Явление самоиндуцированной прозрачности (self-induced transparency) относится к нестационарным когерентным оптическим эффектам.

Хорошо известно, что поглощение монохроматического электромагнитного излучения в среде (газообразной, жидкой или твердой) происходит особенно сильно, когда частота несушей волны совпадает с частотами атомного или молекулярного переходов. Оказывается, это утверждение не всегда справедливо, в частности из-за описываемого явления, физические причины возникновения которого на качественном уровне можно объяснить следующим образом.

Атомы и молекулы, составляющие среду, в которой распространяется излучение, характеризуются помимо энергий квантовых состояний, в которых они могут находиться (спектром испускания или поглощения), рядом времен релаксации. Прежде всего, это время жизни возбужденного состояния, которое характеризует спонтанные переходы из возбужденного состояния в основное; его часто обозначают как Т₁. Далее существует время релаксации поляризации, которое характеризует скорость затухания дипольного излучения из всей системы атомов; это время, обозначаемое как T₂, меньше (часто много меньше) времени жизни возбужденного состояния, поскольку атом может отдать запасенную энергию не только в электромагнитное поле, но, например, стенкам кюветы, содержащей газ, или решетке ионов, образующих твердое тело. Если энергии возбужденного состояния каждого из атомов немного отличаются друг от друга (из-за эффекта Доплера в газах или парах металлов, из-за эффекта Штарка, порождаемого кристаллическим полем ионной решетки твердого тела и т.д.), поляризация затухает еще быстрее из-за расфазировки индивидуальных диполей и соответствующее время релаксации обозначают как T₂^*. Для газовых сред типичные значения Т₂^* - это наносекунды, для ионов в стеклах это пикосекунды и меньше. Например, для ионов Er³⁺ в стеклянной матрице время релаксации поляризации 100 фс.

В зависимости от свойств среды (прежде всего — от процессов релаксации в ней), а также мощности и длительности возбуждающего импульса характер взаимодействия в системе вещество-излучение может быть различен. При этом, как правило, происходит поглощение излучения, т.е. убыль фотонов из пучка за счет возбуждения атомов. Однако оказывается, что существует случай, когда импульс излучения может распространяться через резонансную среду без поглощения. Действительно, если на атомную систему воздействовать импульсом когерентного (лазерного) электромагнитного изучения, длительность которого много меньше времен релаксации, т. е.

то вся резонансная система ведет себя как один атом, все они испускают или поглощают фотоны синфазно. При этом, если напряженность поля излучения достаточно велика, ансамбль резонансных атомов переходит в когерентное возбужденное состояние под действием первой половины импульса (на фронте импульса) и когерентно релаксирует в основное состояние под действием второй половины импульса (на спаде импульса). Таким образом, излучение не поглощается, хотя импульс распространяется через среду, взаимодействие с которой сводится к обмену энергией, переходящей от импульса к среде и возвращающейся в импульс. Это явление получило название самоиндуцированной прозрачности. Подобным образом стрелка часов, совершив полный оборот (поворот на 2π радиан), возвращается в исходное положение.

Впервые явление наблюдалось С. Мак-Коллом и Э. Ханом в I967 г. при изучении распространения ультракоротких импульсов в рубиновом стержне при 40 К. Оказалось, что когда мощность импульса превышала некоторое критическое значение, его распространение происходило с аномально малыми потерями энергии несмотря на условие резонансного поглощения. Импульсы, имевшие мощность много меньше, чем критическая, ослаблялись в 10⁵ раз. Стационарные ультракороткие импульсы, которые формируются в процессе эффекта, Мак-Колл и Хан назвали 2π-импульсами. Эксперимент также показал, что скорость распространения 2π-импулъса примерно в сто раз меньше скорости света в среде. Согласно теории, скорость распространения 2π -импульса описывается выражением:

Коэффициент μ (больше единицы) может существенно меняться в зависимости от условий эксперимента и характеристик среды.

 

 

Самоиндуцированная прозрачность – эффект прохождения коротких мощных импульсов когерентного оптического излучения через среду, резонансно поглощающую непрерывное излучение или длинные импульсы.
Самоиндуцированная прозрачность наблюдается, когда длительность импульса света меньше времени релаксации, а интенсивность его превышает некоторое пороговое значение. Условие, накладываемое на длительность импульса, определяет то, что релаксационные процессы не успевают нарушить фазовые соотношения между полем и нестационарным резонансным откликом вещества, вследствие этого энергия, поглощенная средой на переднем фронте импульса с достаточно высокой интенсивностью, может быть полностью возвращена импульсу на его заднем фронте за счет процессов индуцированного испускания. Условие, связанное с пороговым значением энергии импульса, вытекает из того, что в случае, если энергия падающего на среду импульса достаточна для перевода в возбуждённое состояние всех атомов в области его влияния, то такой импульс придёт в стационарное состояние; в противном случае затухнет.Стационарный импульс имеет симметричную форму; в течение первой его половины резонансные атомы переводятся из основного состояния в возбуждённое, в течение второй половины импульса происходит обратный процесс.
При выполнении условий накладываемых на длительность и интенсивность, световой импульс любого вида после прохождения в среде определённой длины приходит в стационарное состояние, в котором длительность, энергия и форма его остаются неизменными.
Возможность проявления эффекта самоиндуцированной прозрачности обусловлена колебательным характером динамики квантовых переходов в резонансном поле в отсутствие релаксации. В “игре” задействовано два уровня, расстояние между которыми равно энергии кванта падающего света. На переднем фронте импульса происходит поглощение света и атомы из нижнего энергетического состояния переходят в верхнее, поглощая при этом часть энергии поля. Так как предположительно когерентность взаимодействия не нарушается релаксационными процессами, то в определенный момент частицы оказываются в верхнем состоянии, а затем постепенно переходят в нижнее состояние, возвращая полю в процессе индуцированного испускания запасенную ранее энергию. Т. е. задний фронт светового импульса “застает” атомы в возбужденном состоянии и энергия перекачивается обратно в электромагнитное поле за счет процессов вынужденного испускания. Под действием последующих частей импульса процесс обмена энергий между полем и веществом повторяется. Если амплитуда и длительность импульса таковы, что по его окончании все резонансные частицы оказываются в исходном невозбужденном состоянии, то такой импульс проходит через среду без потери своей энергии.
Простейшее описание эффекта самоиндуцированной прозрачности основано на использовании волнового уравнения для медленно меняющейся амплитуды электрического поля импульса и уравнений для матрицы плотности двухуровневой системы, записанных в предположении, что длительность импульса намного меньше времен продольной и поперечной релаксации.
При самоиндуцированной прозрачности глубина проникновения импульса в среду значительно превосходит обычную длину поглощения света в среде, а скорость его распространения, как правило, значительно меньше групповой скорости света в среде.
Эффект самоиндуцированной прозрачности был предсказан С. Л. Мак-Коллом и Э. Ханом в 1965 и наблюдался ими в 1967 году.

Особенности явления самоиндуцированной прозрачности наблюдались экспериментально, хотя эксперименты обычно осложняются существованием вырожденных состояний и поперечным изменением интенсивности лазера. Наиболее убедительным признаком появления самоиндуцированной прозрачности часто являются задержка импульса и его разбиение. Хотя эффект самоиндуцировашюй прозрачности, несомненно, является чрезвычайно интересным, его применение в науке и технике пока всерьез не рассматривалось. В основном это связано с ограниченным применением лазеров, формирующих импульсы ультракороткой длительности.

Следует отметить, однако, что такие свойства эффекта самопрозрачности, как резко пороговый характер пропускания света и сильное уменьшение скорости распространения, кроме общефизического интереса, могут уже находят практическое применение для измерения коротких времен релаксации, дипольных моментов переходов и других характеристик резонансов, а также в оптоэлектронике: для уменьшения пространственных размеров импульсов света, в дискриминаторах, цепях задержки, логических ячейках. В теоретическом плане большой интерес представляет связь с общей теорией солитонов (уравнение Кортевега — Де-Фриза)
 

Теоретическое описание явления самоиндуцированной прозрачности строится на основе представлений об уединенных волнах. Световой импульс дает пример такой волны. Удобно представлять уединенную волну как волновой пакет — линейную суперпозицию (сумму) большого числа монохроматических волн, Имеющих частоты, близкие к частоте несущей волны. Чтобы подчеркнуть исключительный элементарный характер этих уединенных волн, им дали название «солитон» (от англ. solitary — «уединенная», -он — типичное окончание таких терминов, как электрон, фотон, магнон и т.д., означающее «частица»). В наиболее общем смысле солитоном называют локализованное распределение, распространяющееся без диссипации. Импульс, распространяющийся в среде в условиях самоиндуцированной прозрачности без диссипации энергии (без затухания), представляет собой пример солитона.

В экспериментах по самоиндуцированной прозрачности при измерени формы входных и выходных нмнульсов были получены следующие результаты (рис.1).

Слева показаны экспериментальные кривые, справа - рассчитанные теоретически. Пунктиром показана форма входных импульсов, сплошными линиями — форма импульсов на выходе после прохождения в среде пути 5/α. Кривые a - е соответствуют импульсам, площадь которых несколько меньше π, равна 2π, лежит между 2π и Зπ, немного меньше 5π и примерно равна 6π. Разбиение импульсов, имеющих площадь большую Зπ, и отсутствие такого разбиения для импульсов с меньшей площадью хорошо согласуются с предсказаниями теории.