CC BY
51
УДК 621.373:535
Вестник СПбГУ. Сер. 4. 2013. Вып. 4
С. Н. Багаев, В. С. Егоров, И. А. Чехонин
ИСТОЧНИКИ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА АТОМНЫХ ПОЛЯРИТОНАХ*
В 1982 г. при исследовании эффекта «конденсации» спектра нами впервые в условиях эксперимента была предложена физическая модель генерации, основанная на параметрическом возбуждении кооперативных эффектов в оптически плотном, резонансном, протяжённом веществе без инверсии заселённостей [1—3]. При этом в качестве исходных соображений принимались теоретические представления об атомных поляри-тонах (по аналогии с экситон-фотонными поляритонами), введёнными в [4-6]. Используемая в наших экспериментах система включала резонатор типа эталона Фабри—Перо с помещёнными внутрь широкополосной усиливающей (на красителе) и узкополосной резонансной поглощающей ячейками. При определённой мощности накачки усиливающей ячейки однородный спектр генерации красителя сосредоточивался, «конденсировался» вблизи сильных линий поглощения резонансно «поглощающего» вещества. В этих экспериментах были сформулированы условия, при которых может произойти «конденсация» спектра. Одним из самых важных условий являлось превышение константы связи (кооперативной частоты) электромагнитное поле — вещество над скоростью диссипативных потерь, характеризующих резонансный переход в среде без инверсной заселённости. В дальнейшем это условие с дополнениями относительно скорости утечки электромагнитного поля из резонатора и длины «поглощающей» среды составило содержание термина «генерирующая система с сильной связью электромагнитное поле — вещество».
В основе предложенного в работах [1-3] нового механизма усиления и генерации света лежит принцип когерентного возбуждения диполь-дипольной корреляции в пассивной среде под влиянием поля накачки при условиях сильной связи «поле—вещество». При определённых уровнях накачки возможно проявление параметрических резонан-сов усиления, связанных с модуляцией коэффициента связи «поле—вещество» в условиях малости числа фотонов в единице объёма среды (более корректно, в объёме моды) по сравнению с соответствующим числом атомов. От обычных лазеров предложенные источники когерентного излучения отличаются механизмом осуществления обмена энергией между полем и веществом. В то время как в обычных лазерах (системы со слабой связью) этот обмен организуется сильным внешним полем в результате возникновения инверсной заселённости, в системах с сильной связью слабое электромагнитное поле лишь упорядочивает существующие изначально (под влиянием спонтанных переходов и теплового шума) некоррелированные кооперативные колебания связанных осцилляторов поле—вещество [7].
Сергей Николаевич Багаев — академик РАН, Институт лазерной физики СО РАН; e-mail: bagayev@laser.nsc.ru
Валентин Семёнович Егоров — профессор, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: valentin_egorov@mail.ru
Игорь Анатольевич Чехонин — старший научный сотрудник, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: chekhonin@mail.ru
* По материалам международного семинара «Collisional processes in plasmas and gas laser media», 22—24 апреля 2013 г., физический факультет СПбГУ.
Семинар был проведён при софинансировании фондом «Династия». © С. Н. Багаев, В.С.Егоров, И.А.Чехонин, 2013
В работах [8, 9] была представлена полуклассическая теория явления «конденсации спектра» при внутрирезонаторной лазерной накачке оптически плотного, протяжённого, резонансного вещества. Хотелось бы отметить некоторые довольно существенные моменты теории, касающиеся, прежде всего, вопросов возникновения «конденсации спектра» излучения и самоорганизации рассматриваемой системы. Момент возникновения «конденсации спектра» определяется компенсацией некогерентных потерь на флуоресценцию атомов и требованием, по которому характерное время утечки электромагнитной энергии из резонатора оказывается больше периода осцилляций обмена энергией между веществом и электромагнитным полем. По достижении порогового значения добротности резонатора (вследствие накачки усиливающей ячейки) происходит неравновесный фазовый переход «поглощающей» среды (аналогичный фазовому переходу второго рода) к состоянию диссипативной системы, что характеризуется спонтанным нарушением симметрии системы, спонтанной когерентностью поля и вещества, появлением коллективных мод поляризации и явлением «саморасщепления» спектра генерации. Последнее является следствием существования коллективных вакуумных осцилляций Раби. В результате преодоления «порога самоорганизации» спонтанно возникает также синхронизация мод электромагнитного поля внутри резонатора лазера (самосинхронизация). Переход к диссипативной системе сопровождается также примечательным изменением картины зависимости потенциальной энергии системы электромагнитное поле — вещество от величины параметра порядка (в данном случае — напряжённости электрического поля электромагнитной волны).
В наиболее детальном виде эта картина представлена в работе [8], являющейся модификацией теоретического исследования [10]. Это описание объясняет многие наблюдаемые эффекты. В частности, оно подтверждает появление в описываемых условиях незатухающих периодических решений для внутрирезонаторного электромагнитного поля, при этом частота модуляции огибающей поля может превосходить величину кооперативной частоты (так называемый эффект пролёта электромагнитной волны в усиливающей ячейке). Кроме того, форма потенциальной кривой системы поле—вещество может указывать на существование фокусировки генерируемого поля, обусловленной притяжением поляритонов.
Всё изложенное выше укладывается в представление о стационарных волнах, генерируемых в рассматриваемой системе с учётом автопараметрического механизма взаимодействия поля и вещества.
Хотелось бы также отметить внешнее сходство положения на шкале частот генерируемых нормальных колебаний поля с первым резонансным дублетом «лестницы» Джейнса—Каммингса в квазиклассическом приближении при условии сильной связи электромагнитное поле — вещество («молекула» Джейнса—Каммингса). В этом смысле наблюдаемые нами особенности «конденсации спектра» могут рассматриваться как макроскопическое проявление эффектов квантовой электродинамики резонаторов.
Всё изложенное относится, прежде всего, к амплитудной модуляции внутрирезона-торного электромагнитного поля при совпадении частоты накачки с резонансом среды.
Между тем во многих работах по наблюдению «конденсации спектра» последняя наблюдается далеко за пределами спектра накачки [11]. При этом в части экспериментов «конденсация» сопровождается появлением так называемых «спектральных волн». Поэтому нами проведены численные расчёты [12] по наблюдаемым эффектам «конденсации спектра» при накачке оптически плотного, резонансного, протяжённого вещества фазомодулированным излучением широкополосной накачки в условиях большой расстройки частоты резонанса от частоты широкополосной накачки. В сущности,
речь идёт о возможности неадиабатического способа возбуждения пассивного вещества без инверсии населённостей в исследованных условиях. Полученные результаты, во-первых, качественно подтверждают такую возможность появления «конденсации спектра» вблизи сильных линий поглощения вещества, а во-вторых, в количественном отношении приводят к выводу об очень эффективном механизме возбуждения спектрального дублета «конденсации» фазомодулированным светом.
Естественно, работы по внутрирезонаторной лазерной накачке вещества инициировали исследования параметрического усиления полихроматического лазерного излучения при его распространении в протяжённой, оптически плотной, резонансной среде в открытом пространстве (вне резонатора). Исследования проводились методом пробный пучок — пучок накачки. Результаты этих работ изложены в целом ряде публикаций (см., например, [13, 14]). Большая часть наших работ сделана в квазиклассическом приближении связанных осцилляторов поля и вещества. Однако, по-видимому, следует считаться с фактом, по которому в условиях нестационарной импульсной оптической накачки, неравновесности возбуждения среды длина волны де Бройля для поляритонов (по крайней мере, в некоторых фазах явления «конденсации») оказывается сравнимой с межатомным расстоянием. В этом случае рассматриваемая нами ситуация с внут-рирезонаторной накачкой вещества оказывается родственной системам с холодными атомами и может проявлять такие, например, свойства как макроскопическое заполнение одночастичных поляритонных состояний.
Литература
1. Егоров В. С., Чехонин И. А. Влияние когерентных эффектов на измерение абсорбции методом внутрирезонаторной спектроскопии // Опт. и спектр. 1982. Т. 52. С. 591.
2. Егоров В. С., Чехонин И. А. Эффекты комбинационного рассеяния при резонансном возбуждении в опытах по внутрирезонаторной спектроскопии // Опт. и спектр. 1983. Т. 53. С. 784.
3. Васильев В. В., Егоров В. С., Чехонин И. А. Параметрическое возбуждение кооперативных эффектов в опытах по внутрирезонаторной спектроскопии // Опт. и спектр. 1985. Т. 60. C. 944.
4. Вдовин Ю. А., ГалицкийВ.М. Распространение фотонов в среде резонансных молекул // Журн. эксп. теор. физики. 1965. Т. 48. С. 1352.
5. Алексеев А. И., Вдовин Ю. А., ГалицкийВ. М. Колебание плотности фотонов в резонансной среде // Журн. эксп. теор. физики. 1964. Т. 46. С. 320.
6. Кочаровский В. В., Кочаровский Вл. В. Поляритонный механизм конденсации спектра генерации лазера вблизи линии поглощения // Квант. электроника. 1987. Т. 14. С. 2246.
7. Bagaev S. N., Egorov V. S., Mekhov I. B. et al. Spontaneous coherence, self-organization and generation of radiation in optically dense resonant medium // Abstracts of III Int. Symposium on Modern Problems of laser Physics (MPLP 2000). Novosibirsk, 2000. P. 147.
8. Васильев В. В., Егоров В. С., Чехонин И. А. Стационарные волны при конденсации спектра во внутрирезонаторной спектроскопии // Опт. и спектр. 1986. Т. 60. С. 664.
9. Багаев С. Н., Егоров В. С., МорошкинП. В. и др. Усиление и генерация в двухуровневых оптически плотных резонансных средах без инверсии заселённости на основе кооперативных явлений при взаимодействии света и вещества // Опт. и спектр. 1999. Т. 86. С. 912.
10. Комаров К. П., Угожаев В. Д. Устойчивые стационарные импульсы в твердотельных лазерах с пассивной синхронизацией мод / Институт автоматики и электрометрии СО АН СССР, препринт № 168.
11. Bertseva E. V., CampargueA. Spectral condensation near molecular transitions in intracavity laser spectroscopy with vertical external cavity surface emitting lasers // Opt. Comm. 2004. Vol. 232. P. 251.
12. Архипов Р. А., Егоров В. С., Чехонин И. А. Неадиабатические явления в оптоинформа-ционных поляритонных лазерах // Научн.-техн. вестн. С.-Петерб. гос. ун-та информ. технологий механики и оптики. 2009. Т. 62. С. 53.
13. BagaevS.N., EgorovV.S., Mekhov I. B. et al. Nonstationary parametric amplification of polychromatic radiation propagating in an extended absorbing resonant medium // Optics and Spectroscopy. 2003. Vol. 94. P. 99.
14. Bagayev S. N., Vasil'ev V. V., Egorov V. S. et al. Coherent light sources under strong field-matter coupling in an optically dense resonant medium without population inversion // Laser Physics. 2005. Vol. 15. P. 975.
Статья поступила в редакцию 22 апреля 2013 г.
