СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ

СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ

- коллективное спонтанное испускание эл.-магн. <излучения при переходе системы N возбуждённых излучателей (.>1) в когерентное сфазированное состояние. С. предсказано Р. Г. Дикке(R. Н. Dicke) в 1954, обнаружено экспериментально в 1973 после созданиялазеров.

Дикке показал, что система N инвертированных двухуровневых атомов (см. Двухуровневая система )может спонтанно перейти в осн. состояниеза время, обратно пропорциональное числу атомов Этот эффект обусловлен наведением корреляций между дипльными моментамиперехода пространственно разделённых излучателей, взаимодействующих другс другом через поле излучения. В результате атомы, находящиеся в макроскопическибольшом объёме, излучают когерентно. Поскольку полная энергия, излучаемаяколлективом атомов, равна (w₀ - частота перехода), то интенсивность излучения В случае же обычного спонтанного излучения, когда атомы распадаются независимодруг от друга со временем спонтанного распада Т ₁, не зависящимот числа излучателей, интенсивность

С. ансамбля излучателей обусловливается воздействием поля, испущенногоодним из осцилляторов, на все остальные излучатели ансамбля. Именно этовоздействие способно привести к когерентизации процесса испускания излученияансамблем осцилляторов. Эфф. самонаведение корреляций между дипольнымимоментами осцилляторов возможно лишь в том случае, когда время этого процесса меньше времени релаксации дипольного момента атома Т ₂, а также меньше Т₁ (обычно Т ₂ <T₁). Таким образом, С. представляет собой нестационарныйпроцесс, протекающий за время, меньшее T₁ и Т ₂.Установление корреляций между излучателями происходит самопроизвольно впроцессе излучения, этим С. отличается принципиально от нестационарныхкогерентных процессов, обусловленных внеш. когерентной накачкой, таких, <как самоиндуцированная прозрачность, фотонное эхо и др.

Рис. 1. Схема рабочих уровней (а) и экспериментальной установки (б)в типичном эксперименте по наблюдению сверхизлучения.

Рис. 2. Сравнение сверхизлучения и некогерентного спонтанного распада:а - импульс накачки, инвертирующий рабочий переход; б - интенсивность излученияв случае некогерентного спонтанного распада (Т ₁ ~ 1 с); в -наблюдаемый остронаправленный сигнал сверхизлучения (газ HF), пиковая интенсивностьсигнала сверхизлучения примерно в 10¹⁰ раз превосходит интенсивностьспонтанного распада.

По характеристикам и условиям наблюдения С. отличается и от обычногоспонтанного излучения, и от стимулиров. излучения. Это отличие мощно рассмотретьна примере типичного эксперимента по наблюдению С. (рис. 1,б). Внутри макроскопическибольшого, вытянутого и открытого с обоих концов цилиндра длиной L иплощадью основания Z (, V = LZ, n = N/V )находится N двухуровневых атомов. <Сначала атомы переводятся в верх. состояние (рис. 1,а) достаточно коротким импульсом накачки так, чтобы состояние системы было некогерентным (т. е. <корреляции между дипольными моментами отсутствуют). Затем начинается свободныйраспад системы инвертиров. атомов, характер к-рого зависит от соотношениявременных параметров: Т ₁, Т ₂,, а также - времени пролёта фотона через среду. Если плотность атомов настолько мала, <что ,то каждый атом распадается независимо от других и система излучает спонтаннои изотропно по всем направлениям с характерным временем T₁ (рис. 2,б). Если же выполняется условие

то наблюдается С. Правое неравенство означает, что коллективные процессыпротекают быстрее, чем релак-сац. процессы в каждом атоме. Левое неравенствоозначает, что фотоны покидают объём за время, меньшее времени наведениямежатомных корреляций, так что стимулиров. процессами во время развитияС. можно пренебречь. При выполнении этих условий система N атомовизлучает импульс С., пиковая интенсивность к-рого на неск. порядков превосходитинтенсивность спонтанного излучения, причём осн. часть излучения направленавдоль наиб. вытянутости объёма (рис. 2,в). При часть излучённой энергии снова запитывается в атомную подсистему и излучениеформируется в виде последовательности импульсов с уменьшающимися амплитудами(рис. 2,в) - осцилляторный режим С.

Важной характеристикой С. является время задержки импульса t₀,определяемое по моменту наблюдения максимума импульса, к-рое примерно напорядок превосходит длительность самого импульса С.. Такая задержка импульса С. объясняется тем, что процесс распада начинаетсяс изотропного спонтанного излучения, и лишь благодаря взаимодействию атомовчерез поле излучения в системе происходит нарастание корреляций дипольныхмоментов атомов, к-рые достигают макс. значения как раз в момент t₀.

В случае наблюдается режим усиления спонтанного излучения. Левое неравенство означает, <что поляризация быстро подстраивается под поле, а правое - то, что фотоныостаются внутри среды на время , достаточное для лавинообразного нарастания стимулиров. излучения (протекающегоза время ).В литературе процесс усиления спонтанного излучения наз. также часто сверхлюминесценцией. <С. отличается от него тем, что в формировании С. вынужденные переходыатомов практически не играют роли.

Эффект С. имеет как общефиз., так и прикладное значение. С физ. точкизрения эффект С. является примером кооперативного поведения системы N частиц, <взаимодействующих с эл.-магн. полем. Вопросы о формировании скоррелиров. <состояния в такой системе, выяснение роли геометрии среды в формированиипространственной когерентности и влиянии формы на скорость указанных процессовпредставляют общий интерес. С прикладной точки зрения эффект С. имеет значениекак один из методов получения когерентного излучения в беззеркальных системах. <Особенно это важно для КВ-диапазона (рентгеновского и гамма-излучения),где трудно надеяться на получение высокоотражающих зеркал. Теоретич. оценкипоказывают, что С. может оказаться возможным механизмом генерации когерентногоизлучения в этих диапазонах.

Лит.:1) Dicke R. H., Coherence in spontaneous radiation processes,«Phys. Rev.», 1954, v. 93, p. 99; 2) Андреев А. В., Оптическое сверхизлучение:новые идеи и новые эксперименты, «УФН», 1990, т. 160, в. 12, с. 1; 3) Ан д р е е в А. В., Е м е л ь я н о в В. И., Ильинский Ю. А., Кооперативныеявления в оптике. Сверхизлучение. Бистабильность. Фазовые переходы, М.,1988; 4) Кооперативное излучение и статистика фотонов, Л., 1986. А. <В. Андреев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.