0.5. Явление самоиндуцируемой прозрачности

При описании явления самофокусировки лазерного излучения в среде мы предполагали, что взаимодействие светового потока со средой носит стационарный характер, т.е. длительность действия лазерного излучения существенно больше времени перестройки свойств среды (индуцируемая поляризация, ориентация полярных молекул и т. д.) и времени релаксации среды , т.е. времени, определяющего спонтанный переход среды в начальное состояние вследствие процессов столкновительной ориентации полярных молекул, спонтанного распада возбужденных состояний и т.д. В этом смысле явление самоиндуцируемой прозрачности носит ярко выраженный нестационарный характер, т.е. . Сущность этого явления можно понять, рассмотрев динамику взаимодействия короткого, мощного лазерного импульса со средой. Под действием переднего фронта импульса частицы нелинейной среды, поглощая энергию, переходят из нижнего энергетического состояния в верхнее, в результате чего часть энергии световой волны запасается в веществе. Если интенсивность импульса достаточно велика, то в какой-то момент времени в среде реализуется состояние с инверсией населенности. Под действием оставшейся части импульса квантовые частицы, испуская вынужденно излучение, возвращают запасенную энергию обратно в световой пучок и постепенно возвращаются в исходное, нижнее состояние. Поскольку длительность импульса меньше времени релаксации системы , то весь этот процесс энергетического обмена должен произойти быстрее, чем нарушится инверсия населенности за счет релаксационных процессов и можно добиться того, что вся энергия, первоначально взятая из лазерного пучка, вернулась обратно в импульс, восстановив его энергию и форму. Таким образом, лазерный импульс может проходить через поглощающую среду без потерь, все время отдавая и возвращая свою энергию через вещество. Сразу же отметим, что подобное просветление вещества принципиально отличается от эффекта просветления поглощающей среды при обычном насыщении поглощения, когда под действием мощного светового потока устанавливается равновесие в населенностях нижнего и верхнего уровней квантового перехода. При этом ясно, что такой импульс, с учетом релаксационных процессов, не может создать инверсию населенностей в веществе. Энергия, необходимая для просветления перехода, забирается из передней части импульса и уже не может когерентно вернуться назад в лазерный пучок. Она перейдет позже в энергию спонтанного излучения или безызлучательных переходов, но для импульса она уже, в общем, потеряна навсегда. Для количественного описания эффекта самоиндуцируемой прозрачности необходимо совместно рассматривать самосогласованную систему уравнений для светового поля (волновое уравнение Шредингера) и среды (уравнения Максвелла). Из такого рассмотрения следует, что без энергетических потерь через вещество может проходить лазерный импульс, для которого выполняется условие , где - длительность импульса, его частота. Такие лазерные импульсы называются "2 " импульсы. При этом за время в двухуровневой системе атомы переходят из основного состояния в возбужденное, а за время возвращаются в исходное состояние. Влияние вещества на световой «2 » импульс проявляется лишь в уменьшении скорости распространения и искажении формы импульса. Действительно, скорость распространения «2 » импульса определяется его "длиной" и коэффициентом обычного поглощения следующим образом

.

Таким образом, чем длиннее импульс, тем больше его задержка: например при 1 нс см и см импульс замедляется на три порядка. При рассмотрении явления самоиндуцируемой прозрачности следует допустить существование в веществе солитоно-стабильных импульсов, форма и амплитуда которых не изменяется в процессе распространения. Среды, в которых до сих пор наблюдался эффект самопрозрачности, можно в основном разделить на четыре категории:

I) твердые диэлектрики. Длительность импульсов с и мощность потоков 10 кВт/м ;

2) пары щелочных металлов. Длительность с и порог мощности кВт/м /;

3) молекулярные газы с и кВт/м²;

4) полупроводники с, Р_кр = 10⁶ МВт/м ².

Наиболее перспективные направления на основе явления самоиндуцируемой прозрачности - формирование ультракоротких (10 с) лазерных импульсов, построение оптоэлектронных элементов (дикриминаторы, цепи задержки, логические сетки) и дальняя связь в спектральных диапазонах сильного поглощения. Таким образом, при поглощении веществом импульсного резонансного излучения, т.е. излучения с частотой , близкой к частоте переходов между уровнями энергии атомов вещества, в среде наступает эффект насыщения, т.е. каждый, атом вещества в среднем находится одинаковое время в основном и возбужденном состояниях. По этой причине поглощение отсутствует, среда становится прозрачной для излучения. Для этого необходимо одновременное выполнение трех основных условий, определяемых свойствами среды и импульса излучения:

1. Длительность лазерного импульса много меньше как времени перестройки свойств среды, так и времени ее релаксации. В таких условиях воздужденные атомы среды, создаваемые импульсом излучения, не успевают спонтанно вернуться в основное состояние за время воздействия излучения;

2. Напряженность поля излучения должна быть велика, чтобы распад возбужденного состояния носил вынужденный характер (соответствующий коэффициент Эйнштейна велик).

3. Форма импульса и напряженность поля должны быть таковыми, чтобы атом вещества под действием такого импульса успевал совершить одну осцилляцию: основное состояние — возбужденное состояние — основное состояние.

При выполнении указанных трех условий импульс лазерного излучения распространяется в среде без поглощения, взаимодействие импульса со средой сводится к обмену энергией, переходящей от импульса к среде, возвращающейся в импульс.