Сверхизлучение

Сверхизлучение (СИ) — кооперативное излучение, возникающее вследствие самопроизвольного зарождения и усиления корреляций первоначально независимых атомов c инверсной заселённостью верхнего энергетического уровня.

Механизм сверхизлучения

Рассмотрим атомы вещества с двумя энергетическими уровнями. Предположим, что на уровень с энергией $E_2$ переведено $N_2$ атомов. Если это число меньше порогового значения $N_c$, то сверхизлучения нет, а происходят обычные спонтанные переходы в состояние с энергией $E_1$ с характерным временем $\tau_0$. При этом интенсивность излучения составляет$I \approx N I_0$, где $I_0 = \hbar \omega_0 / \tau_0$ - интенсивность излучения изолированного атома, $\omega_0 = (E_2 - E_1) / \hbar$ - частота излучения. При $N_2 > N_c$ возникает явление СИ. Излучение становится резко анизотропным и представляет собой короткий мощный импульс СИ с длительностью $\tau_c=\frac{\tau_0}{N}$ и интенсивностью $I \approx N^2 I_0$ испускаемый по истечении времени $t_0 \approx \tau_s \ln N$. Явление СИ объясняется тем, что между фазами и амплитудами различных атомов возникает корреляция и в случае СИ все атомы вещества излучают как один большой диполь. В телах, с размерами много большими, чем длина волны излучения, условия осуществления явления СИ имеют вид: $\tau_s = \frac{\tau_0}{\phi}, \phi = \frac {nLc^2}{\omega_0^2} \gg 1$, где n - плотность возбуждённых атомов.

История

Возможность СИ была впервые предсказана американским физиком Р. Дикке в 1954 г. Впервые это явление было обнаружено в 1973 г. В качестве излучающего тела использовался фтористый водород HF. Для накачки использовалось излучение от лазера с длиной волны 2,5 мкм. Длительность импульса СИ составляла 100 нс.

Литература

• Dicke R.H. // Phys. Rev. 1954. Vol. 93. P. 99.
• Skribanowitz N., Hermann I.P., MacGillivray M.S., Feld M.S. // Phys. Rev. Lett. 1973. Vol. 30. P. 309.
• Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. // ЖЭТФ. 1984. Т. 87. С. 1565.
• Файн В.М. Фотоны и нелинейные среды. М.: Сов. радио, 1972. 472 с.
• Железняков В.В., Кочаровский В.В., Кочаровский Вл.В. // Изв. вузов. Радиофизика. 1986. Т. 29. С. 1095.
• Гинзбург Н.С., Зотова И.В., Коноплев И.В. и др. // Письма в ЖЭТФ. 1996. Т. 63. С. 322.
• В.К. Воронов, А.В. Подплелов Современная физика: учебное пособие. - М.: КомКнига, 2005. - 512 с. ISBN 5-484-00058-0, гл. 1. Нелинейная оптика, п. 1.3 Нестационарные эффекты, п. 1.3.1 Свехизлучение, с. 26-31.
• В.В. Железняков Что такое сверхизлучение. Соросовский образовательный журнал, 1997 г., н. 4, с. 52-57;