сверхизпучения на двойней частоте, комбинационного оверхрассеяния в системе двухуровневых атомов, отражение и преломление когерентного излучения на границе раздела двух сред и ТіЦ. 2. Резонансное взаимодействие атомов существенно изменяет энергетический спектр атомов, когда невозможно говорить об индивидуальных свойствах атомов и переходят к коллективным возбуждениям системы. Такое приближение .было использовано в диссертации при изучении экоитонных когерентних нелинейных оптических процессов в кристаллах малой толщины.
Хоропо известно насколько многообразии когерентные непи-неіїнкз явления, поэтому естественно було ограничиться в диссертации рядом когерентних явлений, которые, в той или иной мэре, содержат следующие аспекти. Г. Длительность формирования и наблюдения проц оса значительно иеньпе необратимых времен релаксации Tj и Tg. где Т| - гремя продольной релаксации, связанное о количеством запаоенноп энергии в оиоте.чз атомов, Tg - время необратимой поперечной релаксации, овязвиное с разбросом собственных частот атомов.
-
Мощность излучения, возбуждающего процеоо в среде, достаточно высока, чтобы в наведенной поляризации среды присутствовали нелинейные по попя составляющие.
-
Выполняется уоловив резонанса, т.е. частота внесшего поля близка к частоте перехода квантовой системы (атома, молекули, криотйппа и т.д.). Однако, основополагающие результаты Г и ІГ глав диссертации'могу? бить иопопьзовами также и для опиоания других явлений.
Цепь диссертации. В рамках единого подхода, оонованного на детальном изучении процеосов взаимодействия пары водородо-подобных атомов как эффектов 2-го, 3-го порядков квантовой электродинамики исопедовать новый кпаоо нелинейно-оптических явлений внутри резонаноных оптических оред и на их поверхностях. Исследовать повне закономерности, возникавшие при отражении и
препоипении сверхкоротких лазерных импупьоов на поверхнооти резонансных оптичеоких оред с учетои фазовой памяти.поверхности. При атом рассмотреть достаточно общий опучай возбуждения по--верхнооти о помощь» лазерных импупьсов, разнесенных как в пространстве, так и во времени. Построить теорию прохождения импульса аннигипяционного излучения в одномерной среде атомов позитрония, опираясь на детальное изучение процеосов взаимодействия пары атомов позитрония как эффектов 4-го-порядка квантовой электродинамики. Теоретически исследовать возможность создания аннигипяционного гамма-лазера. Основные защищаемые положения.
-
Впервые проведено обобщение врейтовского ьзаимодейст-вия связанных электронов для случая атомов, находящихся на произвольных расстояниях друг от друга, Взаимодейотвие рассматривается как аффект второго порядка квантовой электродинамики, где связанные электроны различных водородопедобных атомов переходят из оостояний (tn.n.) в конечные состояния (р,-г ) за счет обмена виртуальными фотонами всех поляризаций. Получен оператор взаимодействия аткв, включающий орбитальные и спиновые степени свободы связанных опектронов, а также купоновс-кую и запаздывающую части взаимодействия, Получены в явном виде операторы диполь-дипольного, спин-спинового взаимодействия атомов, включающие эффекты запаздывания, которые могут быть использованы для оценки ропи эффектов запаздывания в широком круге задач (резонансная передача энергии между атомеми в кристаллах, дисперсионные взаимодействия атомов на произвольных расстояниях друг от друга, вычисление поляритонного спектра кристаллов и т.д.-). ...
-
Впервые получен гамильтониан взаимодействия атомов с внешним электромагнитным полем, учитывающий поляризующее влияние окружения на процессы излучения (поглощения) фотонов отдельными атомами среды.
Резонансное взаимодействие атомов в попе излучения учтено путем перехода к гамильтониану взаимодействия Hj+Hg. отвечающему аффектам первого и третьего порядка квантовой электродинамики. В нерепятивиотском приближении оператор Hj соответствует гамильтониану взаимодействия Паули. Эффекты третьего по-
рядка, отвечавшие оператору Hg, протекают при выполнении закона сохранения энергии Е^+Е^ + i;oj= р*Ег . где Emfn.) -энергия взаимодействующих атомов в начальних состояниях, Ерю -энергия атомов о конечных состояниях, CJ -частота реального фотона. -3 операторе Ир шцепзкы отдельно члени, отвечающие резонансному взоимодеЛсгвию атомов через промежуточные состояния как с положительной, так и о отрицательной энергией. В соответствие с эти различаются электронное и поэитрокиое поляризующие поля. Гамильтониан взаимодействия Hj+Hg содержит оператори і действующие на координатные и спиновые переменные волновых функций, что позволяет применять этот гамильтониан к. изучении широкого класса огггико-магиитннх явлений. Кок следствие, в электрическом дипольної! приближении о помощью гамильтониана Нт+Но получено ин-?егро-диф|еренциальноз уравнение, адекватно отвечающее задачам распространения когерентных электромагнитных вопи в диэпектри-чеокся нелинейной оптической оредэ в области полосы поглощения. Прсдпагаотсп-иопопьзовать метод интегро-дифференциапь-ішх ураршшй раопростронения эпегггремзгжпчшх- волн в сочетании с оптически и уравнениями Блоха рія ранения различных непинеп-но-оптичгокнх граничних задач, учитывая тот факт, что гра ничто успопия входят-в эти уравнения неявно. Зто значительно упрощает реиенио граничних задач резонансной напинейноп оптики. На осново изучения резонансного взаимодействий пары атомов в -поле излучения как эффектов 3-го и 'і-го порядков квантовой эпокгродип?мкки предлагайте! некоторые модификации иптегро-дчф» ференци.-щъках уравнений, которые могут бить использованы при рассмотрении процессов распространения кганто'ганных эпектромаг-нитннх пслеП в проводящих и непроБОДяпих средах,
3, Опервуо теоретически исследованы двухатомные переходи под лзИсгвиек одного фотона удвоенной энергии за счет промежуточных состоянии в спектре атомов о отрицательной и положительной энергией для произвольных кекатемних расстояния о учетом эффектов запаздывания. Учтены двухатомные переходи в системе двухуровневых атомов в коллективном состоянии Дике, вызванные резонансним взаимодействием атомов в попе когерентного излучения. .Исследовано световое эхо на двойной частоте за счет двухатомных переходов в системе двухуровневых атомов как эффективный споооб детектирования сигналов светового эха на основной
частото о малим временный разрешением возбуждавших импульсов и получения уникальной информации о динамическом окружении резонансних атомов среды в поле когерентного излучения. Построена теория комбинационного овэрхрассеяния свгта в сиотеме двухуровневых-вэаиыодеЯствуодих атомов с участием двухатомных переходов. Предсказано концентрациоинсо тушение комбинационного сверхраосеяния-в системе многоуровневых .атомов,' вызванное рззонаноныи взаимодействием атомов в попе когерентного излучения.
4 . Впервые получено выражение дня комплексного показателя преломления нелинейной оптической среды в области полоси поглощения на основе обобщенной йормупи Порентц-П оренда, строгий вывод который приводится в диссертации, при этом обсуждаются оф|«екты нестационарноотн, овязанные с прохождение» сверхкоротких лазерных импульсов в резонансной среде, исследуется полевое уиирение пинии поглощения и проведено сравнение о экспериментом, ._
Впервые разработан метод действующего попя для вычисления комплексной дизпектрическо'! проницаемости нелинейной оптической среды в области резонанса При учете запаздывающего взаимодействия атомов в поле когерентного излучения. Этот метод, как показано в диссертации, нокет быть использован для исследования нелинейных резонансних сред как внутри, так и на поверхности с помощью пробного излучения при возбуждении в оптической среде различных нелинейных переходких процессов, таких как свободная индукция, световое эхо, транзнент-решетки и т.д. под действием сверхкоротких резонансних лазерних импульсов большой интенсивности. Показано, что запаздывавшее взаимодействие атомов в поле когерентного излучения приводит к возникновение светоиндуцированной анизотропии резонансных оптичео-ких сред.
5 , Осуществлен вывод обобщенных законов отражения и преломления овета, позволяющих анализкровать угловое распределение отраженного и преломленного излучения в условиях воздействия на поверхность попубесконечной резонансной оптической среда сканируемых лазерных пучков и поверхностных электромагнитных волн. Показано, что обобщенные законы отражения (преломления) овега на поверхности резонансной среды допускают преде-
пьний переход к законом линейной оптики.
Впервые исследован теоретически закон дисперопи, т.е. зависимость комплексного показателя преломления от чаоготи, нестационарных поверхностных нелинейных пояяритонов при воздействии на поверхность резонансной среди одиночного сверхкороткого лазерного nit пуль со. Показано, что закон дисперсии существенно изменяется d зависимости от условий внешнего воздействия (угол падения, напряженность электрического поля внешней волны, длительность импупьоа, поляризация), состояния поверхности (отклонение от резонанса, окороогь релаксационных процессов на поверхности, дипольний момент резонансного перехода), а танке от глубины залегания точки наблюдения.
Разработан алгоритм численного расчета отражательной и пропуокательной способности границы полубесконечной резонансно;! оптической среды при различных способах облучения поверхности о помощью сканируемых лазерных пучков, стоячих и бегуиих поверхностных электромагнитных вопя. Алгоритм оонован на использовании обобщенной формули ЛорентЦ'г-Лоргнца и теоремы погашения, полученных ь диссертации, Разработанный в диссертации алгоритм расчета использован для вычисления отражательной (пропуокатепь-нон способности, границы полубескокзчной резонансное среды при одноимпупьсном лазерном воздействии (свободная индукция на повзр-1 хнооги), при двухимпупьонои лазерном воздействии (первый им-пупьо-оканируемый луч, второй инпупьо-бегуцая либо стоячая поверхностная полка.) Показано, что при двухимпупьском лазерном воздействии (световое зхо на поверхности) возможно обращение оканируамрго лазерного _пуча за счет разовой памяти отражавдей поверхности.
6 . Предложен и разработан новый кетод исследования быст-ропротекавдих процессов на поверхности твердих тел и тонких пленках - uej^og^pjcoj^n^CTP^oj^njw. Разработана теория транзиэнт* решеток на поверхности попубесконечнсй резоканоной непинейиой оптической среды, Показано принципиальные отличие транэиент-решвток на поверхности от обгемнцх транзиент-решеток. Предложен и разработан новый метод возбуждения оптичеоких переходных явлений в технике обращения на поверхности кристаллов и тонких пленках.
7. Впервые разработана теория экоитонных переходных явлений в молекулярных кристаллах мапоп толщины. Попучени уравнения двикения дпя локальных дипольних моментов и чисел заполнения экоитонных состояний. Учтена иебозевость экоитонов, приводящая к смещении частоты свободного окситона. Рассмотрено явление экситонной свободной индукции при воздействии на криотапп одиночного лазерного импульса. Исследованы различные механизмы дефазировки вектора поляризации в кристалле малой толщины поспе выключения импульсного воздействия. Рассмотрено явление экситон-эха, а также явление обращенного экситон-oxq, позволяющее обращать эксигонные потеки в криогалпах малой топвинц. -
8 .Теоретически исследовано влияние оптического лазера но.
процеоо двухфогонноЯ и трехфогонной аннигиляции-одиночного ато
ма позитрония. Действие оптического лазера приводит к возникно
вению квантовых переходов между двумя уровнями в спектре атома'
позитрония, что приводит, в свою очередь, к смешиванию атомных
состояний. Предсказывается возникновение квантовых биений про
цесса аннигиляции атомаPs вследствие смешивания атомных сос
тояний.
.-Получены уравнения движения для атомных переменных в системе атомов Ps .характеризующих индуцированные локальные токи и числа заполнения позитрониевых состояний. Учтены прямые и обратные процессы рождения и уничтожения атомов Ps в процессах двухфотонной аннигиляции. Анализируется случай, когда вероятности прямых и обратных процессов могут быть неодинаковыми. Полученные уравнения движения совпадают с соответствующими уравнениями, описывающими явление экситонной самоиндуцированной прозрачности. Методом проекционных операторов и временных корреляционных функций (ВКФ) наследуются релаксационные процессы в системе атомов позитрония о резервуарами фотонов и фононов. Вычислены времена ''продольной" (Тг) и поперечной (Tg) релаксации для средних значений локальных индуцированных токов и чисел заполнения позитрониевых состояний. Уравнения движения дополнены релаксационными членами.
9 . Получены полевые уравнения для амплитуд спонтанно-
вынужденного йннигипяционного излучения, распространяющихся в
двух противоположных направлениях одномерной позитрониевой
среди. Днолизируптоя различные подходы в записи полевых уравнении. Рассмотрено взаимодействие мевду атомами позитрония через попе виртуальных фотонов как зффект четвертого порядка квантової! электродинамики, пекащее в основе понимания реакции среды в процессах аннигиляции. Это взаинодзйстние в псзитроние-воИ среде позволяет записать интегро-дифференциапьное уравнзние для квантованного электромагнитного поня внутри среди. Различаются два типа поляризации среди (электронная и позитронная), обусловленные промежуточными состояниями о положительной и отрицательной энергией в спектре атомов Ps . Показано, что в системе атомов позитрония домикирупцуп роль играет позитронная поляризации среди как кзханизк наведения корреляций между анни-гипируйщиаи атомами позитрония. Уравнения движения для атомных и полевых переменных образуют замкнутую систему дифференциальных уравнения для расонотретія нелинейного когерентного взаимодействия атаигипявионного гаина-изпучеігая в системе атомов позитрония.
ЇО. Исследуются частные решения полученной оиотени уравнении цвикениі: для атомных н пспевих пароконных для случая нелинейного когерентного взаимодействия сверхкороткого импульса аинигиляциопного излучения о системой атомов Ps . Получены закона сохранения овязивагацио атемнио и пологие переисннкр в рассматриваемом процессе прохождения -излучения в среде атомов позитрония. С tioijotjbD полученных законов оохранения исследуется закон дисперсии гааиапозитрония.
, На оопове занинутоя оистемн атоино-пояевих уравнении, полученных в диссертации, рассмотрено прохождение сверхкороткого импульса аннигшяциенного излучения в нелинейной" позитро-ииевоП среде. Получено уравнение для огибавдей поля аннигипя-циокного излучения в среде атомов позитрония, позволяющее получить решение для огкбзюцеГі поля в виде гиперболического секанса, что соответствует распространенна в позитрониевон среде вкнигипяционного оопитона. Вичислена скорость распространения аннигиляционного оопитона.
Построена квантовая теория аннигиляционного оверхиз-пучения в системе атомов позитрония о помощьп интегро-дифферен-циапьного уравнения для операторов рождения (уничтожения) ан-
нигипяционних гамма-фотонов, полученного в диссертации. Получена формула для времени задержки ттупъоа аннигипяциокното оверх-изпучения, обусловленного навздением корреляция между аннигилирующими атомами позитрония через попе виртуальных фотонов. Получено уравнение для ппочадк импульса аннигипяционного сверхизлучзния, допускающее решение d виде эллиптических интегралов.. Предлагается использовать явление аннигипяционного оверхизлуче-ния для создания апнигипяционного гакмч-лазера. Научная новизна попучешшх в диссертации результатов состоит в следующем.
Построена кванговозпектродинамическая теория взаимодействия связанных электронов, принадлежащих различипм атсман, разнесенных на произвольные расстояния друг от друга без излучения (поглощения) реальных фотонов. Взаимодействие рассматривается подобно БрейтуЛ/как аффект второго порядка через пене виртуальных фотонов всех поляризация. Получен релятивистский оператор взаимодействия связанных электронов, вкпкчавций наряду с брейтовскими членами, дополнительные члени, которые лоспедова-тепьно учитывают фазовое и амплитудное запаздывание в процессе виртуального обмена фотонами. Путей перехода к нерзплтивисто-кону приближении получены оператори дипопь-ципопьного, спин-спинового взаішодеіїотвия атомов, находящихся на произвольных расстояниях друг от друга, с учетом аффектов запаздывания. Той самым, в отлична от работы/5/, гле рассматривалось резонансное взаимодействие Двух нейтральних атомов в опектрнчеекс:-! диполь-нон приближении, в диссертации исследован более сбщкп случай этого взаимодействия^
Построена квантовоопектродииомичеокая теория взаимодействия связанных электронов, принадлежащих различном атсман, раз-неоекных на произвольные расстояния друг от друга о изучением .. (погпокением) реальных фотонов (в#акти третьего порядка). В нерепятивистоком приближении получен гамильтониан взаимодействия Hj+Hg атомов о внешним полей излучения, позволяющий учитывать влияние окружения на процессы излучения и поглощения резонансных фотонов отдельными атомами среды. Поляризующее поле окружения не является полем реальных фотонов, а являетоя полем виртучпьных фотонов, одвинутое по фазе относительно поля внеш-
кого излучения. В отличие от рабогн ДреИка/б/, где рассматривался случая двух связанных электронов в гепизподобпцх атомах, и нашем рассмотрении расстояния г:е:гду электронами произвольные и псзтсму размзрн области, занимаемо!! окрулающими атомами, произвольны и зависят or свсЛстп когерентности ЕНЄКИЄГО попя, В зависимости от типа проиеяутсчішх соотояниїі п спектре атомов о пспошігепьной и отрицательней опершей различается электронная и позитронпая поляризация оптической среди, Позитронпая поляризация среди нокет бить включена в уравнения Каковеппа путем специального гыбора материальных уравнении. В попе когерентного излучения в резонансних оптичзокнх средам с йопьпоП неоднородном пиріїноїі резонансных уравнзниа познгрснная поляризация' сравнима по величине о электронной и может пакетно ослабить гпикнис хнеанего попа на втсмп среди. Гояипьтоннан взаимодействия атомов с гнзшшм попом излучения Hp-tHg предлагается использовать ;.пи рассмотрения нзпш:з!',т;х ксгзрзнтішх резонансных процессов в-рззснэнсннх конденсированных оптических средах. На ооновз этого гамильтониана попучеио интегро-цифїерепцкапьное -уразнзшіс распространения огзта в резонансно!! оптической средз, которое в сочетании а уравнениями Епоха гут я резонансних атом он оодзрю'.т поп nmj-орііацет о протекании резонансного когерентного процесса.
Рассмотрен принципиально новый тин двухсменного перехода через премзиуточнцз состояния з опегстрз атомов о отрицательней анергией, в огпичие о? двухатомного перехода Дскотера/7/, кото-ры.1 протекает через промс^уточни? состояния в ens ікро -атомов-о полокитспьной -онзргизц. Учтсиі! зф$ег-:гц запаздывания so взаимодействии атомов, за счет которого возможно возникновение двухатомных пзрзходоБ. Интенсивности двухатомных переходов обоих типов могут быть' сравнимы по величине и существенно различается по физическим овсЦотеэм, что позволяет отличать их з экспериментальных случаях.
Впервые теоретичний исспедсЕзпи двухатомннз переходи В СИСТЄ-ме N ( Н'Н ) двухуровневых атомов, находящейся в кеппектив-нцх состояниях Дике (переходы дМг12,, М -разность населенное-тей резонансных атомных уровней). Такие переходы были обнаружено экспериментально Пероико и Ветри/8/путем исследования
(гонцентрационной зависимости интенсивности второй гармоники излучения в оистеме электронных спинов,
Теория комбинационного сверхрассеяиия света на коллективных состояниях атомов развивалась в работах Апанасевича, Круг-пика/9,10/, Махвипадзе', Шепепина/П/, а также автора совместно о В.Р.Нагибаровыи/12/. В наших работах бцп рассмотрен также-про-цесо комбинационного рассеяния с участием двухатомных переходов /П/. 8 работах Раутиана, Черноброда/14/и Емельянова, Семиного-ва/15/развивалась теория комбинационного сверхрассеяния в первоначально некогеренгкой системе многоуровневых атомов благодаря спонтанному наведению межатомных корреляций в процессе рассеяния света. В диссертации, в отпичие' от(Ш-151 построена теория комбинационного сверхрасоеяния в оистеме двухуровневых атомов с участием двухатомных переходов, когда процесс наведения корреляций полностью обусловлен резонансним взаимодействием атомов при опонтанном высвечивании стокоовых и антистоксовых фотонов,- Время задержки импульса комбинационного рассеяния определяется временем наведения корреляций Тса вычисленным в диссертации'.
Построена теория нелинейного отражения и преломления сверхкоротких импульсов оввта на границе полубесконечнои резонансной ореды. В отпичиа от работ Каппана/16/, Розанова/17/, нелинейная ореда обладает произвольной- нелинейностью по попа. Процесс отражения и преломления интенсивного резонансного-излучения, содержит френепевскую и нелинейную компоненты и вызван фазовой память» резонансных поверхностных атомов. Разработаны методы вычисления комплексного нелинейного показателя преломления оптической среды в області'г подрой поглощения, существенно дополняющее традиционные методы.
В диссертации разрабатывается теория, нелинейных когерентных переходных рроцеосов а кристаллах малой толщины о участием . э ко итон ов (экс иг очная свободная индукция, экситон-эхо, обращенное экситон-охо и т.д.) Начиная с I97J г,/1В/теория аналогичных явлений в оистеме объемных акситонов разрабатывалась Самарие-вим с сотрудниками/19/, Моокаяенко и Хвджи/20/, Хакеном и Шенз-ле/21/. Экоитонн в кристаллах, малой толщины оушеотвенно етли-чаитря от объемных ркоитонов, что делает их принципиально новым объектом исследования методами когерентной спектроскопии,
.Построена теория нелинейного когерентного прохождения оверхкороткого импупьса аннигипяциоиного излучения в сиотеме атомов позитрония. Учтены когерентний эффекты в процессе прохождения и эффекты вынужденной аннигиляции атомов позитрония. В работок Ривпина/22/оффекти вынужденной аннигиляции рассматривались на примере атомов ортопозитрония при трехфотонной аннигиляции, когда частота одной из мягких иод оовпадает с частотой оптического лазера. В отличие от отих работ в диссертации рассматриваются двухфотоннио процессы аннигиляции атомов позитрония, когда одна из мод аннигиляционного изпучения распространяется вдоль цепочки атомов парапозитрония. Попе излучения оптического лазера используется для управления вероятностями прямих и обратных процессов в роїкденчн и уничтожении атомов позитрония. .
Научная значимость результатов диссертации. В проведенном цикле исследования с єдиних позиций исследуется влияние резонансного взаимодействия атомов п попе когерентного излучения па протекание различных когерентных (линейных и нелинейных) про цеосов в одюродних и неоднородных резонансных средах. Построена кванговоэпектродинамическая теория взаимодействия связанных электронов, принадлежащих различным атомам, расположении» друг от друга пи произвольных расстояниях, без изпучения и о излучением реальных фотонов. Полученные операторы взаимодействия атомов применяются к N-атомним системам для вычисления энергетического спектра, внутренних поляризующих полей,вероятностей различных квантовых переходов ДМ=* Vе* в том числе, двухатомных, когда два атома одновременно изменяют свои квантовые состояния под действием одного фотона удвоенной энергии, а такке для вычисления времени корреляции Т^ , в течение которого происходит излучение фотона любой пари взаимодействующих атомов, находящихся на произвольных расстояниях друг от друга в оптической ореде. Влияние межатомного взаимодействия анализируется в конкретных оптических явлениях (световое эхо,, ком^ бинационное оверхрасоелние, экситонные овободная индукция и эхо в молекулярных кристаллах малой толщины и т.д.). Предсказываются новые оптические явления, вызванные межатомным взаимодействием (световое эхо на двойной частоте, двухатомные переходи через промежуточные оостоякия о отрицательной энергией, позитрон-
ная поляризация оптической среди, светоиндуцироваиная анизотропия сред, отражение и преломление интенсивного резонансного излучения на. границе раздела двух линейных оптических оред при наличии нелинейного слоя поверхностных атомов, вызванное фазовой памятью поверхностных атомов и т.д.).
Исследованы новые закономерности на-поверхности резонано-ной оптической среды при воздействии на поверхность сверхкоротких пазерних импульсов, разнесенных как в пространстве, так и во времени. Наличие фазовой памяти отражающей поверхности приводит к возникновению принципиально новых режимов отражения и преломления света.
Теоретически исследованы различные когерентные нелинейные явления в системе аннигилирующих атомов позитрония по мере распространения импульса аннигипяционного излучения. Показано, что при достаточно высокой ппотнооти атомов позитрония (~1015<гм"г) возможно явление аннигипяционного сверхизпучения, возникновение аннигипяционного сопитона и образование гаммапозитрония.
Практическая ценность. Результати диссертации могут быть широко использованы в когерентной нелинейной оптике конденсированных однородных и неоднородных сред в области полоси поглощения. Укажем несколько конкретных приложений. I. Вычисление диэлектрической проницаемоотн -оптических сред методом действующего поля в области полосы поглощения. При распространении в среде резонансного когерентного пробного излучения диэлектрическая проницаемость среды будет учитывать эффекты частотной и пространственной дисперсии. 2. Вычисление энергетического спектра квантовых систем на оонове полученных операторов дипопь-дипопь-ного, квадрупопь-квадрупопьного и т.д. взаимодействия с учетом запаздывания. 3. Анализ экспериментальных данных явлений типа светового эха при высоких концентрациях примесных резонансных атомов (в частности, концентрационной зависимости интенсивности светового эха), 't. Преобразование частоты лазерного излучения а конденсированных средах за счет двухатомных переходов (генерация второй гармоники, комбинационное сверхрассеяние). 5. Применение метода эхо-спектроскопии для излучения быстро-протекасщих поверхностных явлений (в частности, определение дипольних моментов перехода поверхностных атомов, времени продольной и поперечной релаксации локальных дипольних моментов
на поверхности твердых теп), б. Создание новых оптических приборов и схем. а) Просветляющие и зеркальные покрытия дпя интенсивного импульоного излучения, состоящие из ионоспоев резонансних атомов, б) Возбуждение зкситонных солитонов в кркотвпничео-ких пленках под действием резонансного лазерного излучения при нормальном падении без использования дополнительных оптических устройств, в) Управление потоками когерентных экситонов в кристаллах малой толщины о цепью создания различных управляющих устройств интегральной оптики, г) Нелинейные зеркапа на основе разовой паняти отражающей поверхности, 7. Доказана возможность создания аннигиляционного лазера на основа современной техники генерирования и накопления позитронов. Область применимости такого лазера, практически, неогранччена.
Достоверность полученных в диссертации результатов гаран-тировапаоь следующими соображениями. Выполняется предельный переход к существующим результатам. Так, при стремлении межядер-ного расстояния ос двух атомов к купи релятивистский оператор взаимодействия атомов переходит в оператор Брейта. Для малых по оравнени» оЪс/оза межатомных расстояний эффекты запаздывания иочезают и полученные операторы диполь-дипопьного, квадрупопь-квадрупопьногсии т.д. взаимодействия переходят известные операторы. При Ct-э-о оператор взаимодействия атомов с полем излучения Н-г+Нр совпадает о соответствующим оператором, полученным в . работе Дрейка/б/J Проводилось сравнение полученных теоретических результатов с существующий экспериментальными результатами. - Так, теоретическая кривая концентрационной зависимости интенсивности светового эха в рубине, полученная на основе нелокального гамильтониана взаимодействия Hj+R^, удовлетворительно объясняет результаты эксперимента Абеппы и Компака.
Наличие двухчастичных переходов В кооперативных процессах, о возможности которых-впервые сообщалось в работе автора данной диссертации, было подтверждено экспериментально Персико и Ветри/8/. С помо^ьв обобщенной формули Порентц-Лоренца, полу- ченной в диссертации, анализировалось изменение показателя преломления оптической ореди в попе мощной оветовой волны в обпасти полосы поглощения атомов бария. Получено удовлетворительное согласие о экспериментом.
Все работы, которые отражают содержание данной диссертации, выполнены при личном творческом: участии автора.
Объем диссертации» Диссертация состоит из введения, десяти глав и списка литературы.
Диссертация включает в себя результати теоретических исследований, проведенных, в основном, в период 1975-1976 и 1979-1986 г. г.
Похожие диссертации на Резонансное взаимодействие атомов в поле когерентного излучения
